UV油墨的組成及UV光源

目前，在xx事業(yè)本部的生產(chǎn)車間內(nèi)，UV油墨使用已占有很大比例。為了讓UV油墨的效用能更加充分得到利用，下面將針對UV油墨的基本組成和UV光源做詳細(xì)介紹。

UV油墨的主要成分是聚合性預(yù)聚物、感光性單體、光引發(fā)劑，輔助成分是著色顏料、填料、添加劑(流平劑、消泡劑、阻聚劑)等。

1．聚合性預(yù)聚物聚合性預(yù)聚物是決定UV光油涂層性能的重要成分，是UV油墨中最基本成分。它是成膜物質(zhì)，其性能對固化過程和固化后墨膜的性質(zhì)起著重要作用。一般根據(jù)骨架結(jié)構(gòu)來分類。骨架結(jié)構(gòu)影響涂層硬度、耐摩擦性、附著性、耐光性、耐化學(xué)品性和耐水性等。預(yù)聚物，從結(jié)構(gòu)上看，齊聚物都為含有“C＝C”不飽和雙鍵的低分子樹脂，如含有丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基、烯丙基等。主要有環(huán)氧丙烯酸酯樹脂、聚氨酯丙烯酸酯樹脂、聚酯丙烯酸酯樹脂、聚醚丙烯酸酯樹脂、聚丙烯酸丙酯、不飽和聚酯樹脂等幾種樹脂類型。而在同樣的條件下，光固化速度丙烯?；羁欤数R聚物大都為丙烯酸樹脂。

2．感光性單體(活性稀釋劑)

UV油墨和UV光油在涂布時需要有適應(yīng)涂布機(jī)的黏度，一般是通過添加20％～80%的單體來降低預(yù)聚物的黏度，同時單體自身發(fā)生聚合，成為固化膜的一部分。

活性稀釋劑也叫交聯(lián)單體，是一種功能性單體，它在油墨中的作用是調(diào)節(jié)油墨的粘度、固化速度和固化膜性能?；钚韵♂寗┙Y(jié)構(gòu)上也是合有“C＝C”不飽和雙鍵，可以是丙烯?；⒓谆；?、乙烯基和烯丙基，鑒于丙烯酰基光固化速度更快，因此目前使用的活性稀釋劑大多是丙烯酸酯類單體。由于含有丙烯?；臄?shù)量不同，可分為單官能團(tuán)、雙官能團(tuán)和多官能團(tuán)三類，官能團(tuán)活性稀釋劑，稀釋效果和固化速度都不同。一般情況下，官能度愈多，固化速度愈快，但稀釋效果愈差。

傳統(tǒng)的活性稀釋劑，如苯乙烯、第一代丙烯酸酯單體等，它們的毒性根強(qiáng)，有些丙烯酸酯類單體對皮膚有強(qiáng)烈的刺激作用。為了減少活性稀釋劑對皮膚的刺激性，通常有兩種方法：一是采用環(huán)氧乙烷，環(huán)氧丙烷和己酯開環(huán)聚合增加單體分子量；二是改變單體酯基結(jié)構(gòu)；還有一種就是改變以前使用醇酯化方法，在采用醇加成到丙烯酰基上，使多官能度單體皮膚刺激性大大降低，如新戊二醇二丙烯酸酯采用酯化合成時，PH值（皮膚刺激性指數(shù)）為4.96，而采用加成法合成時，PH值降為0.3。

最近，開發(fā)出了一些性能很好的單體，如：烷氧基丙烯酸酯、碳酸單丙烯酸酯、咪唑基單丙烯酸酯、環(huán)碳酸酯單丙烯酸酯、環(huán)氧硅酮單體、硅酮類丙烯酸酯、以及乙烯基醚類單體等。其中有些已經(jīng)商品化，如：美國Sartomer公司、比利時UCB公司、德國Henkel公司的烷氧基化丙烯酸酯，美國ISP公司的許多乙烯基醚類單體。選擇單體時，要遵循以下原則：

a.黏度低，稀釋效果好；

b.固化快；

c.在材料上有良好的附著性；

d.對皮膚刺激性小，毒性??；

e.在涂層中不留氣味。3．光引發(fā)劑光引發(fā)劑是能吸收輻射能，經(jīng)過化學(xué)變化產(chǎn)生具有引發(fā)聚合能力的活性中間體的物質(zhì)，它是任何UV固化體系都需要的主要成分。光引發(fā)劑可分為奪氫型和裂解型：奪氫型是需要和一含活潑氫的化合物（一般稱助引發(fā)劑）相配合，通過奪氫反應(yīng)，形成自由基，是雙分子光引發(fā)劑；裂解型是光引發(fā)劑受光激發(fā)后，分子內(nèi)分解為自由基，是單分子光引發(fā)劑。

