Dieser Artikel der UV-Härtungsspezialistin Jennifer Heathcote von GEW befasst sich mit dem aktuellen Stand der Quecksilberregulierung. Jennifer erklärt, wo die wichtigsten Gesetzgebungsgremien derzeit zu diesem Thema stehen und erörtert, wie es sich auf die UV-Härtung für den Druckmarkt auswirkt.
Regierungen und Nichtregierungsorganisationen (NGOs) legen Richtlinien fest und aktualisieren diese regelmäßig, die vorschreiben, dass die gefährlichsten und giftigsten Materialien bei Identifizierung durch Alternativen ersetzt werden müssen. Schädliche Materialien, die ersetzt werden sollen, werden üblicherweise als besonders besorgniserregende Stoffe (SVHC) bezeichnet. Eine SVHC-Kennzeichnung treibt Vorschriften voran, die die Umstände definieren, unter denen die Verwendung des Materials verboten ist, und festlegen, wie zulässige Materialien beschafft, verkauft, transportiert, importiert, exportiert und entsorgt werden müssen. Wenn es keine praktikablen Alternativen zu SVHCs gibt, werden häufig Ausnahmen oder Ausstiegsfristen festgelegt.
Quecksilber in UV-Härtungslampen
Quecksilber (Hg) ist ein Beispiel für ein SVHC. Die Regulierung von Quecksilber wirkt sich direkt auf Hersteller und Anwender von UV-Härtungsgeräten aus, da UV-Lampen eine geringe Menge elementares Quecksilber enthalten. Die Physik des elementaren Quecksilbers führt zu breitbandigen Emissionen ultravioletter, sichtbarer und infraroter Energie, wenn Quecksilber in einem versiegelten Quarzrohr, das Inertgas enthält, unter mittlerem Druck in ein Hochtemperaturplasma verdampft wird. Ohne Quecksilber funktionieren UV-Lampen nicht. Während des Transports, der Lagerung und des Gebrauchs liegt Quecksilber in UV-Lampen in flüssigem, gasförmigem und Plasmazustand vor. Bei Lampen, die von seriösen Lieferanten stammen, ist Quecksilber in allen drei Zuständen sicher im versiegelten Quarzrohr der Lampe enthalten.
Seit den 1940er-Jahren wurden UV-härtbare Chemikalien so formuliert, dass sie auf die Breitspektrum-Strahlung reagieren, die nur durch verdampftes elementares Quecksilber erzeugt wird. Dies gilt für Standard-Quecksilberbogen- und Mikrowellenlampen sowie für additive, dotierte und Metallhalogenidlampen, die neben Quecksilber geringe Mengen Metall enthalten. Beispiele für Metalle, die in Additivlampen verwendet werden, sind Eisen, Gallium, Indium und Zinn. Die Zugabe von Metall verschiebt die spektrale Verteilung innerhalb des UV-Bandes und erleichtert bei einigen Formulierungen eine optimale Aushärtung.
Die Menge an elementarem Quecksilber in UV-Härtungslampen variiert je nach Design und Lampenlänge; Typischerweise liegt sie jedoch zwischen 10 und 100 mg pro Lampe. Die UN-Umweltbehörde gibt für weltweite Bestandsschätzungen einen Durchschnitt von 25 mg pro Lampe an. Zum Vergleich: Eine einzelne Zahnfüllung aus Quecksilberamalgam, auch Silberfüllung genannt, enthält durchschnittlich 800 mg Quecksilber. Dies bedeutet, dass sich im Mund einer Person häufig mehr Quecksilber befindet, als in allen UV-Lampen einer typischen Druckmaschine oder Verarbeitungslinie enthalten ist.
Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Quecksilber
Obwohl Quecksilber ein gefährliches Neurotoxin ist, ist es im Allgemeinen sicher vor direkter menschlicher Exposition und Umweltschäden, wenn es auf natürliche Weise in der Erde gebunden, dauerhaft entsorgt oder ordnungsgemäß in versiegelten Produkten und oberirdischen Lagerbehältern gesichert wird. Quecksilber wird potenziell schädlich für Menschen und Tiere, wenn es aus seinen Grenzen freigesetzt und im globalen Ökosystem oder in der Biosphäre verteilt wird. Quecksilber gelangt in Form von Gas- und Dampfemissionen in die Luft und durch direkte und indirekte Freisetzung ins Wasser in die Biosphäre. Sobald Quecksilber frei ist, wandert es leicht, ändert schnell seine Form und setzt möglicherweise alle Organismen aus, mit denen es in Kontakt kommt.
