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紫外光固化油墨发展综述

时间:2003-08-28 作者:庾晋 子荫 来源:丝网印刷

  摘要 综述了紫外线固化油墨(UV油墨)的基本概念和成膜原理,UV油墨和传统油墨的组成比较,优势比较,介绍了影响UV油墨固化性能的因素及使用方法和注意事项,对UV油墨的市场作了预测。
  关键词 油墨;紫外线固化;网版印刷
  Abstract This paper specifies the basic concept and filming fundamentals of UV ink and makes a comparision between uv ink and traditional ink in components and advanta-ges.the factors affecting curing property,use instructions and causions are also spe-cified.Meanwhile a forecast for UV ink market is offered.
  Key works ink; Uv; screen printing
  一、基本概念和原理
  紫外光固化油墨(UV油墨)是利用紫外线(ultraviolet)光波感光作用使墨成膜和干燥。UV墨干燥和成膜的机理,是一种化学的变化。利用不同的紫外线光谱(ultraviolet spectrum),产生不同的能量而将不同的预聚物(oligomer)和不同的单体(monomer)聚合成聚合物(polymer)。所以UV墨的色膜具有良好的机械性和化学性。
  UV油墨的品种有UV磨砂、UV冰花、UV发泡、UV皱纹、UV凸字、UV折光、UV宝石、UV 光固色墨、UV上光油等特种包装油墨。在具有金属镜面光泽的承印物表面,采用网版印刷工艺手段将UV油墨印在上面,经紫外线干燥设备光照处理后,产生一种别具一格的视觉效果,显得高雅、庄重、华贵,主要应用于高档、精美别致的烟、酒、化妆品、保健品、食品、药品等的包装印刷。
  UV油墨对UV光是选择性吸收的,它的干燥受UV光源辐射光的总能量和不同波长光能量分布的影响、在UV光的照射下,UV油墨中的光聚合引发剂吸收一定波长的光子,激发到激发状态,形成自由基或离子。然后通过分子间能量的传递,使聚合性预聚物和感光性单体等高分子变成激发态,产生电荷转移络合体。这些络合体不断交联聚合,固化成膜。
  UV光源是UV固化系统中发射UV光的装置。通常由灯箱、灯管、反射镜、电源、控制器和冷却装置等部件构成。根据灯管中所充物质的不同,可分为金属卤素灯、高压汞灯和无臭灯等种类。它的性能参数主要有:弧光年度、特征光谱、功率、工作电压、工作电流和平均寿命等。
  UV光源虽然发射主要的UV光,但它并不是单一波长的光,而是一个波段内的光。不同的UV光源发射光的波段范围不一样,波段内光谱能量的分布也是不同的。UV光源辐射的是一个波段内的光,且各波长光的能量分布是不一样的。其中波长为300~ 310nm,360~390nm的光的能量分布是较好的。UV光源的波长范围很广,波长为于UV-A区域约360nm时效果最佳。
  二、UV油墨和传统油墨的组成比较
  UV墨的组成和传统墨有相似的地方。不同之处是UV墨的成膜是化学作用,从单体到聚合作,而传统墨的成膜是物理作用,树脂已经是聚合体,溶剂将固体的聚合物溶解成液状的聚合物,帮助适应印涂在承印物上,然后溶剂经挥发或被吸收,令液状的聚合物再回复成原来的固态状。下面是两种墨的组成对比:
  UV墨    传统墨
  颜料     颜料
  预聚物   树脂
  单体     溶剂
  添加剂  添加剂
  1.颜料
  很多类颜料皆适用作UV墨的着色料,不过采用时仍需留意选择。首先,很多颜料在黑暗中会促进载色剂自然聚合,这种自然聚合作用并非立即进行,而是要经过一段长时间才发生,因此会令UV墨的库存时间缩短。另外,不同的色泽吸收紫外光波的快慢有差异,这往往影响UV墨的聚合作用。换句话说,即印刷的干燥快慢受影响,因而降低色膜的机械性和化学性。再者,在UV墨的载色剂中所用的丙烯酸盐并不是一种良好的湿润剂,往往使颜料研磨较困难,影响将来色膜的光滑和均匀度。要能成功调配出一种良好的UV墨,油墨化学师不但要对颜料有经验,而且亦要具备一定的物理学和化学的知识。
