Druckerschwärze

Druckfarben sind farbmittelhaltige Gemische, die mit Hilfe einer Druckform auf einen Bedruckstoff übertragen werden und dort eine Schicht bilden, die trocknet. Sie sind Stoffgemische, die dazu geeignet sind, in technischen und industriellen Prozessen Oberflächen so einzufärben, dass Bilder und Texte dargestellt werden. Druckfarben bestehen aus extrem fein verteilten Pigmenten, Bindemitteln und organischen Lösungsmitteln. Die Farbe schwarz enthält Pigmente aus Gasruß. Die Pigmente der bunten Farben bestehen auf chemischer oder mineralischer Basis.

Je nach Druckverfahren werden die einzelnen Komponenten zur Herstellung von Druckfarben ausgewählt. In der Farbe für den Offsetdruck sind keine Lösungsmittel enthalten. Die indirekte Übertragung der Farbe beim Druckvorgang verlangt eine andere Farbrezeptur als die direkter Druckverfahren. Im Tief- und Flexodruck wird dünnflüssige Farbe verwendet. Sie enthält viele sich schnell verflüchtigende Lösungsmittel. Siebdruckfarben bewegen sich je nach Verwendungszweck zwischen der Tiefdruck- und der Offsetdruckfarbe.

Einteilung von Druckfarben

Eingeteilt werden Druckfarben nach den Druckverfahren, für die sie hergestellt sind (Bogen-, Rollenoffsetfarben; Buch- bzw. Hochdruckfarben; Flexodruckfarben; Tiefdruckfarben usw.), nach ihrer Farbe und dem verwendeten Farbsystem (Skalenfarben, Schmuckfarben, Tagesleuchtfarben, Metalleffektfarben, Sicherheitsfarben usw.), sowie nach den Bedruckstoffen, für die sie geeignet sind (Folien-, Blechdruck-, Textilfarben usw.).

Druckfarben sind in unterschiedlichsten Gebinden im Handel, von der 1kg-Blechdose bis zum 1000kg-Container. Druckereien mit sehr großem Bedarf werden mit Tankwagen beliefert.

Die Toner der elektrostatischen und die Tinten der Tintenstrahl-Druckverfahren sind keine Druckfarben nach der üblichen Definition. Die Bezeichnung Druckerschwärze für (schwarze) Druckfarbe wird fachsprachlich nicht verwendet.

Allgemeine Anforderungen an Druckfarbe

Optische Eigenschaften

Die Druckfarbe soll einen geforderten Farbton (Farbort, Farbstärke, Hell/Dunkel) auf einem Bedruckstoff realisieren. Oberflächenglanz, metallischer Glanz und Interferenzerscheinungen lassen ein Druckprodukt hochwertiger erscheinen. Teilweise werden Glanzeffekte auch durch Lacke erzielt. Die optischen Eigenschaften sind abhängig von dem Druckverfahren, dem Bedruckstoff, dem Standort des Betrachters, sowie der Lichtquelle, unter der das Druckprodukt betrachtet wird. Glanzeffekte sind abhängig vom Betrachtungswinkel des Beobachters.

Oberflächenglanz ist ein so genannter "unbunter Glanz" der die Buntheit der Oberfläche verringert.

Metallischer Glanz wird durch eine gezielte winkelabhängige Reflexion von Licht erreicht.

Perlglanzeffekte (z.B. bei Sektetiketten) entstehen durch Interferenzeffekte in dünnen Schichten mit eingelagerten Pigmenten.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Druckfarben werden auch rheologische Eigenschaften genannt. Die Vielzahl unterschiedlicher Druckverfahren und Bedruckstoffe erfordert unterschiedliche Druckfarben. Offsetdruckfarben müssen zum Beispiel aufgrund des langen Farbwerkes mit vielen Walzen genauso wie Siebdruckfarben sehr zähflüssig sein. Tiefdruckfarbe hingegen ist eher dünnflüssig.

Druckfarben für Druckprozesse, bei denen der Farbauftrag durch Walzen erfolgt (Offsetdruck, Hochdruck, Tiefdruck) erfordern einen guten Transport der Farbe über die Farbwalzen und eine niedrige Aerosolbildung.