Quecksilberverordnung
Richtlinien, die innerhalb der Europäischen Union gemäß RoHS2 und innerhalb der Vereinigten Staaten gemäß dem Lautenberg Act3 sowie von Regulierungsbehörden wie der Europäischen Kommission (EC), der EPA4, dem UN-Umweltprogramm (UNEP)5 und dem internationalen Minamata-Übereinkommen über Quecksilber6 erlassen werden sollen den anthropogenen Quecksilberverbrauch reduzieren oder beseitigen. Anthropogen bezieht sich auf Quecksilber, das durch menschliche Aktivitäten direkt oder indirekt in die Luft oder ins Wasser gelangt. Obwohl eine vollständige Eliminierung von anthropogenem Quecksilber heute nicht möglich ist, wird erwartet, dass die Beschränkungen und die Durchsetzung im Laufe des kommenden Jahrzehnts zunehmen.
Es ist wichtig zu betonen, dass es derzeit im Vereinigten Königreich, in der EU, in den USA oder in irgendeinem anderen Land weltweit keine Richtlinien oder Gesetze gibt, die die Produktion, Verwendung, den Export, den Import oder den allgemeinen Versand von Quecksilber-UV-Härtungslampen ausdrücklich verbieten. Darüber hinaus werden in naher Zukunft keine neuen Beschränkungen speziell für UV-Härtungslampen mit Quecksilberdampf erwartet. Die Regulierung ist jedoch noch nicht abgeschlossen, und es ist wichtig, regelmäßig Regulierungstrends und Gesetzesänderungen zu überprüfen.
Europäische Union – RoHS
Die weltweit aktivste Quecksilbergesetzgebung für UV-Härtungssysteme ist die Richtlinie der Europäischen Kommission zur Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS). RoHS regelt die Verwendung gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (EEE) sowie den daraus resultierenden Abfallstrom von Elektro- und Elektronikgeräten (WEEE). RoHS gilt für alle Artikel, die zur Verwendung in der EU hergestellt werden, sowie für Artikel, die anderswo hergestellt und in die EU importiert werden. Derzeit gibt es zehn SVHCs, die RoHS einschränkt. Eines davon ist Quecksilber.
Es gab zwei Versionen der RoHS-Richtlinie sowie mehrere Änderungen. RoHS wurde erstmals im Jahr 2003 gesetzlich erlassen, wobei RoHS 2 2011 das Original ersetzte. Die unter RoHS fallenden Kategorien von Elektro- und Elektronikgeräten sind in Anhang I der Richtlinie aufgeführt. Mitteldruck-Quecksilberdampflampen sind in Anhang I als Beleuchtungsgeräte der Kategorie 5 eingestuft.39 Im Anhang III von RoHS 2 sind alle Anwendungen und Produkte aufgeführt, die von der Beschränkung ausgenommen sind.
In Anhang III wurden in der Vergangenheit für Quecksilber-UV-Härtungslampen erneuerbare fünfjährige Ausnahmen gewährt. Die 2016 verabschiedete Ausnahmeregelung sollte 2021 auslaufen, wurde jedoch bis Anfang 2027 verlängert. Im Laufe des Jahres 2026 oder Anfang 2027 wird die Europäische Kommission den Zustand des UV-Härtungsmarktes und die aktuelle Realisierbarkeit alternativer Technologien neu bewerten. Es wird entschieden, ob die umfassende Ausnahmeregelung für UV-Härtungslampen um weitere fünf Jahre verlängert, die Ausnahmeregelung für bestimmte Anwendungen mit bewährten Alternativen eingeschränkt oder die Ausnahmeregelung ganz abgeschafft werden soll.
Unabhängig vom Ausnahmestatus von Quecksilber enthält RoHS eine Ausnahmeregelung, die große stationäre Industriewerkzeuge (LSSITs) und große ortsfeste Installationen (LSFIs) ausschließt. Für die UV-Härtungsindustrie wird die Ausgliederung des Anwendungsbereichs weithin dahingehend interpretiert, dass sie neben anderen industriellen und kommerziellen Anlagen auch Druckmaschinen, industrielle Härtungskammern und -tunnel sowie Verarbeitungslinien umfasst. Daher wird davon ausgegangen, dass die Verwendung von Quecksilber-UV-Härtungssystemen in den meisten Produktionsanwendungen aufgrund des Geltungsbereichs im Allgemeinen auf unbestimmte Zeit von den RoHS-Beschränkungen ausgenommen ist, unabhängig von einem spezifischen Verbot von Quecksilber-UV-Härtungslampen oder Ausnahmen, die in Anhang III aufgeführt sind. Ersatzteile und Upgrades bestehender UV-Härtungsgeräte, die vor einem verhängten Verbot installiert wurden, sind ebenfalls auf unbestimmte Zeit erlaubt.
