新闻动态   News
联系我们   Contact
搜索   Search
你的位置:首页 > 新闻动态 > 行业新闻

UV油墨固化与干燥技术的发展趋势

2014-11-6 21:26:09      点击:

  在德鲁巴展会上,单张纸胶印机的最高速度已经达到了20000张/小时,轮转报纸印刷机的最高速度达10万份/小时,而最青睐这些高速机的客户当属中国印刷业者,特别是烟包、报业印刷厂。可以说,提高印刷速度对于印刷机本身而言很有潜力,但油墨的干燥速度是发展的瓶颈。因此,近几年对油墨的UV固化、热干燥及速干油墨的研究很活跃。本文主要从油墨的干燥原理出发,讨论目前油墨的UV固化及热干燥光源、装置设计的最新发展。

  油墨干燥、固化原理

  印刷油墨的干燥主要有氧化结膜干燥、渗透干燥、挥发干燥及辐射干燥。

  1.氧化结膜干燥

  油墨中含有干性油,该油分子结构中的不饱和脂肪酸与空气中的氧发生化学反应,由小分子直链结构聚合成大分子网状结构,形成固体物质,这一化学反应过程称为氧化结膜干燥。

  2.渗透干燥

  油墨连结料中含有较多的矿物油,如汽油、高沸点煤油等,当油墨中的矿物油渗透到多孔隙纸张纤维中,颜料即固着在纸张表面形成固态膜层,称为渗透干燥。

  3.挥发干燥

  油墨中含有大量挥发物质,如脂肪烃类松香酯、芳香烃类溶剂、醇类、酮类、酯类溶剂等。油墨转移到承印材料表面后,溶剂挥发,颜料固着,形成固态膜层,称为挥发干燥。

  4.辐射固化

  辐射固化是化学单体交联成高分子网状结构形成固体的化学反应,且固化速度快,形成的膜层坚硬、光亮,但附着力欠佳。目前常用的辐射固化方式有3种。

  (1)红外线辐射干燥。油墨中含有螯合剂,可采用波长3~30μm的中波红外光照射,加速聚合反应,同时产生的热量促进溶剂挥发,加速油墨干燥。短波、长波红外线不利于油墨的干燥。

  (2)紫外线(UV)辐射固化。油墨中含有光引发剂,如二苯甲酮(吸收波长240~340nm)、2-氯化硫杂蒽酮(吸收波长 200~400nm)等衍生物,光引发剂在波长为250~420nm范围内的UV光照射下,不到0.1秒即可迅速打开不饱和双键引发树脂,如聚氨基甲酸乙酯、环氧丙烯酸酯等交联固化为固体而干燥。UV固化油墨中基本不含溶剂。

  (3)电子束(EB)辐射固化。热离子阴极管发出高能量辐射电子束,通过调节阴极管发射器选择辐射波长,因而没有可见光和红外线伴随辐射,完全是冷光源。电子束有效辐射强度很高,可直接引发树脂聚合成固体,因此,EB油墨中可不采用光引发剂。将 UV油墨中的光引发剂去除或少量添加就可作为电子束固化油墨。

  通常,印刷油墨的干燥并不是单一的干燥方式,而是几种干燥同时发生。如胶印油墨的干燥就是氧化结膜、渗透、挥发等几种方式同时发生,以氧化结膜干燥为主;报纸印刷油墨以渗透干燥为主;凹印油墨以挥发干燥为主。

  常用油墨干燥、固化设备

  油墨干燥往往是复合干燥,因此用什么干燥设备,参数如何设置,使干燥效率最佳的同时还能节省能量是印刷者最为关心的问题。

  1.红外线干燥设备

  (1)光源。对于油墨干燥,中波红外线的效果最佳,常用红外线光源有3种。

  第一种是电热丝辐射源,常见的是非封闭式电阻丝外套石英灯管。这种灯管的热辐射强度随光波长的分布不能控制,效率低、价格低,寿命约2000~3000小时。

  第二种光源是将电阻丝置于封闭石英管内,并可在灯管内充不同气体,以改变辐射光波长分布特性,同时将灯丝与空气中的氧隔绝,辐射效率高。现在进口印刷机大都配这种光源,寿命达5000~10000小时,但其辐射能量中仍有很大部分是分布在可见光和远近红外线段,中波红外线不是很丰富。