Der Farbtransport wird über die Zügigkeit der Farbe bestimmt. Die Zügigkeit ist diejenige Kraft, die notwendig ist, um einen Druckfarbenfilm zu trennen. Sie ist ein komplexes Verhältnis von Viskosität, Kohäsion und Adhäsion und wird als tack in der Druckfarbenprüfung gemessen.

Die Aerosolbildung ist die Bildung eines Farbnebels und Farbfäden bei hohen Geschwindigkeiten. Diese Aerosole verschmutzen und verkleben die Maschine und sind unerwünscht. Die Aerosolbildung ist stark temperaturabhängig, da sie direkt mit der Viskosität korreliert. Die Neigung einer Druckfarbe zur Aerosolbildung wird durch Prüfverfahren am Rotationsviskosimeter (Elastizität, Plastizität) ermittelt.

Chemische und physikalische Eigenschaften

Die chemischen und physikalischen Eigenschaften bestimmen maßgeblich Trocknungsverhalten einer Druckfarbe.

Das Wegschlagen (Penetration) in den Bedruckstoff bezeichnet dabei bei Offsetdruckfarben die Trennung von festen und flüssigen Bestandteilen sowie eine Filmbildung durch internes Schmelzen und ist damit mehr als ein bloßes Versickern im Bedruckstoff. Durch den Entzug der Flüssigkeit (Kapillarwirkung des Papiers und Verdunsten) werden die Partikel der Druckfarbe gegeneinander gedrückt, was zum Verschmelzen der Partikel führt. Das Wegschlagen einer Druckfarbe muss für einen qualitativ hochwertigen Druck genau definiert sein. Dabei spielt auch der Bedruckstoff eine entscheidende Rolle. Für das Bedrucken von Folien benötigt man daher andere Druckfarben, als für Papiere, da die Druckfarbe bei Folien nicht in den Bedruckstoff wegschlagen kann. Auch die Art des Papiers bestimmt die Auswahl der Druckfarbe. So sind stark geleimte Papiere bedeutend weniger saugfähig als ungeleimte Papiere.

Die Oxidation des Bindemittels ist ein chemischer Prozess, der ebenfalls oft zur Trocknung von Druckfarben beiträgt. Die Oberfläche der Druckfarbe wird durch den dünnen Auftrag auf den Bedruckstoff gegenüber dem Volumen stark vergrößert. Der Sauerstoff aus der Umgebungsluft greift die Doppelbindungen des Bindemittels an. Es startet eine Kettenreaktion der Bindemittelkomponenten, die zur Vernetzung zu einem 3-dimensionalen, stabilen Gebilde innerhalb der gedruckten Farbschicht führt. Bei physikalisch trocknenden Druckfarben erfolgt die Verfestigung auf dem Druckträger durch Verdampfung / Verdunstung des flüchtigen Bestandteils der Druckfarbe oder durch Strahlenhärtung. Als flüchtige Bestandteile werden Wasser (lösemittelfreie Druckfarben) oder Alkohole, Ester, Ketone (i.d.Regel für Verpackungsdruckfarben), Toluol (für Illustrationstiefdruckfarben) oder hochsiedende Mineralöle (Rollenoffsetfarben) eingesetzt. Strahlenhärtende Druckfarben (Offset- oder Flexodruckfarben) werden durch radikalische Polymerisation der ungesättigten Polymere gehärtet - ausgelöst durch UV (ultra violett, Wellenlänge unterhalb des sichtbaren Bereichs zwischen 120 -380 nm) oder durch ESH (Elektronenstrahlen)Strahlen. Diese Aushärtung erfolgt weniger als 1 Sekunden. Die Druckfarben haben hohe Beständigkeiten (vernetzt)und sind lösemittelfrei. Die Toxikologischen Eigenschaften von Druckfarben sind vor allem für den Einsatz von Druckprodukten zur Verpackung von Lebensmitteln, aber auch bei Spielzeug und Hygieneprodukten von entscheidender Bedeutung. Die Druckfarben sollten nach der Trocknung daher geruchs- und geschmacksneutral sein und keine allergenen Stoffe enthalten.

