紫外光固化技术介绍

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1、紫外光固化技术介绍 2005年01月12日 文章源自:记录媒体技术紫外光固化油墨和固化技术的应用领域非常广泛。紫外光固化对于丝网印刷 来说，其优点是速度快捷并不需使用溶剂，因此得到了广泛应用。对于光盘行业， 自诞生之日起就使用紫外固化保护胶涂层和紫外光固化油墨印刷。作为100的“固态”油墨，紫外光固化油墨不会排放VOC （即挥发性有机化合物，易于适应 环保法规），也不会像挥发性（溶剂和水基）油墨或涂层因变干或发生粘度变化 而堵塞丝网。而它的缺点则在于紫外光油墨不能像常规油墨那样被印刷或固化。 常规油墨如果第一遍印刷时油墨没有完全干燥，你可能是重印一遍或降低印刷速 度。不幸的是，这些对于传统挥发

2、性油墨非常适用的想法却对紫外光固化不利， 这种作法很可能会烤坏承印物。请注意紫外光具有一定的光学特性，也就是说得 注意焦距和波长的对承印物的影响。这就是紫外光固化具有一些神秘感的原因。 也是将在此文中讨论的主要内容，以及如何有效利用光达到附着性和极好的表面 固化效果。1紫外光固化物质 任何紫外光固化物质都由低聚体和单体这样的成分构成简单地说，就是 大分子和小分子构成其基本配方。大体上可以把它们比喻成传统油墨中的树脂和 溶剂，区别在于前者在固化过程中发生交联，形成一种固态物质。这些混合物还 可包含许多添加剂。对于丝网印刷来说，最明显的添加剂当然是颜料。只有在油墨中添加了关键的成分“光引发剂”后，

3、这种化学混合物才能进行 紫外光固化。当光引发剂暴露在紫外光下时，必须要使用正确的紫外光源，才能 使这种混合物从液态转化为固态。许多人不清楚，但是又相当重要的是：必须使 用正确的与光引发剂匹配的紫外光源。光引发剂是唯一直接受紫外光影响的成分。当光引发剂吸收紫外光后，反应 被触发了。光引发剂敏感性非常高，这解释了为什么紫外光固化速度如此之快。 事实上，只需一个紫外光光子（是正确的紫外光源）击中光引发剂分子，就足以 “激发”这个分子开始固化反应。光引发剂分子均匀稀薄地分布于整个混合物中， 让紫外光穿透混合物，而抵达表层之下的光引发剂分子，尤其是位于油墨和基材 之间粘着点的光引发剂分子，这并不是很容易

4、做到的。2紫外光固化机理当我们想让油墨提供很好的“遮盖力”或“覆盖力”以达到不透明性、明亮 性或鲜明性时，意思是说不想看到底材。紫外固化时，光线必须经过油墨中的颜 料粒子，这些粒子就像岩石一样。因此，让光线穿透不透明油墨进行固化，这似 乎是矛盾的。那末如何进行固化呢？1）紫外光的特性先来看看紫外光的特性。最好的理解方式是从我们更为熟悉的事物着手，即 我们感知为色彩的可见光。丝网印刷人员天天与色彩打交道，非常清楚我们所看 见的不同色彩实际上是由某些波长的光线生成的。RitiCiiatiDn Designalaaninm urn hmmrn 1kn-丨丨丨丨i丨丨丄丨丨丄丨Wave length-

5、L，图 1：各种辐射的电磁波频谱大多数人都熟悉色谱，知道它是所谓电磁波频谱的一部分（参见图1）。所 有的光线红外线、可见光和紫外线在物理上是类似的，差别在于波长。 波长通常用纳米（nm）来表示。在可见光中（大约450750nm），红光与蓝光的 差别仅在于波长，然而人眼的感受却相当不同。因此当讨论紫外光的范围时（200 450nm ），得放弃我们将紫外光看成是一种“不可见的但又像蓝色之类”的模糊概 念。虽然我们看不到紫外光，在整个紫外光波长范围内，也有类似于可见光那样 的蓝、绿、黄、橙和红之分。正如可见光谱一样，紫外光光谱也有一系列的波长。 当不同的紫外光引发剂暴露于紫外光之下时，它们对不同波长

