油墨固化與干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　單張紙膠印機(jī)的較高速度已經(jīng)達(dá)到了20000張/小時(shí)，輪轉(zhuǎn)報(bào)紙印刷機(jī)的較高速度達(dá)10萬(wàn)份/小時(shí)，而較青睞這些高速機(jī)的客戶當(dāng)屬中國(guó)印刷業(yè)者，特別是煙包、報(bào)業(yè)印刷廠�？梢哉f(shuō)，提高印刷速度對(duì)于印刷機(jī)本身而言很有潛力，但油墨的干燥速度是發(fā)展的瓶頸。因此，近幾年對(duì)油墨的UV固化、熱干燥及速干油墨的研究很活躍。本文主要從油墨的干燥原理出發(fā)，討論目前油墨的UV固化及熱干燥光源、裝置設(shè)計(jì)的較新發(fā)展。

　　油墨干燥、固化原理

　　印刷油墨的干燥主要有氧化結(jié)膜干燥、滲透干燥、揮發(fā)干燥及輻射干燥。

　　1.氧化結(jié)膜干燥

　　油墨中含有干性油，該油分子結(jié)構(gòu)中的不飽和脂肪酸與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由小分子直鏈結(jié)構(gòu)聚合成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成固體物質(zhì)，這一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程稱為氧化結(jié)膜干燥。

　　2.滲透干燥

　　油墨連結(jié)料中含有較多的礦物油，如汽油、高沸點(diǎn)煤油等，當(dāng)油墨中的礦物油滲透到多孔隙紙張纖維中，顏料即固著在紙張表面形成固態(tài)膜層，稱為滲透干燥。

　　3.揮發(fā)干燥

　　油墨中含有大量揮發(fā)物質(zhì)，如脂肪烴類松香酯、芳香烴類溶劑、醇類、酮類、酯類溶劑等。油墨轉(zhuǎn)移到承印材料表面后，溶劑揮發(fā)，顏料固著，形成固態(tài)膜層，稱為揮發(fā)干燥。

　　4.輻射固化

　　輻射固化是化學(xué)單體交聯(lián)成高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成固體的化學(xué)反應(yīng)，且固化速度快，形成的膜層堅(jiān)硬、光亮，但附著力欠佳。目前常用的輻射固化方式有3種。

　　(1)紅外線輻射干燥。油墨中含有螯合劑，可采用波長(zhǎng)3～30μm的中波紅外光照射，加速聚合反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生的熱量促進(jìn)溶劑揮發(fā)，加速油墨干燥。短波、長(zhǎng)波紅外線不利于油墨的干燥。

　　(2)紫外線(UV)輻射固化。油墨中含有光引發(fā)劑，如二苯甲酮(吸收波長(zhǎng)240～340nm)、2-氯化硫雜蒽酮(吸收波長(zhǎng)200～400nm)等衍生物，光引發(fā)劑在波長(zhǎng)為250～420nm范圍內(nèi)的UV光照射下，不到0.1秒即可迅速打開不飽和雙鍵引發(fā)樹脂，如聚氨基甲酸乙酯、環(huán)氧丙烯酸酯等交聯(lián)固化為固體而干燥。UV固化油墨中基本不含溶劑。

　　(3)電子束(EB)輻射固化。熱離子陰較管發(fā)出高能量輻射電子束，通過(guò)調(diào)節(jié)陰較管發(fā)射器選擇輻射波長(zhǎng)，因而沒有可見光和紅外線伴隨輻射，完全是冷光源。電子束有效輻射強(qiáng)度很高，可直接引發(fā)樹脂聚合成固體，因此，EB油墨中可不采用光引發(fā)劑。將UV油墨中的光引發(fā)劑去除或少量添加就可作為電子束固化油墨。

　　通常，印刷油墨的干燥并不是單一的干燥方式，而是幾種干燥同時(shí)發(fā)生。如膠印油墨的干燥就是氧化結(jié)膜、滲透、揮發(fā)等幾種方式同時(shí)發(fā)生，以氧化結(jié)膜干燥為主；報(bào)紙印刷油墨以滲透干燥為主；凹印油墨以揮發(fā)干燥為主。