  2.预聚物
  预聚物是一种高分子量和高粘度的单体,它好比传统墨中的树脂,是成膜的主要化学品,也决定着 UV墨的各种性能,如机械性、化学性、物理性等等。传统墨所用的树脂,是一种已经聚合了的化合物,可能是固态或液态;而这种预聚物则是一种未经聚合的液态化合物,需要受紫外光波的作用而聚合。常用的预聚物有三大类:环氧丙烯酸盐(epoxyacrylates),胺酯丙烯酸盐(urethaneacrylates),聚酯丙烯酸盐(polyesteracrylates)。
  a.环氧丙烯酸盐
  环氧树脂和丙烯酸作用产生环氧丙烯酸盐。用环氧丙烯酸盐制成的UV墨干燥极快,色膜光泽好且耐化学性强,同时,成本低廉,极受UV墨生产厂家欢迎。如果用以配制UV光油,涂布于纸张或纸板上,则纸张或纸板能具良好的抗化学和机械性能。
  环氧丙烯酸盐经紫外光波聚合成聚合物后,往往表现出丙烯酸树脂特有性能,同时亦表现出环氧树脂的抗化学性强结合力。它最大的特点是对颜料的湿润性差,粘度高,如单独被用作UV墨的成膜剂,往往会令色墨的流平和扩散较差。
  b.按酯丙烯酸盐
  当异氰酸盐(isocyanate)和丙烯酸中之羟基(hydroxyl)作用,产生胺酯丙烯酸盐。胺酯丙烯酸盐受紫外光波作用而聚合后,具有聚胺酯树脂的特性,色膜光亮度特高,柔韧性高,弹性强,粘合力好。胺酯丙烯酸盐所组成的UV墨,特别适合印刷各种塑料和金属薄片。
  c.聚醋丙烯酸盐
  当聚酯中的羟基和丙烯酸作用后,可得聚酯丙烯酸盐。聚酯丙烯酸盐的分子量低,所以粘度亦很低。它的价格很便宜,湿润性好,柔韧性高。常用作研磨颜料的载色剂。有时又可用作UV墨的稀释剂,调节环氧丙烯酸盐和胺酯丙烯酸盐的粘度。它对无孔性作用物和锑片、铝片及塑料片等的表面粘力很强,常被用作这类物品的印刷UV墨。
  它最大的缺点是抗化学性差,很多碱性化学品皆能侵蚀它。因为分子量低,故聚合时间较长,换句话说,即干燥比较慢。
  三、UV油墨和传统油墨的比较优势
  一般来说,UV干燥油墨较之传统溶剂型或环氧型油墨具有较大的耐磨性。最好的例子是电脑键盘上每个键上的符号,它们都是由UV油墨印刷的。有一个有名的大公司曾做过实验,用一机械“手指”重复地对UV油墨印刷的键盘和传统油墨印刷的键盘进行敲打,结果传统油墨印刷的键盘符号在大约100~200万次就磨损了,而UV油墨印刷的键盘符号在大约1300万次才出现磨损。UV油墨的耐磨性是传统油墨的耐磨性的1300%,不仅如此,它的干燥速度也较之传统油墨有极大的提高,从原来的7min降低到了15s,节省了96%的时间。
  UV油墨在干燥后还具有极高的抗溶剂性。这种抗溶剂性部分源于交联干燥油墨层的高交联密度(大分子重量)。较高程度的交联使得分子间在溶剂作用下也不能彼此分离和溶解。另外,UV油墨也可以与一些抗溶剂性的化学物质配合使用。
  出于比较的目的,我们看一下环氧型油墨换成UV油墨后的情况。首先,在使用之前不用再混合油墨。其次,当然是节约时间,因为环氧型油墨需要在一定的高温条件下长时间干燥,而UV油墨几乎是即时干燥。这同时也伴随着另一个优点,即减少了加热所带来的油墨层损伤。UV油墨还节省了很大的干燥空间。
  UV油墨和传统油墨的较多的特点和比较见表1。 
 

类别 UV油墨 传统油墨(环氧型)
平均劳动价值/单元 0.001美元 0.12美元
干燥时间/单元 2-4s 10 min-8h
平均耗电量(千瓦时/单元) 0.001 0.2
干燥场地 1-3平方英尺(1平方英尺=0.093平方米) 2-20平方英尺
油墨价格 50美元/磅(1磅=454g) 28美元/磅
溶剂含量 30% 60%
干燥系统资金 0.5-1万美元 0.3-1万美元
 
   四、UV油墨的使用方法
  1.室内温度的调整