6、的紫外光产生反应， 这一点是非常非常重要的。2）紫外光源紫外光灯包括一个灯管和一个反射罩实际上灯管是一个透明石英管并含 有少量的水银。尽管灯管激发方式不同（参见本文后面的弧光或微波部分），总 的工作方式是相同的：给水银施加能量令其加热并迅速蒸发。当灯管达到它的工 作温度时，水银蒸汽变成等离子体并发散出离子化水银特有的波长光线即有 紫外光也有可见光。此时，要让这些光子穿透紫外光固化材料并进行充分的固化，需要生产大量 的光子。的确，我们也发现抵达油墨表面的光量取决于紫外灯的许多因素。首先，灯管的输出功率是很重要的。通常用瓦特/英寸（W/in）来表示。不 幸的是，尽管W/in能显示灯管的能量级，它却

7、一点也说明不了灯的实际性能怎 么样。我们需要知道的是灯的效率如何。在图2中，注意三个6KW灯管的电力输 入是一样的，但D灯（图2b）的输出优于其他灯。从实际角度来说，选择那种将 输入电力转换成输出最大有效紫外光能的灯管以最有效的波长方式在进行紫外光固化时是最有效的。图 2a，H 灯管的光谱分布M诗l:v三易：3）水银紫外固化的信使电功率并不是唯一要考虑的问题。图2a中的H灯柱状图显示的是汞灯发射的紫外光谱。这些柱状图显示了紫外光范围内（450200nm）每10nm为一个波段的能量输出值。这种表征灯管输出光谱的分布“图”，简单地切分出每一波段内所发射的辐射能量。注意，这只灯管并不产生整个紫外光光

8、谱范围内的紫外光。事实上，仅依赖 水银输出紫外光的灯管在长波长有一个很好的输出高峰值，但在极大程度上它的 最强输出在220到320nm之间的短波长。我们会发现为什么这两个区段对固化很 重要。现在，暂时返回紫外光固化物质，让我们选择一种透明的清漆或光油。谢 _啤图 2b：D 管光谱分布图说它透明，这其实是错误的。事实上，所有的紫外光固化物质都吸收短波长紫外光并阻止其穿越。这可能是紫外光固化最被人忽略的地方。从过去的情况来看，这导致人们误以为紫外光固化只适合于非常薄的涂层。从某种意义上讲这也没说错，因为多年来我们唯一使用的固化工具是普通汞灯。2c：V 灯管光谱分布4）长波和短波紫外光在紫外灯管中添

9、加物质，有时被称为添加物式灯管。被添加的物质也能被蒸 发并达到等离子状态。紫外光一部分来自水银，一部分来自这些添加物。但添加 物发射其特有的波长。从图2b和2c的D灯和V灯光谱分布图表中，我们可以看 出添加物能改变灯管的输出。D灯在350400nm范围的输出强。它也发射部分短 波长紫外光，但在有时称作紫外“JVA”波段的范围内非常有效（有时候把紫外光 波长分为“A”，“B”和“C”三个波段）。紫外“A”波段常常指320400nm 或300450nm。紫外“B”波段常常指280320nm,而紫外“C”波段指200280nm。 因为这种分类开不是很准确，我更愿意用长波、中波和短波来区分。V灯添加了

10、别的物质，它仍然发射短波，但不是很多。但它在400450nm范 围内有非常强、非常有效的输出。人们可设计出在长波、中波或短波输出强度不同的紫外灯管。然而却不能设 计出在所有波段都有效的紫外灯管，而且这也不是我们所希望的，因为不能激活 光引发剂的波段内的紫外光能是无效的、被浪费的能量。选择特定灯管的主要目 的在于，灯管发出光能避免被待固化物质吸收，但其波长又能激活光引发剂。5）引发剂与灯管的光谱匹配现在，让我们来谈谈对特定波长紫外光反应的光引发剂。在图3中，我们看 到光引发剂（此例中为苯甲酮）的吸收曲线有几个“高吸收点”所有光引发 剂都如此。对于光引发剂来说，紫外光吸收率是其光活性的一种表征方式

11、。表层 处的短波长吸收性很重要，而在待固化物质的深层对长波长的反应应该很有效，12Q KO、B ue igr idrr.i噪疳图3因为短波长已经被表层吸收了。因此，短波紫外光对表层固化更有影响。因此，短波紫外光对表层固化更有影响。因为待固化物质的吸收阻止了短波长紫外 光，长波段紫外光对深层固化及附着力就至关重要了。如果我们仅需对含苯甲酮光引发剂的清漆进行固化，H灯或仅含水银的灯管（如图2a）就很适合。因为光引发剂的光谱吸收曲线与该灯管的发射光谱分布非常吻合。FILMSUBSTRATEPnwnto surface cf：Lf图46）色彩与固化如果添加颜料会发生什么现象呢？我们曾把颜料比喻成“岩石