　　常用油墨干燥、固化設(shè)備

　　油墨干燥往往是復(fù)合干燥，因此用什么干燥設(shè)備，參數(shù)如何設(shè)置，使干燥效率較佳的同時(shí)還能節(jié)省能量是印刷者較為關(guān)心的問(wèn)題。

　　1.紅外線干燥設(shè)備

　　(1)光源。對(duì)于油墨干燥，中波紅外線的效果較佳，常用紅外線光源有3種。

　　靠前種是電熱絲輻射源，常見的是非封閉式電阻絲外套石英燈管。這種燈管的熱輻射強(qiáng)度隨光波長(zhǎng)的分布不能控制，效率低、價(jià)格低，壽命約2000～3000小時(shí)。

　　第二種光源是將電阻絲置于封閉石英管內(nèi)，并可在燈管內(nèi)充不同氣體，以改變輻射光波長(zhǎng)分布特性，同時(shí)將燈絲與空氣中的氧隔絕，輻射效率高�，F(xiàn)在進(jìn)口印刷機(jī)大都配這種光源，壽命達(dá)5000～10000小時(shí)，但其輻射能量中仍有很大部分是分布在可見光和遠(yuǎn)近紅外線段，中波紅外線不是很豐富。

　　第三種是電熱半導(dǎo)體發(fā)光燈管。外形是陶瓷管外涂紅色或灰色無(wú)光半導(dǎo)體材料，管內(nèi)壁繞電阻絲。依靠電熱引發(fā)半導(dǎo)體材料輻射發(fā)光，燈管點(diǎn)燃時(shí)光呈暗紅或黑色，通過(guò)選擇半導(dǎo)體材料可改變輻射能量的波長(zhǎng)分布，而且輻射效率較高。

　　(2)紅外線燈反光罩。目前常見的有2種，一種是鍍金反光罩，在燈管周圍180°范圍涂有金屬膜，金屬膜反射紅外線效率高達(dá)90%；另一種是鍍鋁板或鋁板壓成的橢圓或八字形反光罩，如圖2所示，燈管距燈罩越近，反射效率越高，較高反射率可達(dá)85%。

　　(3)紅外線燈的散熱問(wèn)題。紅外線燈管表面散熱可用吹風(fēng)法，且風(fēng)量大小不影響燈紅外線功率輸出。由于紅外線燈輻射的能量只有1%左右被紙張和油墨吸收，而其余的能量完全轉(zhuǎn)化成熱量，造成機(jī)器周圍升溫，需要用吸風(fēng)裝置將其排到室外或循環(huán)利用。

　　(4)適用范圍。紅外線燈應(yīng)用于紅外線油墨干燥，對(duì)非專項(xiàng)使用紅外線油墨的干燥效率很低，對(duì)某些墨甚至不起作用。紅外線具有穿透力，能同時(shí)干燥墨膜上下層，加速油墨滲透，促進(jìn)氧化結(jié)膜，尤其是應(yīng)用在厚墨層印刷和上光油的干燥上效果更佳。對(duì)溶劑含量較低的膠印、凸印、網(wǎng)印、印報(bào)油墨、柔性版印刷油墨和水性光油的干燥效果都很好。

　　2.熱風(fēng)干燥設(shè)備

　　(1)熱源。產(chǎn)生熱空氣的熱源有3種：電熱風(fēng)管，如不銹鋼、石英玻璃、陶瓷外殼的熱風(fēng)管；高溫油管，高溫機(jī)油通過(guò)管道加熱空氣產(chǎn)生熱風(fēng)；高溫汽管，通過(guò)鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽而產(chǎn)生熱風(fēng)。

　　(2)熱風(fēng)裝置。通過(guò)風(fēng)機(jī)將熱源周圍的空氣加熱，吹到油墨表面，調(diào)節(jié)熱風(fēng)方向與紙張運(yùn)行的角度可改善熱風(fēng)干燥的效率。

　　熱風(fēng)相對(duì)于紙張的速度越高，越有利于降低紙張表面的蒸汽壓，提高溶劑揮發(fā)速度；調(diào)節(jié)風(fēng)向使風(fēng)向?qū)垙堖\(yùn)行速度形成相加效果，更有利于干燥。熱風(fēng)管風(fēng)速不能低于要求的速度，否則，風(fēng)管表面散熱不佳會(huì)燒壞燈管。風(fēng)速也不宜過(guò)高，因?yàn)轱L(fēng)循環(huán)過(guò)程中會(huì)損失一些能量，適當(dāng)選擇風(fēng)機(jī)壓力和風(fēng)量才可達(dá)到較佳干燥效果。

