第六章 UV固化油墨

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食品包装材料可能必须使用Irgacure 184。
卷筒纸胶印的典型UV固化油墨
名称 环氧丙烯酸酯树脂
调节树脂 稀释单体 光引发剂 胺活化剂
石蜡 颜料 炭墨 滑石粉
含 量/wt% 20 15
100---x 5-8 3-6 1-2
15-20 5 1-2
环氧丙烯酸酯构成齐聚物的主体,聚酯丙烯酸酯或脂肪改性的 环氧丙烯酸酯都可选作共用树脂。在吸收性的纸质基材上,选择 齐聚物时不必过分考虑附着性。
反射罩主要是将UV电磁波反射回来,以增加UV的光源效率。 另外维持灯管的工作温度。
反射罩表面常是铝制,反射率常高达90%。 反射罩形式:聚焦型,散焦型。后又出现延伸型。
能量控制装置:主要控制UV灯管的能量、维持硬化的效率及稳 定,配合不同印刷速度的需求。有电子式设计,也有微电脑控制。
UV灯管发出UV电磁波,也会发出IR(红外线波)使设备在高 温运作(如石英灯管的温度可达600-800度),会缩短设备的寿命 外,对印刷品易引起伸缩的情况,导致印刷时无法套准,可见冷却 装置的重要性。
第六章 UV固化油墨
6.1 油墨的组成和类型
UV墨 颜料(pigment) 预聚物(oligomer) 单体(monomer) 添加剂(additives)
传统墨 颜料(pigment)
树脂(resin) 溶剂(solvent) 添加剂(additives)
油墨的类型(按固化方式的不同)
固化 (干 燥)方 式
UV固化油墨通用配方
名称 丙烯酸酯树脂或混合树脂
丙烯酸酯稀释单体 颜料
光引发剂 光活化剂 润湿剂和表面活性剂
石蜡
含 量/wt% 40-60 10-20 15-23 3-8 2-5 1 2
UV固化印刷罩光漆通用配方
名称 丙烯酸酯树脂 丙烯酸酯稀释单体 三官能或多官能交联剂 复合光引发剂
光活化剂 表面活性剂和石蜡
塑料和金属用油墨常采用添加剂以促进附着力。
6.3 UV源的选择
有色体系应选择350~420nm内有较高发射率的光源。
末掺杂的高压汞灯在366~405nm范围内的输出很低;
在高压汞灯中掺入Ga,在380~450nm获得相对较高的发光率。 对有色体系UV固化,Fusion的“D”灯(光谱长移至250~450nm区。 主要固化有色涂料或油墨)对彩色体系固化效果可能较好,而“V”灯 (完全不发射UV,几乎在可见光谱的紫色、蓝色区)则对白色体系 特别有效。
2)紫外剂量:到达单位面积表面的辐射能量,单位是每平方厘 米焦耳或毫焦耳。在其它条件不变时,增加光照时间以增加紫外 剂量,但这对深层固化的影响很小。
(3)光谱分布:使光引发剂的吸收光谱同紫外光的发射光谱相匹 配,可有效地使用紫外光能量,且可降低光引发剂的用量,降低成 本。
(4)红外辐射:由紫外光源石英管发射的辐射红外能量。红外辐 射产生的热效应具有两重性。
2.连结料分子量较高 过交联固化的化学反应 部分。
,固化过程无化学 (聚合或氧化),形成 2.通过(UV)辐射发
反应。
不能再融的固化层
生聚合反应而固化。
油墨的类型(按版型的不同)
版型
举例
凸 版 铅印(书籍)油墨、轮转(新闻)油墨、铜版油墨、 柔性凸版油墨
平版 凹版
石印油墨、胶印油墨、亮光油墨、
雕刻凹版(钞票、邮票)油墨、轮转(腐蚀)凹版油 墨、塑料油墨
滤过版 丝网油墨、导电油墨、荧光油墨、塑料油墨
UV固化油墨的优点与不足 1. UV固化油墨印刷的一般优点: (1)印品干燥快,印刷结束,可立即搬运; (2)可在线加工作业; (3)可立即“运行和停车”,以满足严格的截止时间; (4)降低对作业区面积的要求; (5)印品稳定性良好;
(6)停车时油墨不会凝固; (7)无挥发性溶剂,改善工作条件,减少对环境的污染。
(5)虽然聚醚丙烯酸酯:可作齐聚物,常作为稀释单体出售。
(6)甲基丙烯酸和烯丙基官能化合物:活性比相应的丙烯酸酯低 若干数量级。故UV固化油墨一般不考虑此类齐聚物。
2. 饱和树脂的选用 含量很少的能与丙烯酸酯单体和齐聚物相溶的常规树脂,尤其 是某些聚酯树脂、环氧树脂和三嗪(triazine)树脂,其中聚酯较为 常用。若将它用于胶印油墨或罩光漆,能使产品对不易黏结的基 材产生良好的附着力。