  第三种是电热半导体发光灯管。外形是陶瓷管外涂红色或灰色无光半导体材料,管内壁绕电阻丝。依靠电热引发半导体材料辐射发光,灯管点燃时光呈暗红或黑色,通过选择半导体材料可改变辐射能量的波长分布,而且辐射效率极高。

  (2)红外线灯反光罩。目前常见的有2种,一种是镀金反光罩,在灯管周围180°范围涂有金属膜,金属膜反射红外线效率高达90%;另一种是镀铝板或铝板压成的椭圆或八字形反光罩,如图2所示,灯管距灯罩越近,反射效率越高,最高反射率可达85%。

  (3)红外线灯的散热问题。红外线灯管表面散热可用吹风法,且风量大小不影响灯红外线功率输出。由于红外线灯辐射的能量只有1%左右被纸张和油墨吸收,而其余的能量完全转化成热量,造成机器周围升温,需要用吸风装置将其排到室外或循环利用。

  (4)适用范围。红外线灯应用于红外线油墨干燥,对非专用红外线油墨的干燥效率很低,对某些墨甚至不起作用。红外线具有穿透力,能同时干燥墨膜上下层,加速油墨渗透,促进氧化结膜,尤其是应用在厚墨层印刷和上光油的干燥上效果更佳。对溶剂含量较低的胶印、凸印、网印、印报油墨、柔性版印刷油墨和水性光油的干燥效果都很好。

  2.热风干燥设备

  (1)热源。产生热空气的热源有3种:电热风管,如不锈钢、石英玻璃、陶瓷外壳的热风管;高温油管,高温机油通过管道加热空气产生热风;高温汽管,通过锅炉产生高温蒸汽而产生热风。

  (2)热风装置。通过风机将热源周围的空气加热,吹到油墨表面,调节热风方向与纸张运行的角度可改善热风干燥的效率。

  热风相对于纸张的速度越高,越有利于降低纸张表面的蒸汽压,提高溶剂挥发速度;调节风向使风向对纸张运行速度形成相加效果,更有利于干燥。热风管风速不能低于要求的速度,否则,风管表面散热不佳会烧坏灯管。风速也不宜过高,因为风循环过程中会损失一些能量,适当选择风机压力和风量才可达到最佳干燥效果。

  (3)适用范围。适用于塑料凹版及柔性版印刷油墨、溶剂型光油的干燥,还可加速水性油墨、光油的干燥。

  3.UV固化设备

  (1)光源。常用高压汞灯和金属卤素灯,高压汞灯是汞原子受激发形成连续光谱,调节灯管内的汞含量,使辐射波长在固化段254~420nm,紫外线较丰富。金属卤素灯是在汞灯内添加如镓、铁等金属卤化物,在汞激发条件下激发其产生辐射,可根据油墨吸收光谱的差别适量添加不同金属,使UV灯辐射更多油墨所吸收的光波,提高固化效率。

  金属卤素灯管内杂质含量极小,电极材料纯度高,因此制造工艺复杂、难度高、价格高,目前国内尚不能生产高质量、高功率金属卤素灯,市场上现有的是美国Fusion、德国IST、日本研琦等公司的产品。功率密度160W/cm的灯管寿命可达2000小时而灯头不黑,4000小时后仍可达50%辐射率。

  (2)冷UV光源。UV灯点燃时其内部温度要达到600~1000℃。灯内温度过低或风速过大灯会熄灭,因此“冷光源”实际是不存在的,只是可采用灯具冷却系统。

  (3)微波UV灯。这是Fusion公司的新产品,灯管长6英寸,两端无金属电极,靠微波激发灯管内吸收微波的物质分子高速运动产生热量,再激发汞、金属卤化物等物质发光。铝是反射微波的良好材料,微波源发射微波到椭圆铝灯罩上,聚焦在无极灯管内激发汞或金属卤化物发光。

  微波灯的特点有:

  ①可调整辐射光强度随波长分布特性,选择最佳辐射波长,使油墨达到理想的固化效果。
  ②由于灯管无电极,功率密度为300W/cm时的寿命可达5000小时,并且多次开关不影响灯管寿命。
  ③由于微波源易控制,因此微波灯可快速频繁启动,但微波也有待机状态(维持工作状态),只有在这种状态下才能快启动。这一功能适合光盘和不干胶印刷机配套使用,因为网印光盘和不干胶印刷多为间歇式印刷。
  ④微波灯UV固化段光谱丰富,红外线波段较少,因此微波辐射温度较低。
  ⑤由于微波灯无电极,换灯管很方便,且不用接线。
  ⑥因为无电极释放,灯管两端永远不会发黑。
  ⑦由于微波传输方式的局限,微波灯管最长为6英寸,将灯管连接放置可增加固化宽度,由于灯管间隙很小,对接处不会影响固化效果。
  ⑧微波灯价格较高,一套6英寸的固化装置约5万元人民币。目前国内市场主要用于与光盘印刷、电缆、管材、软包装等喷码机配套的UV油墨的固化。
  ⑨微波灯发光材料和普通UV灯相同,辐射波长分布也相同,因此无须特殊油墨。

  (4)UV灯反光罩设计。科学地选择反光材料,合理设计反光罩结构,能成倍提高固化效果,节省能量。纯铝经酸氧化形成的铝晶体对UV光反射率达 90%,而未经氧化处理的铝板反射UV光效率小于60%;不锈钢对UV光反射率小于60%;半导体镀膜对UV光的反射率达94%,但成本较高。同时,红外线、可见光可透过镀层达到反光罩表面,并经冷却装置后散出。

  反光罩设计的发展趋势是开口和高度的变化,即截面积变小,以缩短反射光程,减少由于长光程产生的光强度损失。另外,反射罩顶端加反射板改变了原来顶端开通风孔的设计,使灯管顶端的辐射能反射到纸面,如图4所示。由于灯罩截面积小,灯管壁到反光面距离近,因而反射板温度过高,顶端反射板阻风会影响灯罩散热。解决方法是用水冷灯罩或加大散热风量,合理设计散热风路。

  先进固化设备简介

  1.微波UV固化设备

  该设备的特点是,由于微波传送通道的需要,灯具体积较大,不宜安装在单张纸胶印机收纸通道内,一般与机组式柔性版印刷机、凹印机、表格及不干胶印刷机配套使用,光盘和喷墨印刷系统也适合配装该设备,但由于价格高,目前印刷厂极少使用。

  2.高功率密度UV固化设备

  日本生产的有电极UV灯管的功率密度可达240~300 W/cm,可用于表格印刷机组中轮转网印遮盖UV银浆的固化;美国麦安迪柔性版印刷机配备的UV灯功率密度已达400W/cm,固化速度150m/min;Fusion公司的微波灯功率密度达400W/cm。

  高功率密度UV固化设备不但加快了固化速度,而且利于厚UV油墨层和粗糙纸张上UV油墨底层的完全固化。另外,提高UV灯功率密度可相应降低UV油墨的感光性,减少光引发剂的含量,从而利于提高UV油墨稳定性和敏感度,易于储运,同时还降低了价格。

  3.水冷却UV固化系统

  由于印刷设备结构设计理念的发展,印刷机结构更加紧凑、美观,较大的UV固化风冷却通道已无法满足要求,因此这类印刷机普遍使用水冷却UV固化设备。如进口多色胶印机配置的UV干燥系统均为水冷却式,卫星式不干胶印刷机也都配置水冷却UV系统。

  合丰机械的技术人员在印刷厂经常发现,在油墨干燥、固化工艺中存在很多不合理现象,造成电能浪费较大。例如,一些固化设备由于设计不科学,虽然价格便宜,但效率很低,一台对开上光机速度不到3000张/小时,要用3支10kW的UV灯管,若合理设计,仅用1支12kW的灯管即可。又如,机组式印刷机前后机组固化系统的功率配备不合理,导致印刷速度上不去。且很多厂家只考虑设备成本,忽略了电费的开支。针对以上问题,建议印刷厂在选择固化设备时要多方面考虑。