　　(3)適用范圍。適用于塑料凹版及柔性版印刷油墨、溶劑型光油的干燥，還可加速水性油墨、光油的干燥。

　　3.UV固化設(shè)備

　　(1)光源。常用高壓汞燈和金屬鹵素?zé)�，高壓汞燈是汞原子受激發(fā)形成連續(xù)光譜，調(diào)節(jié)燈管內(nèi)的汞含量，使輻射波長(zhǎng)在固化段254～420nm，紫外線較豐富。金屬鹵素?zé)羰窃诠療魞?nèi)添加如鎵、鐵等金屬鹵化物，在汞激發(fā)條件下激發(fā)其產(chǎn)生輻射，可根據(jù)油墨吸收光譜的差別適量添加不同金屬，使UV燈輻射更多油墨所吸收的光波，金屬鹵素?zé)艄軆?nèi)雜質(zhì)含量較小，電較材料純度高，因此制造工藝復(fù)雜、難度高、價(jià)格高，目前國(guó)內(nèi)尚不能生產(chǎn)高質(zhì)量、高功率金屬鹵素?zé)簦袌?chǎng)上現(xiàn)有的是美國(guó)Fusion、德國(guó)IST、日本研琦等公司的產(chǎn)品。功率密度160W/cm的燈管壽命可達(dá)2000小時(shí)而燈頭不黑，4000小時(shí)后仍可達(dá)50%輻射率。

　　(2)冷UV光源。UV燈點(diǎn)燃時(shí)其內(nèi)部溫度要達(dá)到600～1000℃。燈內(nèi)溫度過(guò)低或風(fēng)速過(guò)大燈會(huì)熄滅，因此“冷光源”實(shí)際是不存在的，只是可采用燈具冷卻系統(tǒng)。

　　(3)微波UV燈。這是Fusion公司的新產(chǎn)品，燈管長(zhǎng)6英寸，兩端無(wú)金屬電較，靠微波激發(fā)燈管內(nèi)吸收微波的物質(zhì)分子高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量，再激發(fā)汞、金屬鹵化物等物質(zhì)發(fā)光。鋁是反射微波的良好材料，微波源發(fā)射微波到橢圓鋁燈罩上，聚焦在無(wú)較燈管內(nèi)激發(fā)汞或金屬鹵化物發(fā)光。

　　微波燈的特點(diǎn)有：

　�、倏烧{(diào)整輻射光強(qiáng)度隨波長(zhǎng)分布特性，選擇較佳輻射波長(zhǎng),使油墨達(dá)到理想的固化效果。

　�、谟捎跓艄軣o(wú)電較，功率密度為300W/cm時(shí)的壽命可達(dá)5000小時(shí)，并且多次開關(guān)不影響燈管壽命。

　　③由于微波源易控制，因此微波燈可快速頻繁啟動(dòng)，但微波也有待機(jī)狀態(tài)(維持工作狀態(tài))，只有在這種狀態(tài)下才能快啟動(dòng)。這一功能適合光盤和不干膠印刷機(jī)配套使用，因?yàn)榫W(wǎng)印光盤和不干膠印刷多為間歇式印刷。

　�、芪⒉鬠V固化段光譜豐富，紅外線波段較少，因此微波輻射溫度較低。

　　⑤由于微波燈無(wú)電較，換燈管很方便，且不用接線。

　�、抟�?yàn)闊o(wú)電較釋放，燈管兩端永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)黑。

　�、哂捎谖⒉▊鬏敺绞降木窒�，微波燈管較長(zhǎng)為6英寸，將燈管連接放置可增加固化寬度，由于燈管間隙很小，對(duì)接處不會(huì)影響固化效果。

　　⑧微波燈價(jià)格較高，一套6英寸的固化裝置約5萬(wàn)元金額。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要用于與光盤印刷、電纜、管材、軟包裝等噴碼機(jī)配套的UV油墨的固化。