Aus Umweltgesichtspunkten sind außerdem schwermetallhaltige Farben, sowie lösungsmittelhaltige Farben problematisch. Die Lösemittelabgabe an die Umwelt ist durch die TA-Luft reguliert und wird durch dem Druckprozess nachgeschaltete Wiedergewinnungs- oder Verbrennungsanlagen verhindert. Druckfarben mit toxischen Schwermatallen (Pb, Cd, Hg, Cr(6)) sowie (As, Se, Sb, Ba) sind seit langem nicht mehr im Einsatz (Grenzwert: Summe < 100ppm ; AP89/1).

Beständigkeiten

Die Druckfarbe muss sich mit dem Bedruckstoff so verbinden, dass sie auch unter Belastung auf dem Substrat haften bleibt. Ein gutes Druckprodukt sollte sich außerdem optisch nicht verändern, sich also nicht verfärben, ausbleichen oder seinen Glanz verlieren.

Die Physikalische Beständigkeit einer Druckfarbe ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen und Strahlung. Prüfgrößen sind daher die Scheuerfestigkeit und Wischfestigkeit, aber auch durch die Neigung zum Abmehlen. Abmehlen ist ein Ablösen von Partikeln aus der gedruckten Schicht. Die Lichtechtheit wird vor allem durch die Beständigkeit der Farbe gegenüber UV-Strahlung bestimmt.

Die Chemische Beständigkeit ist die Widerstandfähigkeit gegenüber chemischen Reaktionen mit jeglicher Art von Stoffen. Die chemische Beständigkeit ist eine Anforderung, die vor allem an Verpackungen gestellt wird. Je nach Einsatzzweck werden Lösemittelbeständigkeit, Fettbeständigkeit (Butter), Säurebeständigkeit (z.B. Essig), Basenbeständigkeit (z.B. Reinigungsmittel), Speichel (z.B. Kinderpielzeug, Süßigkeiten), Schweiß, Milch, etc. gefordert.

Meist werden sowohl physikalische, als auch chemische Beständigkeit gleichzeitig gefordert.

Bestandteile von Druckfarbe

Druckfarben bestehen aus:

• Farbmitteln bzw. Farbkörpern, hauptsächlich Pigmenten oder Farbstoffe, für die Farbigkeit.
• Bindemitteln, hauptsächlich Harze (Festharze, Alkydharze), um die Farbmittel auf dem Bedruckstoff zu befestigen.
• Hilfsstoffen, zum Einstellen der rheologischen Eigenschaften, Beeinflussung von Trocknung, Glanz, Oberflächenhärte usw.

Farbmittel

Da die Schichtdicken der Druckfarben auf dem Bedruckstoff sehr gering sind (typisch 1 - 8 µm, dagegen bei Lackierungen 30 - 200 µm) kommen nur besonders farbstarke Pigmente zum Einsatz.

Die meisten Druckfarben bestehen aus einer Dispersion von Pigmenten in einem Trägerfluid. Es gibt aber auch Druckfarben auf Basis von Farbstoffen, zum Beispiel für Tintenstrahldrucker.

Pigmente sind organische, anorganische oder synthetische kristalline Pulver. Organische Pigmente werden aus Erdöl gewonnen und zur Herstellung der Farben Cyan, Magenta, Gelb, Rot, Grün, Blau und Sonderfarben verwendet. Anorganische Pigmente sind meist spezielle Ruße für Schwarzfarben und Titandioxid für Deckweiß. Feingemahlene Metallpgimente werden für Metalleffekte verwendet. Silbereffekte werden durch Aluminium-Bronze erzielt. Goldeffekte erreicht man durch Einsatz von Messing-Bronze (schwermetallhaltig) oder Aluminium-Bronze mit Gelb/Orange Pigment.

Leuchtfarben entstehen durch UV-aktive Pigmente in der Druckfarbe.

Pigmente sind unlöslich im Druckstoff. Pigmente sind Lichtecht, gesundheitlich unbedenklich und in der Regel nicht schwermetallhaltig. Pigmente für die Druckfarbenherstellung liegen als Pulverpigment oder Flushpaste vor.

