油墨固化与干燥技术的发展趋势

　　在去年的德鲁巴展会上，单张纸胶印机的最高速度已经达到了20000张/小时，轮转报纸印刷机的最高速度达10万份/小时，而最青睐这些高速机的客户当属中国印刷业者，特别是烟包、报业印刷厂。可以说，提高印刷速度对于印刷机本身而言很有潜力，但油墨的干燥速度是发展的瓶颈。因此，近几年对油墨的UV固化、热干燥及速干油墨的研究很活跃。本文主要从油墨的干燥原理出发，讨论目前油墨的UV固化及热干燥光源、装置设计的最新发展。

　　油墨干燥、固化原理

　　印刷油墨的干燥主要有氧化结膜干燥、渗透干燥、挥发干燥及辐射干燥。

　　1.氧化结膜干燥

　　油墨中含有干性油，该油分子结构中的不饱和脂肪酸与空气中的氧发生化学反应，由小分子直链结构聚合成大分子网状结构，形成固体物质，这一化学反应过程称为氧化结膜干燥。

　　2.渗透干燥

　　油墨连结料中含有较多的矿物油，如汽油、高沸点煤油等，当油墨中的矿物油渗透到多孔隙纸张纤维中，颜料即固着在纸张表面形成固态膜层，称为渗透干燥。

　　3.挥发干燥

　　油墨中含有大量挥发物质，如脂肪烃类松香酯、芳香烃类溶剂、醇类、酮类、酯类溶剂等。油墨转移到承印材料表面后，溶剂挥发，颜料固着，形成固态膜层，称为挥发干燥。

　　4.辐射固化

　　辐射固化是化学单体交联成高分子网状结构形成固体的化学反应，且固化速度快，形成的膜层坚硬、光亮，但附着力欠佳。目前常用的辐射固化方式有3种。

　　(1)红外线辐射干燥。油墨中含有螯合剂，可采用波长3～30μm的中波红外光照射，加速聚合反应，同时产生的热量促进溶剂挥发，加速油墨干燥。短波、长波红外线不利于油墨的干燥。

　　(2)紫外线（UV）辐射固化。油墨中含有光引发剂，如二苯甲酮（吸收波长240～340nm）、2-氯化硫杂蒽酮（吸收波长 200～400nm）等衍生物，光引发剂在波长为250～420nm范围内的UV光照射下，不到0.1秒即可迅速打开不饱和双键引发树脂，如聚氨基甲酸乙酯、环氧丙烯酸酯等交联固化为固体而干燥。UV固化油墨中基本不含溶剂。

　　(3)电子束（EB）辐射固化。热离子阴极管发出高能量辐射电子束，通过调节阴极管发射器选择辐射波长，因而没有可见光和红外线伴随辐射，完全是冷光源。电子束有效辐射强度很高，可直接引发树脂聚合成固体，因此，EB油墨中可不采用光引发剂。将 UV油墨中的光引发剂去除或少量添加就可作为电子束固化油墨。

　　通常，印刷油墨的干燥并不是单一的干燥方式，而是几种干燥同时发生。如胶印油墨的干燥就是氧化结膜、渗透、挥发等几种方式同时发生，以氧化结膜干燥为主；报纸印刷油墨以渗透干燥为主；凹印油墨以挥发干燥为主。

　　常用油墨干燥、固化设备

　　油墨干燥往往是复合干燥，因此用什么干燥设备，参数如何设置，使干燥效率最佳的同时还能节省能量是印刷者最为关心的问题。

　　1.红外线干燥设备

　　(1)光源。对于油墨干燥，中波红外线的效果最佳，常用红外线光源有3种。

　　第一种是电热丝辐射源，常见的是非封闭式电阻丝外套石英灯管。这种灯管的热辐射强度随光波长的分布不能控制，效率低、价格低，寿命约2000～3000小时。

　　第二种光源是将电阻丝置于封闭石英管内，并可在灯管内充不同气体，以改变辐射光波长分布特性，同时将灯丝与空气中的氧隔绝，辐射效率高。现在进口印刷机大都配这种光源，寿命达5000～10000小时，但其辐射能量中仍有很大部分是分布在可见光和远近红外线段，中波红外线不是很丰富。

　　第三种是电热半导体发光灯管。外形是陶瓷管外涂红色或灰色无光半导体材料，管内壁绕电阻丝。依靠电热引发半导体材料辐射发光，灯管点燃时光呈暗红或黑色，通过选择半导体材料可改变辐射能量的波长分布，而且辐射效率极高。

　　(2)红外线灯反光罩。目前常见的有2种，一种是镀金反光罩，在灯管周围180°范围涂有金属膜，金属膜反射红外线效率高达90%；另一种是镀铝板或铝板压成的椭圆或八字形反光罩，如图2所示，灯管距灯罩越近，反射效率越高，最高反射率可达85%。

　　(3)红外线灯的散热问题。红外线灯管表面散热可用吹风法，且风量大小不影响灯红外线功率输出。由于红外线灯辐射的能量只有1%左右被纸张和油墨吸收，而其余的能量完全转化成热量，造成机器周围升温，需要用吸风装置将其排到室外或循环利用。

　　(4)适用范围。红外线灯应用于红外线油墨干燥，对非专用红外线油墨的干燥效率很低，对某些墨甚至不起作用。红外线具有穿透力，能同时干燥墨膜上下层，加速油墨渗透，促进氧化结膜，尤其是应用在厚墨层印刷和上光油的干燥上效果更佳。对溶剂含量较低的胶印、凸印、网印、印报油墨、柔性版印刷油墨和水性光油的干燥效果都很好。

