UV固化油墨综述

2010-11-16闵耀霞编译

网印工业 2010年7期

关键词：低聚物印刷机丙烯酸

闵耀霞编译

UV固化油墨综述

闵耀霞编译

前言：作者文斯·卡希尔先生简短回顾了UV固化油墨的历史，详细阐述了两类UV固化油墨——自由基和阳离子油墨的现状以及新的技术进步。此外，还将目光转向了低能量的UV固化系统，即LED（发光二极管） UV固化系统。

自首次将UV固化油墨在许多宽幅喷墨印刷机上使用以来，已经历了无数次重要的发展。如今的UV固化油墨表现出比以往任何时候都要更好的黏着性、安全性和多功能性，这三种优势不断地推动其技术的进步——这当中既包括油墨本身，也包括固化灯系统。

我们探讨以下两类UV固化油墨——自由基和阳离子UV油墨，并关注低能量UV固化系统的持续发展。

● 历史回顾

20世纪70年代，人们见证了UV固化在各种印刷（包括胶印、柔印、凹印、移印和丝网印刷）和涂布上的重大发展。1971年，位于美国马里兰州盖瑟斯堡市的辐深紫外线系统公司（Fusion UV Systems）在印刷啤酒罐的生产线上安装了首台微波激励UV固化系统。此后，一些具有创新精神的化学家、物理学家和工程师开始为行业提供溶剂型油墨系统的替代物，以适应政府对与溶剂相关的挥发性有机化合物（VOCS）的严格管控，以及客户对快速干燥和改善非吸收性基材粘结性的强烈需求。印刷所使用的UV固化油墨和涂料也表现出了很高的光泽度水平。UV固化技术的版图从印刷拓展到涂布上光，并将掩膜版和感光胶沉积也纳入进来。标记和打码行业率先推动了UV固化油墨在喷墨印刷领域的应用。

早期的UV固化油墨含有大量能够使人过敏的成分。其配方中所使用的化学物质包括二丙二醇二丙烯酸酯(DPGDA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)，这引起了人们对皮肤过敏反应的关注。

图3 罗兰的VersaUV LEC-330 UV固化喷墨印切一体机使用了低热量LED固化灯。这台幅宽为30英寸的设备具有印刷黄、品、青、黑、白以及光油等模式，可提供一系列通用的印刷和整饰选项。

此外，长期接触未固化或未彻底固化的油墨还会存在患接触性皮炎的危险。对UV固化油墨系统的研究工作已围绕着开发具有较低或无皮肤刺激性的高活性单体以及更高效的光引发剂而展开，旨在加速并确保彻底固化和聚合。然而，当前UV固化油墨的化学成分与皮肤或眼睛接触，或者它的雾状物被吸入人体时，仍然存在刺激皮肤的危害。

此外，化工企业通过开发大量具有更佳硬度、粘着性、灵活性特征，同时适合工业和商业应用的丙烯酸低聚物，以改善了UV固化油墨的有效性。

● 自由基UV固化油墨

自由基与阳离子这两类UV固化油墨的工作原理都不外乎是紫外辐射发生聚合反应。自由基UV固化油墨主要由单体和丙烯酸树脂低聚物以及光引发剂组成，该系统在当今的宽幅印刷机上获得了最广泛的使用。

图4 来自Screen USA 公司的Truepress Jet UVF LED UV固化平台喷墨印刷机使用了常规的自由基UV固化油墨，它配备了LED固化灯系统。

图5 这块印花玻璃样品出自Sun LLC公司的LED UV固化宽幅喷墨印刷机之手。

当紫外光激发光敏性的光引发剂时，便引发了自由基反应——光引发剂分解出自由基，自由基附着于油墨中的单体和低聚物上，并使它们键合在一起。同时，各组分变成聚合物，油墨也从液态变成固态。

单体是指一个原子或一个非常简单的分子结构，可与其他单体化合而生成聚合物。低聚物是指一种由有限数量单体所组成的分子，低聚物可以是由2～6个单体组成的分子链，并且也能与其他单体化合成为聚合物。聚合物则是指一种大得多的分子，由许多共价键聚合的单体和低聚物组成。