Farbstoffe ermöglichen reinere Farben als Pigmente, da sie Licht mit einem schmalbandigeren Spektrum remittieren. Farbstoffe sind auf molekularer Basis in Wasser, Alkohol und Fetten löslich. Der Vorteil der kräftigen, reinen und transparenten Farbtöne, die mit Farbstoffen erzielt werden können, wird allerdings durch einige entscheidende Nachteile überschattet. Farbstoffe neigen unter Einfluss von UV-Strahlung stark zum Verbleichen, sind also nicht farbecht. Außderdem sind die meisten Farbstoffe giftig und damit für Gebrauchsgegenstände toxikologisch ungeeignet.

Bindemittel

Die Pigmente sind im Bindemittel dispergiert. Das Bindemittel sollte eine gute Benetzung der einzelnen Pigmente ermöglichen und ein Verkleben von Pigmenten zu Agglomeraten verhindern.

Die Bindemittel verkleben beim Druck die Druckfarbe auf dem Bedruckstoff und bestimmen die Viskosität. Die Zusammensetzung der Bindemittel richtet sich nach den jeweiligen Druckverfahren:

• Harze, trocknende Öle, nichttrocknende Pflanzen- und Mineralöle für Buch- und Offsetdruckfarben.
• Harze und Lösemittel für Tief-, Flexo- und Siebdruckfarben.
• Strahlenhärtende Bindemittel (UV-, Elektronenstrahl-Trocknung) sind prinzipiell für alle Verfahren verwendbar, wenn die Druckmaschine mit dem entsprechenden Trockner ausgestattet ist.

Harze

Es werden Hartharze und Flüssigharze unterschieden.

Grundstoff der Hartharze ist Kolophonium (Baumharz) aus Portugal, Brasilien, Mexiko oder China. Kolophonium wird aus Rinde oder Wurzeln gewonnen. Durch chemische Modifikation wird gezielt eingestelltes Hartharz hergestellt. Hartharze bilden einen harten bis spröden Film auf der Oberfläche des Bedruckstoffes aus.

Grundstoff der Flüssigharze (Alkyde) sind Leinöl oder Sojaöl. Druckfarben aus Flüssigharzen bilden einen weniger spröden Farbfilm und die Benetzung der Pigmente bei der Herstellung wird erleichtert.

Druckfarbenfirnisse

Im Buch- und Offsetdruck werden Firnisse als Bindemittel eingesetzt. In diesen Druckfarben werden nahezu alle mechanischen, physikalischen und chemischen Endeigenschaften durch die Firnisse bestimmt.

Mischungen mit ungefähr gleichen Anteilen aus Harzen und Ölen werden als Firnisse bezeichnet. Harze haben ein sehr hohes Molekulargewicht und liegen daher „kolloid“ gelöst vor. Beim Mischvorgang nehmen sie Öle in sich auf und quellen dadurch auf. Es werden Pflanzenöle (native Öle) und Mineralische Öle eingesetzt.

Verträgliche Harze nehmen Öle leicht auf und geben sie schwer wieder ab. Dadurch bleibt die Druckfarbenschicht länger nass und die gedruchte Farbschicht hat mehr Zeit, eine gleichmäßige Oberfläche und damit Glanz auszubilden. Nachteil der längeren Trocknungszeit ist ein Abliegen und verzögerte Weiterverarbeitung.

Unverträgliche Harze benötigen Lösungsvermittler und trennen sich leicht wieder von der Ölkomponente. Diese Druckfarben bilden weniger Glanz aus. Dafür trocknen sie schneller und es tritt weniger Abliegen auf. Zudem können die Druckprodukte sofort weiterverarbeitet werden.

Lösemittel

Bindemittel aus Mischungen von Lösemitteln und Harzen wird für Tief-, Flexo- und Siebdruckfarben eingesetzt.

Hilfsstoffe

Die eingesetzten Hilfsstoffe sind vom Druckverfahren abhängig. Hilfsstoffe beeinflussen die Trocknung, Hautbildung, Abliegeverhalten und die Scheuerfestigkeit. Die Trocknung kann durch Katalysatoren, z.B. organischen Metall-Seifen aus Co, Mn, Zr, Ca im Bogenoffset, verbessert werden. Die Hautbildung soll nach Möglichkeit im Gebinde, jedoch nicht auf dem Bedruckstoff, unterdrückt werden. Dies wird z.B. durch Zugabe von Antioxidantien wie BHT erreicht

In Offsetdruckfarben werden meist noch Wachse zum Bindemittel zugesetzt. Diese meist synthetischen, PE, PP oder PTFE Wachse verbessern die Scheuerfestigkeit und die Beständigkeit des Druckproduktes gegen Verschmieren.

