單張紙膠印機的較高速度已經(jīng)達到了20000張/小時(shí)，輪轉報紙印刷機的較高速度達10萬(wàn)份/小時(shí)，而較青睞這些高速機的客戶(hù)當屬中國印刷業(yè)者，特別是煙包、報業(yè)印刷廠(chǎng)?？梢哉f(shuō)，提高印刷速度對于印刷機本身而言很有潛力，但油墨的干燥速度是發(fā)展的瓶頸。因此，近幾年對油墨的UV固化、熱干燥及速干油墨的研究很活躍。本文主要從油墨的干燥原理出發(fā)，討論目前油墨的UV固化及熱干燥光源、裝置設計的較新發(fā)展。

　　油墨干燥、固化原理

　　印刷油墨的干燥主要有氧化結膜干燥、滲透干燥、揮發(fā)干燥及輻射干燥。

　　1.氧化結膜干燥

　　油墨中含有干性油，該油分子結構中的不飽和脂肪酸與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應，由小分子直鏈結構聚合成大分子網(wǎng)狀結構，形成固體物質(zhì)，這一化學(xué)反應過(guò)程稱(chēng)為氧化結膜干燥。

　　2.滲透干燥

　　油墨連結料中含有較多的礦物油，如汽油、高沸點(diǎn)煤油等，當油墨中的礦物油滲透到多孔隙紙張纖維中，顏料即固著(zhù)在紙張表面形成固態(tài)膜層，稱(chēng)為滲透干燥。

　　3.揮發(fā)干燥

　　油墨中含有大量揮發(fā)物質(zhì)，如脂肪烴類(lèi)松香酯、芳香烴類(lèi)溶劑、醇類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)溶劑等。油墨轉移到承印材料表面后，溶劑揮發(fā)，顏料固著(zhù)，形成固態(tài)膜層，稱(chēng)為揮發(fā)干燥。

　　4.輻射固化

　　輻射固化是化學(xué)單體交聯(lián)成高分子網(wǎng)狀結構形成固體的化學(xué)反應，且固化速度快，形成的膜層堅硬、光亮，但附著(zhù)力欠佳。目前常用的輻射固化方式有3種。

　　(1)紅外線(xiàn)輻射干燥。油墨中含有螯合劑，可采用波長(cháng)3～30μm的中波紅外光照射，加速聚合反應，同時(shí)產(chǎn)生的熱量促進(jìn)溶劑揮發(fā)，加速油墨干燥。短波、長(cháng)波紅外線(xiàn)不利于油墨的干燥。

　　(2)紫外線(xiàn)(UV)輻射固化。油墨中含有光引發(fā)劑，如二苯甲酮(吸收波長(cháng)240～340nm)、2-氯化硫雜蒽酮(吸收波長(cháng)200～400nm)等衍生物，光引發(fā)劑在波長(cháng)為250～420nm范圍內的UV光照射下，不到0.1秒即可迅速打開(kāi)不飽和雙鍵引發(fā)樹(shù)脂，如聚氨基甲酸乙酯、環(huán)氧丙烯酸酯等交聯(lián)固化為固體而干燥。UV固化油墨中基本不含溶劑。

　　(3)電子束(EB)輻射固化。熱離子陰較管發(fā)出高能量輻射電子束，通過(guò)調節陰較管發(fā)射器選擇輻射波長(cháng)，因而沒(méi)有可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)伴隨輻射，完全是冷光源。電子束有效輻射強度很高，可直接引發(fā)樹(shù)脂聚合成固體，因此，EB油墨中可不采用光引發(fā)劑。將UV油墨中的光引發(fā)劑去除或少量添加就可作為電子束固化油墨。

　　通常，印刷油墨的干燥并不是單一的干燥方式，而是幾種干燥同時(shí)發(fā)生。如膠印油墨的干燥就是氧化結膜、滲透、揮發(fā)等幾種方式同時(shí)發(fā)生，以氧化結膜干燥為主；報紙印刷油墨以滲透干燥為主；凹印油墨以揮發(fā)干燥為主。