12、”。在图 3 中， 阐述了蓝色颜料的紫外吸收性，它对短波长和中波长的紫外光吸收性都较高，只 对非常长的波长才不吸收。相应地，这种光引发剂对清漆很适合，但对油墨却不 适合。这也是为什么大多数丝网印刷油墨使用长波长（350400nm）光引发剂的原因。图5图 4 说明了在含有颜料的膜层深处，紫外光能量因被吸收而衰减强烈，短波 长紫外光几乎没有了，只有长波长紫外光能抵达底层。因此，丝网印刷油墨具有很高的光学厚度。光学厚度不应与涂层的厚度相混 淆。事实上，厚厚一层清漆的紫外光吸收性低（具有低光学厚度），可能比薄薄 一层高吸收性的油墨（具有高光学厚度）更容易被固化。这是因为油墨的构成成 分对短、中和长波长

13、紫外光能的吸收率是不一样的。这表示油墨可能对某些波长 来说具有高光学厚度，而对另一些波长具有较低光学厚度。为说明吸收性的效果，假设将油墨膜层切分为均匀的 100层。抵达顶层和底 层的紫外光能相差很大的。例如，紫外清漆（没有颜料）的吸收性低，或具有低 光学厚度。其顶部和底部所吸收的“紫外光强度”之比为3比1。现在，如果2/3的光子不能抵达清漆的底层，那么再加入颜料会发生什么呢？ 事实上，顶层和底层所吸收的能量比例能达到几百比一（或更高）。只有那些不 容易被顶层吸收的光子才能抵达底层。7）针对油墨修改光引发剂和固化灯当油墨必须添加很多颜料时，油墨制造商常常只好提供对大部分紫外光都具 有光学厚度的油

14、墨。因此，在我们先前的蓝色油墨说明中，可以看出水银汞灯不 能很好固化丝网印刷油墨，而更多地需要使用添加物式灯管，例如D灯。这说明 了为什么大多数丝网油墨制造商要使用长波长光引发剂。（严格的配方师会根据 颜色而调整光引发剂的浓度，达到良好的色彩匹配性能。）在图5中，“绘制”出了二氧化钛与众不同的紫外光吸收特性，二氧化钛是 典型的常用白色颜料，它吸收几乎所有的紫外光并反射可见光。这使得白色难于 用紫外光进行固化。但是，白色物质有一个“固化工艺窗口”，大约在400430nm。 如果我们使用长波长的V灯，这种灯在这个窗口范围内很有效，因此就能成功地 固化白色油墨。这就是我们为什么要花大量篇幅说明灯管光

15、谱分布与紫外固化物 质吸收性相匹配的原因。8）聚焦影响紫外光固化还有许多重要的因素，除了灯管输出效果和光谱分布，同样 重要的是：灯管的焦距和反射罩的作用。如果将灯管发射的辐射能量与抵达工件表面的能量区别开来。可瞬间抵达表 层的光称为辐照。辐照常常不准确地称为“强度”。下面对辐照与福射作一个区 别：用灯管来照亮墙壁。当灯管从墙壁处移开时，灯的辐射没变，但对墙壁辐照 减少了。（你会发现，如果不清楚谈论的是灯管强度还是到达表面的强度，那就 可能造成混淆。）精确使用反射罩能在不增加灯管输入功率的情况下增加工件表层的辐照。能 量最聚集的那一点就是最高或峰值辐照所在的点。图 6 阐述了反射罩将能量聚集在工

16、件表面上。一些未聚焦的光线也能抵达表 层，但它对油墨固化的效果不如聚焦的光线。用作说明的是一种椭圆形反射罩， 它具有大约 75%的能量收集效果（参见下面有关反射罩的内容）。换句话说，灯管发出的 75的能量将被反射罩收集并聚焦。图 6 椭圆形反射罩的聚焦在焦距之外，增加灯管与工件表层之间的距离会降低峰值辐照。类似地，将 工件表层置于焦距以内也会降低峰值辐照。在不增加输入功率的情况下，当灯管 直径越小，反射罩反射效率越高，反射罩收集效率越高时，辐照越大。表 1：各种灯管固化速度比较灯管国化速度1Rimin.bcmJ速度/21.2)405Zimm.椭圃1弧覚120W cm11620()6823mmt