UV固化喷墨油墨通常使用简单的低分子量单体来形成喷墨打印头所需的极低黏度的流体。自由基活动的前提是必须要有连续的UV辐射，以便激发液态单体和低聚物的交联从而生成大且复杂的固态聚合物。注意：只要油墨受光照射，由UV光源所触发的反应就会持续下去。在自由基UV固化油墨系列内，有两个子类——光分解型和夺氢型。它们各自使用了不同类型的光引发剂。

光分解型自由基UV固化油墨使用酮作为光引发剂，受UV辐射激发的光引发剂发生均裂，最终形成了两个自由基碎片。

夺氢型自由基UV固化油墨使用了苯甲酮和噻吨酮光引发剂，在激发态下这些光引发剂与供氢体分子发生反应，经历氢转移从而形成一个惰性羰游基和一个引发性的共体自由基。

当受紫外光照射时，氧气的存在可抑制油墨组分的交联。氧原子会自动附着于活性光引发剂自由基上，从而减少了连接单体和低聚物形成高聚物的可能性。

有些早期的高生产率UV印刷采用惰性氮封方式来确保聚合反应。后来油墨制造商开发了自由基改良配方，可限制氧气对聚合反应的抑制作用。

然而，即使采用惰性氮封方法，使用标准UV光源如水银弧光灯也不可能使自由基UV油墨和涂料实现100%聚合，原因在于油墨的流动性及其反应部位随着固化的增加而减少。不过，许多自由基油墨系统都允许存在树脂和光引发剂的交联程度低于80%的情况。

自由基UV固化油墨已因其可实现的各种功能以及大量的丙烯酸树脂而在非食品接触领域得到了广泛应用。不过丙烯酸单体极易挥发，散发出难闻的气味，而且还有毒。丙烯酸低聚物尽管不易挥发，但浓稠且粘性大。由于喷墨打印头要求所使用的流体具有非常低的黏度特性，因此要使用高比例的丙烯酸单体。

图6 Gerber公司的Solara ion系列混合平台印刷机是当前唯一可在美国市场上购买到且使用了阳离子UV固化油墨的UV固化印刷机。

图7 INX Digital已开发出可与LED固化系统相兼容的UV固化油墨。Milano UV固化系列1NXD喷墨印刷机使用了Xaar 1001打印头。

● 阳离子UV固化油墨

第二种UV固化油墨之所以被称为阳离子UV固化油墨，是因为当油墨被UV光源照射时，会激发阳离子反应。油墨的主要区别在于所使用的树脂类型（环氧树脂而非丙烯酸树脂）以及一旦被紫外辐射触发交联发生的方式。

与自由基UV固化油墨和涂料不同，阳离子UV固化油墨在UV光源被移除后仍将继续交联单体和低聚物直至墨膜彻底完成聚合。你可以把它想象成多米诺骨牌——使第一张骨牌倒下，剩余的骨牌将一个个地倒下，基本上确保了每一份活件上的油墨都可以充分固化。

阳离子UV固化油墨具有胜过自由基UV固化油墨的优势，不过也存在一些劣势。

就正面意义来说，由于固化总是彻底的，因而油墨在极其宽泛的基材上具有非常良好的粘结性，其中包括金属箔和塑料薄膜；此外还表现出不错的复合层压效果。与大多数自由基UV固化油墨相比，阳离子UV固化油墨对皮肤、眼睛的刺激更小，气味和毒性更低；激发反应所需的能量更少。

就负面意义来看，虽然氧气不会阻止阳离子UV固化油墨的聚合反应，但大量湿气或高湿度却具有抑制作用。水可与阳离子发生反应从而阻止聚合，不过，控制印刷车间的湿度相当容易，成本也极低。阳离子聚合花费的时间略多于自由基聚合，对高速生产线来说速度还可能不够快。最后一点，生产一种直至喷射后才开始固化的阳离子UV油墨系统不无挑战性。