Die Zugabe von Stärkepaste verhindert das Abliegen.

HKS-Farbsystem

Das HKS-Farbsystem stellt ein Angebot von Druckfarben im Farbkatalog und im Farbfächer dar. Es enthält 84 Farbtöne, die der Drucker wählen kann. Jede der Farben hat eine bestimmte Nummer, so dass eine Eindeutigkeit gegeben ist. Das HKS-Farbsystem gilt als Grundlage aller gebräuchlichen Druckfarben. Weiterhin gibt es spezielle Farbfächer für verschiedene Papiersorten und Fächer mit aufgerasterten Farbstufen. Die HKS-Farben besitzen ein großes Farbspektrum und werden somit in vielen Druckereien zum Druck verwendet.

Gold- und Silberdruckfarben

Die färbenden Substanzen bestehen aus Bronze- und Aluminiumpulver. Die Wirkung dieser speziellen Druckfarben wird stark von der Oberflächenbeschaffenheit des Bedruckstoffes beeinflusst.

Herstellung von Druckfarben

Am Beispiel von Offsetdruckfarben soll der Herstellungsprozess von Druckfarben dargestellt werden.

Eine typische Offsetdruckfarbe besteht aus

• 12 - 18 % Pigment,
• 14 - 20 % Trocknenden Ölen,
• 6 - 14 % Alkydharzen,
• 22 - 28 % Hartharzen,
• 18 - 25 % Mineralöl oder vegetabilen Estern,
• 1 - 3 % Polyolefin-Wachs und
• 2 - 5 % Trockenstoff.

Im ersten Schritt wird das Bindemittel durch Mischung eines Firniss durch Kochen unter festgelegten Prozessbedingungen in einem Reaktor hergestellt und dann in großen Tanks gelagert.

Das Druckfarbenfirnis wird dann im Dissolver, einem riesigen Rührwerk, mit den pulverförmigen Pigmenten oder Pigmentpasten, den Hilfsstoffen und Trockenstoffen gemischt.

In weiteren Verarbeitungsschritten in einer Perlmühle oder einer Dreiwalze wird versucht, die Pigmente vollständig zu dispergieren.

Zwischen den einzelnen Schritten werden noch weitere herstellerspezifische Zutaten zugefügt.

Zum Schluss wird die fertige Druckfarbe in die Verkaufsgebinde abgefüllt und zum Kunden ausgeliefert.

Prüfung von Druckfarben

Die meisten Prüfverfahren für Druckfarben messen keine einzelnen physikalischen Größen, sondern sind praxisnahe, anwendungsorientierte Prüfverfahren. Der Druckprozess in einer Druckmaschine ist ein sehr komplexer Vorgang mit vielen variablen Parametern und kann daher bis heute nicht mit einem Druckversuch nachgebildet werden.

Geeignete Prüfverfahren müssen daher gleichbleibende Prüfbedingungen und Parameter voraussetzen. So schließt in der Regel jedes Prüfverfahren das Substrat, die Druckplatte und das Feuchtmittel mit ein. Nur wenige Prüfverfahren sind durch DIN oder ISO zertifiziert.

Prüfbereiche der Drucktechnik sind die Rheologie, Coloristik, Simulation des Druckprosses, Homogenität der Druckfarbe und das Trocknungsverhalten.

Auftrag der Farbe

Je nach Druckverfahren werden die Druckfarben unterschiedlich auf die Druckform gebracht. Im Flachdruck erfolgt das Einfärben der Druckform mittels Farbauftragswalzen. Damit nur die druckenden Teile auf der Druckplatte die Farbe annehmen, muss die Druckform zuvor von einer Feuchtauftragswalze angefeuchtet werden. Im Hochdruckverfahren erfolgt das Einfärben der Druckform ebenso mittels Farbauftragswalzen, aber ohne eine vorherige Befeuchtung. Im Flexodruck wird für den Farbauftrag eine Rasterwalze mit einem Rakelsystem verwendet. Im Tiefdruck läuft der Druckformzylinder in eine Farbwanne und nimmt die Farbe auf. Anschließend wird von einer Rakel die überschüssige Farbe abgestreift

Recycling

Da bei bedrucktem Altpapier die Druckfarbe während des Recyclingprozesses wieder herausgelöst wird, sollte die Druckfarbe leicht lösbar und zu entsorgen sein.