　　⑨微波燈發(fā)光材料和普通UV燈相同，輻射波長(zhǎng)分布也相同，因此無(wú)須特殊油墨。

　　(4)UV燈反光罩設(shè)計(jì)�？茖W(xué)地選擇反光材料，合理設(shè)計(jì)反光罩結(jié)構(gòu)，能成倍提高固化效果，節(jié)省能量。純鋁經(jīng)酸氧化形成的鋁晶體對(duì)UV光反射率達(dá)90%，而未經(jīng)氧化處理的鋁板反射UV光效率小于60%；不銹鋼對(duì)UV光反射率小于60%；半導(dǎo)體鍍膜對(duì)UV光的反射率達(dá)94%，但成本較高。同時(shí)，紅外線、可見光可透過(guò)鍍層達(dá)到反光罩表面，并經(jīng)冷卻裝置后散出。

　　反光罩設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是開口和高度的變化，即截面積變小，以縮短反射光程，減少由于長(zhǎng)光程產(chǎn)生的光強(qiáng)度損失。另外，反射罩頂端加反射板改變了原來(lái)頂端開通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)，使燈管頂端的輻射能反射到紙面，如圖4所示。由于燈罩截面積小，燈管壁到反光面距離近，因而反射板溫度過(guò)高，頂端反射板阻風(fēng)會(huì)影響燈罩散熱。解決方法是用水冷燈罩或加大散熱風(fēng)量，合理設(shè)計(jì)散熱風(fēng)路。

　　先進(jìn)固化設(shè)備簡(jiǎn)介

　　1.微波UV固化設(shè)備

　　該設(shè)備的特點(diǎn)是，由于微波傳送通道的需要，燈具體積非常大，不宜安裝在單張紙膠印機(jī)收紙通道內(nèi)，一般與機(jī)組式柔性版印刷機(jī)、凹印機(jī)、表格及不干膠印刷機(jī)配套使用，光盤和噴墨印刷系統(tǒng)也適合配裝該設(shè)備，但由于價(jià)格高，目前印刷廠較少使用。

　　2.高功率密度UV固化設(shè)備

　　日本生產(chǎn)的有電較UV燈管的功率密度可達(dá)240～300 W/cm，可用于表格印刷機(jī)組中輪轉(zhuǎn)網(wǎng)印遮蓋UV銀漿的固化；美國(guó)麥安迪柔性版印刷機(jī)配備的UV燈功率密度已達(dá)400W/cm，固化速度150m/min；Fusion公司的微波燈功率密度達(dá)400W/cm。

　　高功率密度UV固化設(shè)備不但加快了固化速度，而且利于厚UV油墨層和粗糙紙張上UV油墨底層的完全固化。另外，提高UV燈功率密度可相應(yīng)降低UV油墨的感光性，減少光引發(fā)劑的含量，從而利于提高UV油墨穩(wěn)定性和敏感度，易于儲(chǔ)運(yùn)，同時(shí)還降低了價(jià)格。

　　3.水冷卻UV固化系統(tǒng)

　　由于印刷設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，印刷機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊、美觀，非常大的UV固化風(fēng)冷卻通道已無(wú)法滿足要求，因此這類印刷機(jī)普遍使用水冷卻UV固化設(shè)備。如進(jìn)口多色膠印機(jī)配置的UV干燥系統(tǒng)均為水冷卻式，衛(wèi)星式不干膠印刷機(jī)也都配置水冷卻UV系統(tǒng)。

　　筆者在印刷廠經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，在油墨干燥、固化工藝中存在很多不合理現(xiàn)象，造成電能浪費(fèi)非常大。例如，一些固化設(shè)備由于設(shè)計(jì)不科學(xué)，雖然價(jià)格便宜，但效率很低，一臺(tái)對(duì)開上光機(jī)速度不到3000張/小時(shí)，要用3支10kW的UV燈管，若合理設(shè)計(jì)，僅用1支12kW的燈管即可。又如，機(jī)組式印刷機(jī)前后機(jī)組固化系統(tǒng)的功率配備不合理，導(dǎo)致印刷速度上不去。且很多廠家只考慮設(shè)備成本，忽略了電費(fèi)的開支。針對(duì)以上問(wèn)題，建議印刷廠在選擇固化設(shè)備時(shí)要多方面考慮。