  UV型油墨具有随气温的变化其粘度发生激剧变化的性质,这种粘度变化会对印刷适性及印刷膜厚产生很大的影响。一般,油墨温度降低的时候,粘度上升,膜厚变厚。油墨的粘度变得太高,丝网的透过性退化,会产生发泡和气孔多的印刷结果。所以,在印刷时应尽量让室温保持恒温。一般以18~25℃为宜。有些油墨在印刷现场的温度大的时候吸湿,会发生增粘和凝胶等问题。这时,可使用空调或除湿机。
   2.网版
  用通常的有色油墨时,使用300目以上、感光胶厚10μm以下的版。在这种条件下印刷出来油墨膜厚是10~12μm。印刷面积可达70~90 m2/kg。印刷无色情漆时,使用低目数的版也能印刷出厚膜效果,可根据用途选用网版。
  3.刮刀
  使用硬度为65~80的聚氨酯刮刀,边缘磨锋利。油墨中所含的单体会引起刮刀的膨润,务必进行研磨或进行刮刀反转等必要的处理。
  4.粘度调整
  充分搅拌后从油墨罐中取出即可直接印刷使用。根据用途,若需要降低油墨粘度,可添加10%以内的稀释剂。反之若有必要提高粘度的话,可拌入消光清漆(高粘度,增粘性)或添加JA-244、JAR-20等粉末消光剂,在充分搅拌后印刷使用。
  5.浓度调整
  调整浓度时,可添加透明清漆或无色浓度调整剂。
  6.光线的影响
  在印刷过程中或版的洗净过程中,要避免阳光直接照射网版上的油墨。荧光灯的光线,只要距离不是非常近,一般无问题。
  7.标准固化条件
  各系列油墨都有各自的标准固化条件,应参考油墨产品说明书。
  8.预备测试
  正式印刷的固化条件因印刷材料、印刷条件的不同而有所变化。不同厂家与机种的UV照射机也会造成固化性的差异。所以,必须按与印刷生产线相同的条件进行预备测试来决定固化条件。预备测试的程序如下:
   a.在印刷材料上印刷油墨后,在标准条件下通过UV照射机;
   b.对印刷面的余留痕迹、附着性、刮伤性、折曲性等进行试验;
   c.如果测试结果不合格,就需要调整照射机的各种条件,直到能获得满意结果为止。在测试过程中,推荐使用测定光量用的UV积累光量测计。
  9.印刷预热
  在不易附着的材料上印刷时,油墨印刷后在通过UV照射前要进行预热,用近红线、远红外线等进行 15~90s预热,附着性会有很大的提高。
   五、UV油墨印刷时的注意事项
   1.对UV油墨来说,一般黄色和红色紫外线比较容易透过,蓝色和黑色特别是黑色紫外线很难透过。所以如果为了提高印刷效果而过于增加印刷浓度,会造成硬化不良、油墨擦落、密着性不良,甚至造成反面粘滚筒。在UV印刷中特别要注意黑墨的印刷浓度。
  2.在各种基材中,也有少量对UV油墨的密着性、耐刮性、折曲适性不良的基材。特别是合成纸和塑料的基村,品种相当繁多,有的还分为基材表面处理过和未处理的。油墨对于各种基材的密着性能等也有相当的不同,所以必须选择对UV油墨适合的基材,或者选择适应于基材的油墨,这是非常重要的。UV油墨中,有纸用和塑胶用,在塑胶用UV油墨中还分为几种。在使用前一定要进行密着性和其它性能的测试。
  3.如果没有安装反射罩大约有80%的UV光线因漫射而没有作用到承印物上,因此UV灯必需装设灯罩反射并集中焦点于承印物的方向,反射罩的重要性是不容忽视的。反射罩必需情洁及保养,以能维持和新的一样的功能。一些纸张的粉屑或是喷粉的灰尘附着于反射罩上,会影响UV灯反射的功效,在不使用 UV灯时,应将UV灯罩关上以防止灰尘。
  4.不要和油性墨混合使用,若一定必须和其它品种油墨混合时,事前必须确认混合后油墨的流动性、密着性和印刷适性及凝固程度。UV的金银墨和UV的一般油墨混合后,会发生流动性恶化凝固、速度增快、光辉性变弱等现象。所以混合后的油墨不要长期保存。如果把油墨存放于高温处,会发生凝固、硬化等现象,应把UV油墨保存于25℃以下的阴暗处。特别是金银墨比一般的UV油墨容易发生凝固和光辉性变弱,所以不要长期贮藏。
  六、影响UV油墨固化性的因素
   1.材质的种类和颜色
  有些种类、颜色的材料具有特别能吸收紫外线的性质,这些材料的固化会变慢。此外,同种类的材质也会因等级的不同固化性而有所差异。
  2.颜料的性质
  特别能吸收紫外线的颜料,会使固化减慢,含有量越多此倾向越强。特别是调色时,各种原色油墨没有固化问题,但调色油墨会有固化不良的问题。尤其是用高浓度白与暗色(黑、蓝、其它)组成时,须充分注意。
  3.光固化引发剂