(2)TX(硫杂蒽酮):
商品有2-氯代,2-乙基和2-异丙基取代的TX衍生物。最常用的 是ITX,即2-异丙基硫杂蒽酮。作为主引发剂,与之配合的活化剂 有EDAB(对二甲胺基苯甲酸乙酯)或ODAB(对二甲胺基苯甲酸 异辛酯)等胺类。ITX的引发效率比BP高4-6倍。
气味和挥发性很低、较贵、有黄色。故不易在浅色调场合使用。 易再结晶。
含 量/wt% 5-20 20-30 30-70 5-8 3-5 1-4
对UV固化油墨的各组分----树脂、活性稀释剂、活化剂、稳定 剂、颜料和添加剂的选择原则。
6.2.1 树脂的选择
1. 齐聚物的选择
(1)环氧丙烯酸酯树脂(EA):快速固化,价格较便宜。但仅含EA 的油墨印刷效果不理想。可选择EA与适当的聚酯混合,或者用脂 肪酸部分代替丙烯酸对环氧改性。
6.2.2 活性单体的选择
1.单体的刺激性问题 将简单多元醇烷氧基化使分子变大,再进行丙烯酸酯化,可大
大降低其刺激性。另外,经过不同程度乙氧基化后,再丙烯酸酯化 的双酚A衍生物。
2.对固化速率及固化制品性能影响
在降低黏度方面,某种单体可能使某种颜料和树脂混合物的黏 度大幅度降低,但在另一种混合物中却可能使其黏度增高。
6.4.2 UV固化丝网油墨的配方 稀释单体可选用双酚A环氧丙烯酸酯型单体。 一般的要求是:油墨的黏度较低,流动性良好而稠度不要显得
太低。 卷筒纸油墨的是混合引发剂(如5%二苯甲酮和2%硫杂蒽酮衍生
物)。滑石粉可能使雾化降至最低,使油墨的流动性和弹性减小。
UV固化丝网印刷油墨配方
名称
含 量/wt%
在固化速率方面,官能度增加使固化加快,但这常减少附着力 和耐用品磨损性。另外,多官能单体降低黏度的能力较差。
3. UV固化油墨的特殊要求问题
不同的基材或印刷版型,UV固化油墨配方可能大不相同。 (TPGDA或许是油墨厂能普遍接受的惟一初始稀释单体)。 在木器UV涂料常用的丙烯酸异辛酯,因其挥发性太大而不宜在印 刷机上使用。
(3)其它引发剂 苯乙酮衍生物: Irgacure 651 DMPA (2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮)
液态引发剂DEAP(2,2-二乙氧基乙酮) 苯偶姻醚光裂解生成自由基不需要胺类活化剂,而使用阻聚剂增 加有效期。
光引发剂用量决非越多越好;过多的用量增加成本,不利于固化 速率,还有损于固化油墨涂层的特性。
带有胺基结构的丙烯酸酯单体或齐聚物也具有光活化的功能,增 进油墨成品的耐用性,价格较贵。有效浓度15%-20%。
6.2.5 稳定剂的选择 稳定剂又称阻聚剂。大多数单体和齐聚物已加有稳定剂。 对苯二酚、甲氧基对甲苯酚、对苯醌、酚噻嗪、单叔丁基氢醌、
邻苯二酚、对叔丁基邻苯二酚、苯醌、2,5-二叔丁基氢醌、2,5-对 二甲基对苯醌、蒽醌和2,6-二叔丁基甲苯酚等。
对塑料等易变形的基材,使用UV固化油墨可降低废品率;对金 属基材则无需干燥。
UV固化油墨比常规产品贵(UV齐聚物、单体光引发剂的价格较 贵)。
6.2 UV固化油墨主要成份的选择
有色体系始终是对UV固化的一个挑战,主要是颜料与引发剂竞 争吸收UV。大多数有机颜料可吸收短至350nm的光线,这就影响了 引发剂对UV的吸收而固化。
颜料
10-30
丙烯酸酯树脂
35-60
稀释单体
15-50
光引发剂
3-7
添加剂
1-5
第七章 UV固化设备
一、系统简介: 灯管、反射罩、能量控制装置、温度控制装置(冷却装置)。
商业上的UV设备常包含以下主件:灯管、反射器、冷却风机、 动力、光罩、排气装置。
UV灯管最常用的是内部填充水银,有时会添加一些其它的金 属如镓。另外还有金属卤素灯管。UV灯管发出的电磁波长为200400nm。
6.2.6 颜料的选择
白色颜料是钛白粉(TiO2),它有效吸收光谱约在380nm,光谱窗 口是380~420nm。而黑色颜料则在整个可见光谱范围皆产生吸收。
颜料的选择是一个与引发剂和光源等选择有关的综合问题。
6.2.7 添加剂的选择