17、抛辆議（弭尤1 2OW cm1.2.119064为了了解峰值辐照的效果，表1比较了三个120Wcm灯管在不同的传输速度下， 作用在聚碳酸酯基材上的黑色丝网印刷油墨（390目）。它们的不同表现说明了 什么呢？奇怪的是辐射剂量最高的灯管却不是固化速度最快的灯管。事实上，辐 射剂量最低的灯管固化速度最快！如果我们看一看最后一档内容：速度剂量比， 我们会发现最小直径（9mm）的灯管表现优于其它两灯管。这是因为椭圆形反射罩 能收集和聚集更多的发自小灯管的光线作用于工件表面，峰值辐射更高。为什么 它的固化效果最好呢？我们从比尔法则那儿找到了解释。这个法则的基本意思是 膜层表层未被立刻吸收或反射的光线会被传

18、送到更深的层次。辐射越高，那么固 化深度越好。9）关于反射器 紫外光灯反射器的功能部分主要由铝制成，因为铝是唯一能够反射整个200450nm波段紫外光的材料。铝外面有一个硬质保护涂层。反射器（跟镜子反 射可见光一样），将灯光反射到工作表面，以增加该表面获得的总体能量。目前 大多数紫外光灯使用椭圆形反射器，原因很简单：在所有的反射器中，这种外形 能够提供最多的反射能量。抛物线形反射器会将光线分散到工件表面的一块较大 的面积上，所以这种反射器的收集效率不是很高，但是制造得好的椭圆形反射器 能够达到 75的收集率，也就是说紫外光灯的 75的反射能量被集中在工件表面 （其余25的能量已经直接辐射到该工

19、件表面），并且对固化基本没有什么影响。3固化的关键 我们用一种黑色的汽车玻璃丝网印刷油墨（它以难固化闻名）来做一个有趣 的关于固化深度、以及辐照是如何影响固化深度的演示。用两只 D 灯来固化油墨，这两只灯仅仅在辐照上有差别，一个灯的辐照是另一个灯的两倍。使用第一个灯 照射一次达到的固化深度是一密耳（mil）。再次照射并不能显著增加其固化深度。 而另一个灯能发出两倍的辐射，它只照射一次达到的固化深度是前一个灯两次照 射达到深度的两倍，尽管两者的辐射剂量是一样的。这里，我们应该清楚所说的 辐射剂量指的是什么。剂量就是辐照乘以时间，或者累积的光能。放慢照速，剂 量增加了，加快照速，剂量减少了。如果油

20、墨暴露在灯管下的时间越长，油墨表 层接收到的剂量越高，但辐照并不是越高。（我们将发现增加剂量不但没什么帮 助，反而有害于热敏感性的基材）。第二个灯管再照射一次剂量加倍了，但并未显著增加固化深度。由此我 们认识到通过多次暴光来增加剂量并不是今光子穿透油墨抵达底层光引发剂的有 效方法。固化深度更受峰值辐射而不是剂量的影响。这个事实有几个实用意义。正如我们注意到的，更高的灯管输出（不一定是 W/in 功率更高）、选择有效输出紫外波长合适的灯管以及更小直径的灯管都能显 著增强辐照。多次照射、多灯逐一照射以及降低带速能增加剂量，但对增加辐照 没什么意义。对已固化油墨的再次照射的研究，对于多色套印来说具有

21、重大意义。D灯和V 灯的短波长输出明显低于H灯或水银汞灯（图2）。用H灯来固化黑色油墨会使 紫外能量集中于表层，而固化深度却不足。在多次照射方式下，紫外能反复集中 照射在表层上，而深层的附着面却收到很少的能量。用H灯多次照射后，油墨表 层会硬化和脆化（过度固化），这对于套印油墨膜层来说尤其不好，其深层膜层 只接收到很少的照射。由此而知，增加剂量是灾难性的。但对于D灯和V灯来说， 它们的能量令要集中于长波段，而在中波和短波段分布较少。因此，应用该型灯 管可以减少固化时间（减少曝光时间）并保证长波段紫外光最大限度地透过油墨 底层。以上主要谈及灯管波长、聚焦问题以及如何使用它们在今烤焦表层的情况下