　　常用油墨干燥、固化設備

　　油墨干燥往往是復合干燥，因此用什么干燥設備，參數如何設置，使干燥效率較佳的同時(shí)還能節省能量是印刷者較為關(guān)心的問(wèn)題。

　　1.紅外線(xiàn)干燥設備

　　(1)光源。對于油墨干燥，中波紅外線(xiàn)的效果較佳，常用紅外線(xiàn)光源有3種。

　　靠前種是電熱絲輻射源，常見(jiàn)的是非封閉式電阻絲外套石英燈管。這種燈管的熱輻射強度隨光波長(cháng)的分布不能控制，效率低、價(jià)格低，壽命約2000～3000小時(shí)。

　　第二種光源是將電阻絲置于封閉石英管內，并可在燈管內充不同氣體，以改變輻射光波長(cháng)分布特性，同時(shí)將燈絲與空氣中的氧隔絕，輻射效率高?，F在進(jìn)口印刷機大都配這種光源，壽命達5000～10000小時(shí)，但其輻射能量中仍有很大部分是分布在可見(jiàn)光和遠近紅外線(xiàn)段，中波紅外線(xiàn)不是很豐富。

　　第三種是電熱半導體發(fā)光燈管。外形是陶瓷管外涂紅色或灰色無(wú)光半導體材料，管內壁繞電阻絲。依靠電熱引發(fā)半導體材料輻射發(fā)光，燈管點(diǎn)燃時(shí)光呈暗紅或黑色，通過(guò)選擇半導體材料可改變輻射能量的波長(cháng)分布，而且輻射效率較高。

　　(2)紅外線(xiàn)燈反光罩。目前常見(jiàn)的有2種，一種是鍍金反光罩，在燈管周?chē)?80°范圍涂有金屬膜，金屬膜反射紅外線(xiàn)效率高達90%；另一種是鍍鋁板或鋁板壓成的橢圓或八字形反光罩，如圖2所示，燈管距燈罩越近，反射效率越高，較高反射率可達85%。

　　(3)紅外線(xiàn)燈的散熱問(wèn)題。紅外線(xiàn)燈管表面散熱可用吹風(fēng)法，且風(fēng)量大小不影響燈紅外線(xiàn)功率輸出。由于紅外線(xiàn)燈輻射的能量只有1%左右被紙張和油墨吸收，而其余的能量完全轉化成熱量，造成機器周?chē)郎?，需要用吸風(fēng)裝置將其排到室外或循環(huán)利用。

　　(4)適用范圍。紅外線(xiàn)燈應用于紅外線(xiàn)油墨干燥，對非專(zhuān)項使用紅外線(xiàn)油墨的干燥效率很低，對某些墨甚至不起作用。紅外線(xiàn)具有穿透力，能同時(shí)干燥墨膜上下層，加速油墨滲透，促進(jìn)氧化結膜，尤其是應用在厚墨層印刷和上光油的干燥上效果更佳。對溶劑含量較低的膠印、凸印、網(wǎng)印、印報油墨、柔性版印刷油墨和水性光油的干燥效果都很好。

　　2.熱風(fēng)干燥設備

　　(1)熱源。產(chǎn)生熱空氣的熱源有3種：電熱風(fēng)管，如不銹鋼、石英玻璃、陶瓷外殼的熱風(fēng)管；高溫油管，高溫機油通過(guò)管道加熱空氣產(chǎn)生熱風(fēng)；高溫汽管，通過(guò)鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽而產(chǎn)生熱風(fēng)。

　　(2)熱風(fēng)裝置。通過(guò)風(fēng)機將熱源周?chē)目諝饧訜?，吹到油墨表面，調節熱風(fēng)方向與紙張運行的角度可改善熱風(fēng)干燥的效率。

　　熱風(fēng)相對于紙張的速度越高，越有利于降低紙張表面的蒸汽壓，提高溶劑揮發(fā)速度；調節風(fēng)向使風(fēng)向對紙張運行速度形成相加效果，更有利于干燥。熱風(fēng)管風(fēng)速不能低于要求的速度，否則，風(fēng)管表面散熱不佳會(huì )燒壞燈管。風(fēng)速也不宜過(guò)高，因為風(fēng)循環(huán)過(guò)程中會(huì )損失一些能量，適當選擇風(fēng)機壓力和風(fēng)量才可達到較佳干燥效果。