石蜡、聚乙烯蜡、聚四氟乙烯蜡和硅酮等,提供耐磨性和表面 润滑性,但会导致低光泽。则蜡会影响铺展性和附着力。
6.4 不同用途的UV固化油墨 6.4.1 纸基UV固化油墨的通用配方
蓝墨
蓝 色油墨 环氧丙烯酸酯树脂 调节固化的树脂,如聚酯丙烯酸酯
稀释单体,如DDA 二苯甲酮
2-氯硫杂蒽酮 活化剂,如 二烷氨基苯甲酸丁氧乙酯
酞菁蓝 炭墨 石蜡
稳定剂 总计
含 量/wt% 35 20
10 5 3 5
15 5 1.9 0.1 100.0
波长的重要性: 大多数UV固化包含了两种范围的波长同时工作。 短波长工作于表层,长波长工作于涂层和薄油墨层。 高吸收性的材料,比如粘合剂和丝网油墨,它们的配方更适合
于长波固化。用来固化这些材料的灯管,包含了添加剂以及汞, 发射出更多的长波同时也辐射一些短波,足以使表层固化。
许多极特殊的应用,比如大量含有氧化钛颜料的材料进行固化, 或需要穿过塑料、玻璃进行固化,就必须长波固化,因为这些材 料几乎完全阻碍了短波。
组 成
特 点
热固化(干燥)
非转化型
转化型
辐射(UV)固化
非转化型连结料 溶剂 颜料 其它
转化型连结料 溶剂 颜料 其它
齐聚物 单体 光引发剂 颜料 其它
1.溶剂仅起稀释作用,1. 溶剂仅起稀释作用, 1. 起稀释作用的活性
固化完毕,溶剂挥 固化完毕,溶剂挥发。 单体也参与固化反应,
发。
2.连结料分子量较低,通 成为固化材料的组成
二、光固化分析: UV固化材料预期性能的获得,不管是保护胶、油墨,还是粘
合剂,将依赖于UV灯管的参数、设计和控制的方法。
1、UV灯四个关键的参数是:
(1)紫外辐射(又称为光强度):指到达单位面积表面的辐 射率。单位是每平方厘米瓦特或毫瓦特。
在相同紫外剂量的固化下,高强度的紫外灯光源可增加固化 速度和固化深度。紫外光强度对有颜色的涂层固化的影响更加明显。
结合UV灯,解决温度与IR之间关系的技术有: 减少发射、传送和控制热量移动。 发射的减少,可使用小直径的灯泡来实现。 传递的减少可通过在灯管后面使用分色的反射器。或在灯管与 目标之间使用分色窗。 热量移动降低了目标的温度。IR引起温度升高后可使用冷气 流或散热装置来控制热量的移动。 IR能量的吸收还由材料本身决定-----油墨、涂层或基片。
(2) 聚酯丙烯酸酯:固化速率与EA相当或稍慢。常为提高油墨对 塑料或金属基材的附着力。黏度较高,常以适当的稀释单体预先 降低黏度后销售。
(3)聚氨酯丙烯酸酯(PUA):在UV固化油墨和罩光漆的使用量最 少,主要缺点是价格偏高,固化速率较慢。但能提供耐磨、耐化 学品性能,有良好的颜料润湿性。
(4)环氧化油丙烯酸酯:可提高颜料润湿性并改善平版印刷性能。 但固化速率相当慢,只能用作次要的添加剂。
选择引发剂吸收光谱与UV灯具的发射光谱匹配,使其吸收波峰 在选定颜料对UV吸收较弱的波长范围内。
6.2.4 活化剂的选择 三乙醇胺和N-甲基二乙醇胺,都是特别有效的活化剂。其原因
为羟基易供氢,进而增进引发反应。但往往是水溶性的,在印刷 油墨中应避免使用。
对二烷氨基苯甲酸酯是一类对有色体系非常有效的活化剂,常用 EDAB(对二甲氨基苯甲酸乙酯)和ODAB(对二甲氨基苯甲酸异辛 酯)。它们与BP或ITX配合,可大大提高固化速率,减少O2的阻聚 作用。其用量约2%-5%。
6.2.3 光引发剂的选择
主要因素是效率和价格。其次是气味、污染和颜色。
一般引发剂在350~400nm的吸收非常适合于固化有色体系。
(1)BP(二苯甲酮) 优点:最广泛,与合适的活化剂一起相当有效。价格便宜、助于 颜料润湿,可增进油墨的流平性。
缺点:有气味,不宜用于食品包装。可用取代的芳香酮,如邻 苯甲酰基苯甲酸酯。
黑墨
黑色油墨 环氧丙烯酸酯树脂
稀释单体 二苯甲酮 Irgacure 651 2-氯硫杂蒽酮
炭墨 酞菁蓝调பைடு நூலகம்剂
石蜡 光活化剂,如Quantacure EPD
总计
含 量/wt% 43 20 4 3 3 15 2 3 7
100.0
二苯甲酮和2-氯硫杂蒽酮组成的引发剂,适合对深蓝色油墨提 供恰当的固化速率。
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