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1、紫外光固化技术介绍http:/ 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
2、对于传统挥发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
3、引发剂”后，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
4、并不是很容易做到的。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 l
5、ength-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
6、们对不同波长的紫外光产生反应， 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
7、能量级，它却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
8、整个紫外光光谱范围内的紫外光。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
9、紫外灯管中添加物质，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
10、。V灯添加了别的物质，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
11、的一种表征方式。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
12、料比喻成“岩石”。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
13、短、中和长波长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
14、有光学厚度的油墨。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
15、篇幅说明灯管光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。