22、达到可接受的附着性。但在现实世界中、丝网印刷人员必须同时控制好多个固化 要素。除了附着性外，还有膜层外观、灵活性与持久性、抗污性等等，每个反面 都有其自己的表层与深层问题以及独特的加工范围。4紫外灯的种类紫外好有两种：弧光灯和微波灯。它们有截然不同的激发方式。每一种激发 方式对灯管构造及其性能都有一定的影响。1）弧光灯典型的弧光灯都是以透明的，熔融烧制的石英灯管制成，并有各种长度。弧 光灯管每一头均由一个电极及玻璃-金属真空套密封闭，并安装在一个椭圆形的或 抛物线形的反射器中。这种灯由两端高压电极之间的电流驱动，以提供持续的光 辐射。灯内的水银在加热气化之后，变成等离子状态。2）微波灯（无电极

23、灯管）顾名思义，无极灯没有直接的电极接头，它通过与微波炉同类型的装置提供 动力，不过它的动力要比微波炉动力高得多。水银在微波炉中，能够与其它金属 一样起反应。但在这种灯管中，水银被反射罩区域内的微波场气化成等离子状态（约600000。磁控管（6英寸灯一只，10英寸灯两只）产生高频高强度电磁场, 并将能量引导进由椭圆形反射器及两端反射器形成的封闭的电子腔中，再由灯面下的屏蔽网进行封锁，从而形成动力（如图1所示） 。图1：无极灯结构示意图5弧光灯和微波灯的比较1）输出稳定性及老化弧光灯相对比较便宜，但是灯管的输出随着时间的变长而弱化。灯管的金属 部分同等离子气体的化学反应导致弧光灯的紫外光能量输出

24、的衰减。在使用添加 物增强光学输出的情况下（如在金属卤化物灯管中），随着灯管的老化，也会出 现类似的化学反应，并改变光谱输出。这使得添加物的选择大受限制，因为一些 金属比其它金属更容易产生反应。灯管寿命在一定程度上也与开/关频率有关（根 据制造商的估计，弧灯光灯每启动一次，就会减少人2/1 到1 小时的寿命）。光 谱输出可以通过正确的测试与测量工具加以监测。当紫外光输出衰减时，通常可 通过降低固化速度，增加辐照时间以补偿输出损失。由于微波灯没有电极、电线、灯丝及金属套封，所以不存在这种化学反应。 这种灯在整个使用寿命周期的输出水平几乎是恒定不变的。此外，它们还不受有 添加物价计的光谱输出变化的

25、影响，这种灯可以更自由地使用各种添加物质，则 无需担心光谱分布与紫外固化物质相匹配。除了电子部分以外，微波灯可以造得比弧光灯更小，这样可以提高反射器的 收集效率。2）灯具的组成 弧光灯可以有各种不同的长度，这在理论上使印刷机可以通过一个灯管对任 何宽度的紫外光材料进行固化。不过在实践中，过长的灯管可能发生凹陷现象。 长度大于48in的灯管可能会在很短的时间内就出现凹陷现象，因而需要经常旋转 灯管。此外，两端电极之间的距离越大，所需要的电压越高。这种系统的灯具价 格可能比较便宜，们是初期对电源的配置成本，以及长期的操作开支会相当高。采用多灯管系统可以避免灯管凹陷现象以及过量的电源要求。但是弧光灯

26、电 极之间端对端对接的接口势必会在工件的表面留下“能量洞”。因此，各灯管必 须以“棋盘”式的布局进行交叉分布。在重叠情况下，每个灯管的辐射剂量与别 处是相同的，但是由于它们是分开的，所以辐照大约只有一半。相比而言，微波无极灯只有两种长度，6 英寸及10 英寸。它的弱势是，在宽 幅固化中，将不得不使用多灯系统。但是，无极灯的设计可以使模块化的灯箱（灯 管及反射器）端对端地放置在一起，这样所有的灯就可以沿着焦距线进行放置， 从而使每个灯具之间的接口都有能量的重叠，提供无缝隙的辐射，并使整个固化 宽度内的辐照更加一致、均匀。在许多应用中，弧光灯的性能并不会对预期的产品质量及生产效率产生负面 影响。但是，对于一些固化起来比较困难的油墨及涂层，固化系统的稳定性就变 成极为重要，在这时无极灯就能显示出它的优势，对印刷品干燥质量的稳定性起 到很大的作用。（作者：Richard W. St owe美国FUSION紫外系统公司 龚勇译）