　　2.热风干燥设备

　　(1)热源。产生热空气的热源有3种：电热风管，如不锈钢、石英玻璃、陶瓷外壳的热风管；高温油管，高温机油通过管道加热空气产生热风；高温汽管，通过锅炉产生高温蒸汽而产生热风。

　　(2)热风装置。通过风机将热源周围的空气加热，吹到油墨表面，调节热风方向与纸张运行的角度可改善热风干燥的效率。

　　热风相对于纸张的速度越高，越有利于降低纸张表面的蒸汽压，提高溶剂挥发速度；调节风向使风向对纸张运行速度形成相加效果，更有利于干燥。热风管风速不能低于要求的速度，否则，风管表面散热不佳会烧坏灯管。风速也不宜过高，因为风循环过程中会损失一些能量，适当选择风机压力和风量才可达到最佳干燥效果。

　　(3)适用范围。适用于塑料凹版及柔性版印刷油墨、溶剂型光油的干燥，还可加速水性油墨、光油的干燥。

　　3.UV固化设备

　　(1)光源。常用高压汞灯和金属卤素灯，高压汞灯是汞原子受激发形成连续光谱，调节灯管内的汞含量，使辐射波长在固化段254～420nm，紫外线较丰富。金属卤素灯是在汞灯内添加如镓、铁等金属卤化物，在汞激发条件下激发其产生辐射，可根据油墨吸收光谱的差别适量添加不同金属，使UV灯辐射更多油墨所吸收的光波，提高固化效率。

　　金属卤素灯管内杂质含量极小，电极材料纯度高，因此制造工艺复杂、难度高、价格高，目前国内尚不能生产高质量、高功率金属卤素灯，市场上现有的是美国Fusion、德国IST、日本研琦等公司的产品。功率密度160W/cm的灯管寿命可达2000小时而灯头不黑，4000小时后仍可达50%辐射率。

　　(2)冷UV光源。UV灯点燃时其内部温度要达到600～1000℃。灯内温度过低或风速过大灯会熄灭，因此“冷光源”实际是不存在的，只是可采用灯具冷却系统。

　　(3)微波UV灯。这是Fusion公司的新产品，灯管长6英寸，两端无金属电极，靠微波激发灯管内吸收微波的物质分子高速运动产生热量，再激发汞、金属卤化物等物质发光。铝是反射微波的良好材料，微波源发射微波到椭圆铝灯罩上，聚焦在无极灯管内激发汞或金属卤化物发光。

　　微波灯的特点有：

　　①可调整辐射光强度随波长分布特性，选择最佳辐射波长,使油墨达到理想的固化效果。
　　②由于灯管无电极，功率密度为300W/cm时的寿命可达5000小时，并且多次开关不影响灯管寿命。
　　③由于微波源易控制，因此微波灯可快速频繁启动，但微波也有待机状态（维持工作状态），只有在这种状态下才能快启动。这一功能适合光盘和不干胶印刷机配套使用，因为网印光盘和不干胶印刷多为间歇式印刷。
　　④微波灯UV固化段光谱丰富，红外线波段较少，因此微波辐射温度较低。
　　⑤由于微波灯无电极，换灯管很方便，且不用接线。
　　⑥因为无电极释放，灯管两端永远不会发黑。
　　⑦由于微波传输方式的局限，微波灯管最长为6英寸，将灯管连接放置可增加固化宽度，由于灯管间隙很小，对接处不会影响固化效果。
　　⑧微波灯价格较高，一套6英寸的固化装置约5万元人民币。目前国内市场主要用于与光盘印刷、电缆、管材、软包装等喷码机配套的UV油墨的固化。
　　⑨微波灯发光材料和普通UV灯相同，辐射波长分布也相同，因此无须特殊油墨。

　　(4)UV灯反光罩设计。科学地选择反光材料，合理设计反光罩结构，能成倍提高固化效果，节省能量。纯铝经酸氧化形成的铝晶体对UV光反射率达 90%，而未经氧化处理的铝板反射UV光效率小于60%；不锈钢对UV光反射率小于60%；半导体镀膜对UV光的反射率达94%，但成本较高。同时，红外线、可见光可透过镀层达到反光罩表面，并经冷却装置后散出。

　　反光罩设计的发展趋势是开口和高度的变化，即截面积变小，以缩短反射光程，减少由于长光程产生的光强度损失。另外，反射罩顶端加反射板改变了原来顶端开通风孔的设计，使灯管顶端的辐射能反射到纸面，如图4所示。由于灯罩截面积小，灯管壁到反光面距离近，因而反射板温度过高，顶端反射板阻风会影响灯罩散热。解决方法是用水冷灯罩或加大散热风量，合理设计散热风路。

　　笔者在印刷厂经常发现，在油墨干燥、固化工艺中存在很多不合理现象，造成电能浪费较大。例如，一些固化设备由于设计不科学，虽然价格便宜，但效率很低，一台对开上光机速度不到3000张/小时，要用3支10kW的UV灯管，若合理设计，仅用1支12kW的灯管即可。又如，机组式印刷机前后机组固化系统的功率配备不合理，导致印刷速度上不去。且很多厂家只考虑设备成本，忽略了电费的开支。针对以上问题，建议印刷厂在选择固化设备时要多方面考虑。