（1）奪氫型

以二苯甲酮（BP）為例：單獨使用二苯甲酮時，不能使烯類單體進(jìn)行光聚合，要它成為光引發(fā)劑需求是不同的。它們的反應(yīng)機(jī)理是不同的烷基或芳基，從醇或醚中提取氫原子時，氧氣很容易淬滅激發(fā)態(tài)的二苯甲酮。而從胺提取氫原子時，由于酮形成激發(fā)態(tài)后馬上與胺形成激發(fā)態(tài)的絡(luò)合物，避免了向氧分子的能量轉(zhuǎn)移，所以胺體系不易為氧氣淬滅，與醇醚體系相比，也減少了向單體發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的可能性。因此，在實際應(yīng)用中，一般采用胺體系。除二苯甲酮外，這類光引發(fā)劑還有蒽醌類和硫雜蒽酮類，如常用于UV油墨中的有2-異丙基硫雜蔥酮（ITX）。

（2）裂解型

以安息香醚類為例：安息香醚曾是實際應(yīng)用最廣的一種光引發(fā)劑，它的特點是其激發(fā)態(tài)可直接分解成二種自由基。生成的游離基都可以引發(fā)單體聚合。安息香醚的激發(fā)態(tài)壽命短，不易為氧氣淬滅，也不能為苯乙烯所淬滅，所以可用于苯乙烯的聚合。但安息香醚即使不見光也有不同程度的熱分解，貯存穩(wěn)定性不好，一般要加穩(wěn)定劑或阻聚劑，目前常用的是安息二甲香醚（651）。此類光引發(fā)劑常用于UV油墨中的還有1173、184、369、907等等。最近還開發(fā)了一些新的光引發(fā)劑，如Ciba公司開發(fā)的?；籽趸?19和BAPO，它們在400urn還有很好吸收，光引發(fā)效率高；生成的自由基吸收向短波移動，具有“光漂白”作用；有利干深層光同化；最終產(chǎn)物是無色的，故不泛黃，非常適用于墨膜較厚的絲印UV油墨。由于?；籽趸镱惞庖l(fā)劑價格較貴，常將它與其它光引發(fā)劑混合使用，常用的有Ciba公司的1700（75%1173＋25%BAPO）和1800（75%184＋25%BAPO）等。

選擇光引發(fā)劑應(yīng)遵循以下原則：

a.對UV范圍的光量吸收效率高；

b.相對穩(wěn)定性好；

d.與預(yù)聚物、單體相溶性好；

e.氣味??；

f.成本低。

４．其它助劑

助劑主要是用來改善油墨的性能，UV油墨中常用的助劑有穩(wěn)定劑、流平劑、消泡劑、分散劑、蠟等。

（1）穩(wěn)定劑

穩(wěn)定劑是用來減少存放時發(fā)生熱聚合，提高油墨儲存穩(wěn)定性。常用對苯二酚、對甲氧基苯酚、對苯醌、2，6-二叔丁基甲苯酚等。

（2）流平劑

流平劑是用來改善油墨層的流平性，防止縮孔的產(chǎn)生，使墨膜表面平整，同時也增加了油墨印刷的光澤度。

（3）消泡劑

消泡劑是用來防止和消除油墨在制造和使用過程中產(chǎn)生的氣泡。

（4）分散劑

分散劑能使油墨中的顏料與連結(jié)料很好地潤濕，使顏料在油墨中有很好的分散性，縮短油墨制造時的研磨時間；降低顏料的吸油量，以制造高濃度的油墨；防止油墨中顏料顆粒的凝聚和沉淀。分散劑一般是表面活性劑。

（5）蠟

蠟主要作用是改變油墨的流變性、改善抗水性和印刷性能（如調(diào)節(jié)粘性），減少蹭臟、拔紙毛等弊病，并可在干燥后的墨膜表面形成一光滑的蠟?zāi)ざ岣哂∷⑵返哪湍Σ列缘取Ｔ赨V油墨中，蠟還起阻隔空氣，減少氧阻聚作用，有利于表面固化。但在油墨中加入過量的蠟或選錯蠟的品種，會降低油墨的光澤，破壞油墨轉(zhuǎn)移性能，延長干燥時間。

影響固化的UV燈性能，可以完全準(zhǔn)確地用四個特性聯(lián)系起來：UV光譜分布，輻射度，輻射量和紅外輻射。

1．光譜分布

它描述作為燈管發(fā)射波長功能之一的相輻射能量或到達(dá)表層的輻射能量的波長分布。它常用一個相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語來表達(dá)。為了顯示UV能量的分布，可以把光譜能量合并為10nm的頻譜帶以形成一個分布表。這樣便允許不同UV燈之間的對比以及更易于光譜能量和功率的計算。紫外線的波長—對紫外線固化有效的波長是200-400(nm)