Vereinigte Staaten von Amerika – Umweltschutzbehörde
Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) erhielt von der Legislative der US-Regierung durch den Lautenberg Act von 2016 die volle Befugnis, giftige Substanzen und Chemikalien zu regulieren. Derzeit verbietet die EPA UV-Härtungslampen nicht. Der Schwerpunkt liegt derzeit auf der Ermittlung der Orte, an denen mit Quecksilber versetzte Produkte im Inland verwendet werden, sowie auf dem Gesamtbestand an Quecksilber in Produkten, die in den USA hergestellt und in die USA importiert werden. Durch laufende Auswertungen und Datenerfassung beabsichtigt die EPA, den Herstellern letztendlich Empfehlungen dazu zu geben praktikable quecksilberfreie Alternativen, um die Abkehr von Quecksilber zu erleichtern.
Minamata-Übereinkommen über Quecksilber
Ein weiteres politisches Entscheidungsgremium ist das Minamata-Übereinkommen über Quecksilber. Hierbei handelt es sich um einen internationalen Vertrag, der am 16. August 2017 in Kraft trat und von 139 Ländern ratifiziert wurde, darunter dem Vereinigten Königreich, Ländern der Europäischen Union und den Vereinigten Staaten. Das Ziel von Minamata besteht darin, jegliches Quecksilber aus hergestellten Waren und Prozessen zu eliminieren.
In den kommenden Jahrzehnten wird die Regulierungspolitik zunehmend von diesem Vertrag bestimmt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Einhaltung internationaler Verträge wie Minamata nur innerhalb der Territorialgrenzen von der jeweils regierenden Regierung umgesetzt und durchgesetzt werden kann. Daher kann die Quecksilbergesetzgebung von Land zu Land unterschiedlich sein und ist möglicherweise nicht immer klar. Während Minamata derzeit kein Verbot von Quecksilberdampf-UV-Härtungslampen vorschreibt, verlangt es doch von allen Vertragsparteien, diese auslaufen zu lassen oder Maßnahmen zur Reduzierung von Quecksilber zu ergreifen, wenn dies möglich ist. In der EU wird die Minamata-Konformität durch RoHS-Änderungen gesetzlich geregelt. In den USA wird die Einhaltung durch von der EPA veröffentlichte Regeln umgesetzt.
Das 4. Treffen der Vertragsstaatenkonferenz (COP) des Minamata-Übereinkommens über Quecksilber fand vom 21. bis 25. März 2022 in Indonesien statt. Während des Treffens wurden keine neuen Vorschriften oder Ausstiegsfristen für Quecksilberdampf-UV-Härtungslampen bekannt gegeben. Es wurde jedoch eine Änderung verabschiedet, um die Verwendung von Quecksilber-Zahnamalgam in Milchzähnen von Kindern unter 15 Jahren sowie bei schwangeren und stillenden Frauen bis Dezember 2023 zu beenden. Die Umsetzung und Durchsetzung dieser Änderung liegt in der individuellen Verantwortung jeder der 139 ratifizierenden Parteien . Das 5. COP-Treffen ist für den 30. Oktober – 3. November 2023 in der Schweiz geplant.
Entsorgung von Quecksilberlampen
Da Emissionen in die Luft und Freisetzungen ins Wasser aus mit Quecksilber versetzten Produkten hauptsächlich bei der Abfallentsorgung auftreten, sollten Quecksilberdampflampen niemals in der Sperrmüllsammlung entsorgt werden. Bei der Entsorgung im Restmüll gelangt Quecksilber in die Biosphäre, wenn Lampen zerkleinert und dann verbrannt oder vergraben werden. Glücklicherweise lässt sich die Quecksilberverschmutzung durch UV-Härtungslampen vermeiden, indem die Lampen in Anlagen recycelt werden, die dafür sorgen, dass die Lampenbestandteile getrennt werden und verbrauchtes Quecksilber sicher aufgefangen wird. Zurückgewonnenes Quecksilber aus recycelten Lampen wird langfristig sicher gelagert oder dauerhaft entsorgt oder nach etablierten Protokollen verarbeitet, die elementares Quecksilber sicher wieder in zulässige Produktionskanäle einführen.