太阳化学和其他公司已将阳离子UV固化油墨推广到了柔印和其他印刷技术领域。柯尼卡美能达是首家在市场上通过其SP-L2130单色标签印刷机、SP-M32HR联机高分辨率精微字符和条码印刷机而销售阳离子喷墨油墨系统的企业。

在宽幅商业印刷部门，有几家印刷机制造商（Durst和Zünd）对阳离子油墨系统进行了试验。不过，迄今为止只有Gerber Scientific凭借其Solara ion系列组合喷墨印刷机成功地将宽幅阳离子喷墨印刷机推销到了美国市场。正如早先所提到的那样，阳离子反应比自由基油墨系统需要更少的激发能量。

Gerber公司的Solara ion印刷机采用了它专有的“冷固化”方法，这是一种可产生极少热量的低能量系统。不过，其他低能量替代方案也受到常规自由基UV固化系统的青睐。

● 低能量固化系统

用于UV固化喷墨印刷机的大多数固化灯组件将高强度水银弧光灯作为UV光源，这类灯极其高效，具有可使油墨中众多光引发剂产生反应的多个辐射峰值点。但是，高强度水银弧光灯也因其产生的热量而带来了若干问题：灯的更换成本高昂、使用寿命衰减等。

通常，高强度水银弧光灯灯泡具有从UV-C一直到UV-A的辐射峰值范围，波长在245～405nm之间。问题是这类灯发射出如此多的热量，以致在一些热敏基材上无法安全使用，基材会受损或卷曲，有时甚至与打印头相撞。

图8 阳离子聚合机理科学图解。（来自《阳离子UV固化喷墨油墨的发展——配方对固化性能的影响》，作者Atsushi Tomotake等人任职于柯尼卡美能达科技公司研发部第一研发小组。）

水银弧光灯灯泡通常可持续工作约1000小时后才需要更换。灯泡仅工作几百小时后光强度便开始衰减，因此必须进行监控以确保发射出所期望的能量大小；另外，这一过程也产生了臭氧，也要注意开窗通风；并且在开始固化之前常常需要一段预热时间。

上述问题引发行业寻求低能量的替代方案。今天，LED（发光二极管）灯正在开始取代水银灯泡而成为UV光源。LED灯对印刷表面产生了更少的热量，每单位有效UV辐射耗费了更少的能量，不产生臭氧，持续工作时间比水银弧光灯灯泡长10倍而无重大光效率衰减。不过，任何特定的LED都只能一次发射一个辐射峰值。LED紫外固化系统的发展仍然突飞猛进，若干系统提高了能量水平，以确保一些自由基油墨可以单过程固化。这些发展要求在印刷设备制造商、UV固化灯生产企业以及油墨配方设计师之间开展有意义的合作。

众多印刷设备制造商已为使用LED固化灯的宽幅市场开发了喷墨系统，御牧（Mimaki）、罗兰（Roland）、Sun LLC和INX Digital位列其中。UV固化设备制造商，包括Integration Technology、Phoseon、UV Process Supply Inc.、Panasonic、Air Motion Systems、Summit UV和Hoenle在内，已为常规和喷墨印刷机以及涂布上光系统开发了LED紫外固化灯系统。油墨制造商，包括3M、东洋（Toyo）、INX International Ink、Bordeaux和UVEXS在内，已设计出可与LED固化灯相兼容的自由基UV喷墨油墨。不过，将所有部件组合在一起实非易事，由于LED固化系统围绕一个峰值波长产生紫外光，因此油墨配方设计师必须找到并使用可在与LED固化系统所产生的相同波长紫外光下激发效果最好的光引发剂。相反，LED灯制造商则关注调整它们的固化系统，以获得可匹配那些能够激发已知和容易利用的光引发剂的紫外光波长。以下紫外光波长将适用于某些光引发剂：波长在365nm、375nm、385nm和395nm的UV-A，以及405～415nm的可见光。

油墨制造商INXInternational声称，波长为365nm的UV光固化深色的效果优于385nm的UV光，而后者固化浅色的效果则反胜于前者。设备制造商可能最终会装配多种可调至不同波长的LED，从而与油墨实现最佳匹配。