Druckveredelung

Die Druckveredelung stellt die Behandlung des Bedruckstoffes nach dem eigentlichen Druck dar. Sie trägt zur besseren Haltbarkeit und zum besseren Aussehen des bedruckten Stoffes bei. Die Druckveredelung wird vor allem dann eingesetzt, wenn eine gewisse Scheuerfestigkeit erreicht werden soll. Dadurch wird das hergestellte Produkt erheblich verteuert. Um diesen Prozess durchführen zu können, muss die Druckfarbe vollständig getrocknet sein. Des Weiteren ist es wichtig, dass der Bedruckstoff frei von Scheuerschutzpasten, Silikonen und Wachsen ist. Es ist zu beachten, dass auf Grund der nachträglichen Behandlung des Bedruckstoffes Farbtöne verändert werden können.

Lacke

Es werden Drucklacke, Mattpasten auf Ölbasis, Dispersionslacke und UV-Lacke unterschieden. Weiters sind Sonderformen von Lackierung Duftlacke und Gummierungen sowie Rubbellacke.

Drucklackierung

Bei der Drucklackierung werden Mattlacke, Mattpasten und Glanzdrucklacke auf den bedruckten Bogen aufgebracht. Dies geschieht genauso wie das Aufbringen der Druckfarbe in der Druckmaschine. Die Lackschicht besitzt keine besonderen Eigenschaften und muss einige Stunden trocknen. Um ein Verkleben der einzelnen Papierbogen zu verhindern, wird eine Bestäubung vorgenommen. Nachteil dieser Lacke ist das Vergilben. Sie geben einen ausreichenden Feuchtigkeitsschutz.

UV-Lacke

Diese Lacke können nur in speziellen Lackierwerken oder Druckmaschinen auf den Bedruckstoff aufgebracht werden. Voraussetzung zur Anwendung dieser Lacke ist die Sprit- und Nitroechtheit der Druckfarben. Die Lackierung mit einem UV-Lack hat mehrere Vorteile. Zum einen trocknet der Lack sehr schnell. Außerdem bietet er einen hervorragenden glänzenden oder matten Glanz. Der Lackfilm ist äußerst widerstandsfähig. Nach dem Aufbringen des Lackes ist eine Nachbehandlung des Bedruckstoffes mit einem Kalander möglich. Nachteile sind das Vergilben und eine Geruchsbildung.

Dispersionslacke

Die Dispersionslacke werden in der Druckmaschine auf den Bedruckstoff gebracht. Auf Grund ihres hohen Wasseranteils werden Dispersionslacke auch Wasserlack genannt. Die Pigmente bestehen aus Wachs und haben die Eigenschaft, sofort nach dem Auftrag zu trocknen. Es gibt weder eine störende Geruchsbildung, noch ein Vergilben. Dieser Lack wird vor allem im Offsetdruck eingesetzt, um den Bedruckstoff haltbarer zu machen.

Wirtschaft

Im Jahr 2004 betrug der weltweite Umsatz von Druckfarben ca. 16 Mrd. US-Dollar. Der Druckfarbenmarkt wächst derzeit um 2-3% pro Jahr. Von den erzeugten Druckfarben verbrauchen die USA 31%, Europa 28% und Japan 25%.

Literatur

• Blana, Hubert: Die Herstellung. München: K.G. Saur Verlag, 1998. ISBN 3-598-20067-6
• Scheper, Hans Jürgen: Prüfungswissen Drucktechnik. Itzehoe: Verlag Beruf und Schule, 2005. ISBN 3-88013-623-8
• Ulrich Zorll (Hrsg.): Römpp Lexikon. Lacke und Druckfarben. Thieme, Stuttgart 1998, ISBN 3-13-776001-1

Weblinks

• Aufbau und Zusammensetzung von Druckfarben