UV-LED-Härtungssysteme
Eine vielversprechende quecksilberfreie Alternative zu Lichtbogen- und Mikrowellen-Härtungslampen sind UV-LED-Härtungssysteme. Beispiele für luft- und wassergekühlte UV-LED-Härtungslampenköpfe von GEW sind in Abbildung 2 dargestellt. Während herkömmliche Lampen UVC-, UVB-, UVA-, sichtbare und infrarote Wellenlängen emittieren, emittieren UV-LED-Härtungssysteme eine intensivere Leistung über einen sehr engen Bereich von UVA-Wellenlängen.
Die UV-LED-Technologie wurde Mitte der 2000er Jahre in der Härtungsindustrie eingeführt. Sowohl die LED-Härtungssysteme als auch die anwendbare Chemie haben sich seitdem weiterentwickelt. UV-Härtungsanwendungen, die derzeit LED-Systeme nutzen können, umfassen viele, aber nicht alle Aspekte des digitalen Tintenstrahl-, Sieb-, Rotationssieb-, Flexo-, Buch-, Tief-, Tampon-, Litho- und Trockenoffsetdrucks sowie des 3D-Drucks und der additiven Fertigung. Weitere für LED geeignete Anwendungen sind unter anderem Kaltfolienklebstoffe, Laminierklebstoffe, gegossene und aushärtende Beschichtungen sowie einige Lacke. Es ist zu beachten, dass es bis Mitte 2023 noch keine kommerziell genutzten LED-Formulierungen für Silikontrennbeschichtungen, Schmelzklebstoffe sowie industrielle Hartlacke, Decklacke und Klarlacke gibt.
Da das Vertrauen und die Erfahrung zunehmen und immer mehr Anwendungen für UV-LED realisierbar werden, werden mehr Benutzer und Märkte umsteigen. Die zunehmende Umstellung auf LED erfolgt unabhängig von regulatorischen Eingriffen aufgrund der überzeugenden Geschäftsszenarien und der zunehmenden Präferenz der Endbenutzer für die Technologie. Ein neuerer Treiber für die Einführung der UV-LED-Härtung ist die Fähigkeit der Technologie, steigende Energiekosten für Hersteller abzumildern, die Tinten, Beschichtungen, Klebstoffe und Extrusionen in Produktionsprozessen einsetzen.
Abschluss
Während es im Vereinigten Königreich, in der EU, in den USA oder in irgendeinem anderen Land weltweit keine Gesetze gibt, die die Produktion, Verwendung, den Export, den Import oder den allgemeinen Versand von Quecksilber-UV-Härtungslampen ausdrücklich verbieten, führt die drohende Regulierung zu einem Bewusstsein und einem Druck, Veränderungen voranzutreiben . Wenn Änderungen für die überwiegende Mehrheit der UV-Härtungsanwendungen technisch, wirtschaftlich und praktisch machbar sind, wird die Regulierungspolitik den Markt zur Rechenschaft ziehen und Gesetzesänderungen vorantreiben. Bis dahin werden Anwender der UV-Härtung dazu angehalten, sich über die LED-Technologie weiterzubilden, UV-LED-Systeme dort zu installieren, wo es sinnvoll ist, sich aktiv an der Prozessentwicklung zu beteiligen und alle Quecksilberdampflampen am Ende ihrer Nutzungsdauer zu recyceln.
1Pepitone, J. (2007, June 11). Compact Fluorescent Bulbs and Mercury: Reality Check. Popular Mechanics. www.popularmechanics.com/home/reviews/a1733/4217864/
2Restriction of Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment (RoHS). https://environment.ec.europa.eu/topics/waste-and-recycling/rohs-directive_en
3Frank R. Lautenberg Chemical Safety Act for the 21st Century Act, Public Law 114–182. (2016). Retrieved 2020 December 17, from www.congress.gov/114/plaws/publ182/PLAW-114publ182.pdf
4United States Environmental Protection Agency (U.S. EPA). www.epa.gov/assessing-and-managing-chemicals-under-tsca/frank-r-lautenberg-chemical-safety-21st-century-act
5UN Environment Programme (UNEP). www.unep.org/explore-topics/chemicals-waste/what-we-do/mercury
6Minamata Convention on Mercury. www.mercuryconvention.org