一般在線檢測使用多譜帶射線探測儀來使光譜輻射度或輻射量特性化。他們通過對在相對狹窄（20~60nm）的頻帶中的輻射能量的采樣以獲得對光譜分布有用的相對信息。由于不同廠商的射線探測儀的構(gòu)造不同，對它們做相互比較是有可能的，但很困難。現(xiàn)在還沒有這樣的標(biāo)準(zhǔn)以使型號、廠家之間進(jìn)行比較。

紫外線燈管—金屬鹵素?zé)艉退y燈的光譜分布數(shù)據(jù)：

高壓水銀燈是以365nm為主波長，254nm、303nm、313nm附近的范圍，有效的發(fā)出紫外線波長，主要是被應(yīng)用在UV光油、油墨的固化；金屬鹵素?zé)糁饕窃?00-245nm的范圍發(fā)出紫外線波長，和高壓水銀燈相比，長波長紫外線較多的放出，主要是被應(yīng)用在UV油墨的固化。

2．UV輻射度（Irradiance）：

輻射度是到達(dá)表面單位面積內(nèi)的輻射功率。輻射度，以每平方厘米瓦特或豪瓦來表示。它隨燈管的輸出功率、效率、反射系統(tǒng)的聚焦以及到表面的距離不同而不同。（它是燈管及幾何形狀的特性，故與速度無關(guān)。）直接置于UV燈下的高強(qiáng)度、峰值聚焦功率參考為“峰值輻射度”。輻射度包括了所有有關(guān)電源功率，效率，輻射輸出，反射率，聚焦燈泡尺寸及幾何形狀的因素。

由于UV可固化材料的吸收特性，到達(dá)表層以下的光能量要比表層的要少。在這些區(qū)域的固化條件可能有顯著不同。光學(xué)厚度厚的材料（或者高吸收性，或者物理結(jié)構(gòu)厚，或者兩者有之）可能會減少光效率，從而導(dǎo)致材料深層的固化不充分。在油墨或涂層里，表面較高的輻射度會提供相對覺高的光能量。固化的深度更多地是被輻射度影響而不是較長的曝光時間（輻射量）。輻射度的影響對于高吸收性（高不透明度）的薄膜更重要。

高輻射度允許使用較少的光觸發(fā)劑。光子密度的增加增多了光子—光觸發(fā)劑的碰撞，從而補(bǔ)償了光觸發(fā)劑濃度的減少。這對于較厚的涂層會有效，因為表層的光觸發(fā)劑吸收和阻礙了同一波長到達(dá)深層的光觸發(fā)劑分子。

3．UV輻射量

到達(dá)表面單位面積的輻射能量。輻射量表示到達(dá)表面的光子總量（而輻射度則是到達(dá)的速率）。在任一給定光源下，輻射量與速度成反比而與曝光的數(shù)量成正比。輻射量是輻射度的時間累積，以每平方厘米Joules或轉(zhuǎn)miliJoules表示，（遺憾的是，沒有有關(guān)輻射度或光譜內(nèi)容換為以輻射量測量的信息，它僅僅是被曝光表面能量的累積。）它的意義在于它是一臺包括了速度參數(shù)和曝光時間參數(shù)的特性顯現(xiàn)。

4．紅外輻射密度：

紅外輻射主要是由UV源的石英泡發(fā)射出來的紅外能量。紅外能量和UV能量一起被收集并聚焦在工作表層。這決定于IR的反射率和反射器的效率。IR能量可以被轉(zhuǎn)換為輻射量或輻射度單位。但通常，它所產(chǎn)生的表面溫度才是被注意的重要之處。它所產(chǎn)生的熱量可能有害也可能有益。

結(jié)合UV燈解決溫度與IR之間關(guān)系的技術(shù)有許多?？梢苑譃闇p少發(fā)射，傳送和控制熱量移動。發(fā)射的減少通過使用小直徑的燈泡來實現(xiàn)，因為正是hot quartz的表面區(qū)域發(fā)射幾乎所有的IR。傳遞的減少可通過在燈管后面使用分色的反射器（cold mirror）來實現(xiàn)；或在燈管與目標(biāo)之間使用分色窗（hot mirror）。熱量移動降低了目標(biāo)的溫度—但僅僅是在IR已引起了溫度升高之后—可使用冷氣流或散熱裝置來控制熱量的移動。IR能量的吸收由材料本身決定—油墨、涂層或基片。速度對由入射的IR能量及工作表面吸收的能量引起的溫度有重大影響。過程越快，被吸收的IR能量越少，引起溫度升高?？赏ㄟ^改進(jìn)效率來加快生產(chǎn)的過程。