  添加光固化引发剂是提高固化性的有效方法。但过量添加光固化引发剂反而会阻碍固化,应注意添加量(添加量在4%以内)。
  4.印刷膜厚
  印刷膜越薄固化性越好。一般的有色油墨在10~12μm的膜厚范围内能获得充分的固化性能。膜厚超过15 μm以上,会发生因固化不良而引起附着欠佳的现象。清漆类油墨,即使超过100μm以上的极厚膜,其固化性也无问题。
  5.灯的强度和积算光量
  为判断硬化性的标准有灯的强度和积算。灯的强度(W/cm2)以灯的出力和灯房的形状决定。积算紫外线强度和照射的时间的数据是积算光量U/cm2)。硬化性的整体判断由积算光量决定,但关于印刷膜厚方向硬化的内部硬性,最重要的是紫外线。紫外线强度低时,增加照射时间提高积算光量比不能改良印刷膜底的内部硬化。这种情况,可降低灯的高度,或把灯出力转换高出力。
  6.照射时的温度
  UV照射时的周围温度对UV油墨的固化有很大的影响。温度越高,固化性越好。因此施行预热的话,油墨的固化性会增强,附着性更好。
  七、UV油墨发展的障碍
  目前妨碍UV技术广泛应用的主要因素有三个。
  一是UV油墨对人体有危害。不少印刷厂使用了某些国产和进口的UV油墨,特别是UV仿金属蚀刻油墨,发现有的印刷工人的皮肤有红肿、丘疹、沾上油墨处发生疼痒的现象。笔者在进行研究工作时,曾试用了国内某单位生产的仿金属蚀刻油墨,在该产品的包装上没有任何该油墨会损伤皮肤的说明,而笔者的食指上沾了油墨后没有及时清洗,引起食指严重脱皮,几乎见到肌肉,三个月才痊愈。因此,对紫外光固化油墨的安全性问题必须引起足够重视。
  使用UV固化油墨对人体产生的危害主要有两个方面:第一是辐射源对人体造成的危害;第二是油墨对人体造成的危害。紫外光与X射线、Y射线都是电磁波,只是波长不同,能量不同。人体长时间受到强烈的紫外光照射会产生皮炎、白内障、白血球减少等疾病,甚至会诱发皮肤癌。但紫外光的能量低、射透力弱,只要涂一层不透光材料即可把它屏蔽掉,为此对紫外光的防护要比X射线等简单得多。只要用铅皮等材料把紫外灯密封好,紫外光不泄漏即可。目前大多数具有紫外光源的自动印刷机械的屏蔽效果都很好,不会对人体造成危害。一些较为简陋的设备,由于屏蔽较差,操作者应穿上工作服,带上防护手套(妙手套即可)及防护眼镜(墨镜),使皮肤和眼睛不受到紫外光线的直接照射。另外,空气受到紫外光照射后,会产生大量的臭氧,对人体危害较大,必须把它们排到室外。
  二是对UV油墨化学领域所取得的巨大成就了解不够。由于UV油墨成本比溶剂基油墨稍高,因此一些印刷厂家认为,改用UV油墨会增加他们的总开销。然而,国际网印及制像协会公布的一项研究报告表明,使用UV油墨可以提高生产力和工作效率,降低油墨废品率,由此可大大节省较高的油墨费用,结果证明,购买新的固化设备是合算的。
  三是UV油墨具有层会性能不佳、容易产生折痕等不足之处。
   八、UV油墨市场预测
  紫外线固化油墨和涂料的使用开始于70年代,目前在印刷业占有很大的市场份额,包括在平版印刷,苯胶印刷,凸版印刷等领域的应用。预测,到2005年,UV固化油墨的市场将由2001年的11亿美元上涨到15亿美元。在美国,使用UV油墨和涂料的印刷工业产值每年大约有1.5~2亿美元,油墨与涂料的用量大致相等。当然,增长的幅度要看分支市场的发展情况,每年增长的幅度范围在4%~20%之间,多数公司的增长幅度可达7%~12%,有些领域,如喷墨打印、网版印刷及柔印等领域,由于目前的市场占有率较低,因此增长幅度也比较大,可以达到20%。
  就目前而言,卷筒胶印占的市场份额最大,它可以应用UV固化油墨到直邮、商务表格、折叠纸箱和信用卡的生产中。窄幅柔印已经大量应用UV油墨和涂料。在包装印刷中,无论是胶印还是柔印领域,对 UV油墨和涂料的应用是呈增长趋势的。
  能量固化产品正在进入市场的每个角落,具有极大的经济意义。电子束EB固化占市场的份额大约有 3000万到5000万美元,几乎占整个能量固化市场的13%。与UV固化干燥系统相比,EB设备比较贵且占地面积比较大,所以增长的速度相对要慢一些,虽然设备的价格已有了一定的下降,但其使用的化学原料仍然比较贵。
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