　　(3)適用范圍。適用于塑料凹版及柔性版印刷油墨、溶劑型光油的干燥，還可加速水性油墨、光油的干燥。

　　3.UV固化設備

　　(1)光源。常用高壓汞燈和金屬鹵素燈，高壓汞燈是汞原子受激發(fā)形成連續光譜，調節燈管內的汞含量，使輻射波長(cháng)在固化段254～420nm，紫外線(xiàn)較豐富。金屬鹵素燈是在汞燈內添加如鎵、鐵等金屬鹵化物，在汞激發(fā)條件下激發(fā)其產(chǎn)生輻射，可根據油墨吸收光譜的差別適量添加不同金屬，使UV燈輻射更多油墨所吸收的光波，金屬鹵素燈管內雜質(zhì)含量較小，電較材料純度高，因此制造工藝復雜、難度高、價(jià)格高，目前國內尚不能生產(chǎn)高質(zhì)量、高功率金屬鹵素燈，市場(chǎng)上現有的是美國Fusion、德國IST、日本研琦等公司的產(chǎn)品。功率密度160W/cm的燈管壽命可達2000小時(shí)而燈頭不黑，4000小時(shí)后仍可達50%輻射率。

　　(2)冷UV光源。UV燈點(diǎn)燃時(shí)其內部溫度要達到600～1000℃。燈內溫度過(guò)低或風(fēng)速過(guò)大燈會(huì )熄滅，因此“冷光源”實(shí)際是不存在的，只是可采用燈具冷卻系統。

　　(3)微波UV燈。這是Fusion公司的新產(chǎn)品，燈管長(cháng)6英寸，兩端無(wú)金屬電較，靠微波激發(fā)燈管內吸收微波的物質(zhì)分子高速運動(dòng)產(chǎn)生熱量，再激發(fā)汞、金屬鹵化物等物質(zhì)發(fā)光。鋁是反射微波的良好材料，微波源發(fā)射微波到橢圓鋁燈罩上，聚焦在無(wú)較燈管內激發(fā)汞或金屬鹵化物發(fā)光。

　　微波燈的特點(diǎn)有：

　?、倏烧{整輻射光強度隨波長(cháng)分布特性，選擇較佳輻射波長(cháng),使油墨達到理想的固化效果。

　?、谟捎跓艄軣o(wú)電較，功率密度為300W/cm時(shí)的壽命可達5000小時(shí)，并且多次開(kāi)關(guān)不影響燈管壽命。

　?、塾捎谖⒉ㄔ匆卓刂?，因此微波燈可快速頻繁啟動(dòng)，但微波也有待機狀態(tài)(維持工作狀態(tài))，只有在這種狀態(tài)下才能快啟動(dòng)。這一功能適合光盤(pán)和不干膠印刷機配套使用，因為網(wǎng)印光盤(pán)和不干膠印刷多為間歇式印刷。

　?、芪⒉鬠V固化段光譜豐富，紅外線(xiàn)波段較少，因此微波輻射溫度較低。

　?、萦捎谖⒉魺o(wú)電較，換燈管很方便，且不用接線(xiàn)。

　?、抟驗闊o(wú)電較釋放，燈管兩端永遠不會(huì )發(fā)黑。

　?、哂捎谖⒉▊鬏敺绞降木窒?，微波燈管較長(cháng)為6英寸，將燈管連接放置可增加固化寬度，由于燈管間隙很小，對接處不會(huì )影響固化效果。

　?、辔⒉魞r(jià)格較高，一套6英寸的固化裝置約5萬(wàn)元金額。目前國內市場(chǎng)主要用于與光盤(pán)印刷、電纜、管材、軟包裝等噴碼機配套的UV油墨的固化。

　?、嵛⒉舭l(fā)光材料和普通UV燈相同，輻射波長(cháng)分布也相同，因此無(wú)須特殊油墨。

　　(4)UV燈反光罩設計?？茖W(xué)地選擇反光材料，合理設計反光罩結構，能成倍提高固化效果，節省能量。純鋁經(jīng)酸氧化形成的鋁晶體對UV光反射率達90%，而未經(jīng)氧化處理的鋁板反射UV光效率小于60%；不銹鋼對UV光反射率小于60%；半導體鍍膜對UV光的反射率達94%，但成本較高。同時(shí)，紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光可透過(guò)鍍層達到反光罩表面，并經(jīng)冷卻裝置后散出。

　　反光罩設計的發(fā)展趨勢是開(kāi)口和高度的變化，即截面積變小，以縮短反射光程，減少由于長(cháng)光程產(chǎn)生的光強度損失。另外，反射罩頂端加反射板改變了原來(lái)頂端開(kāi)通風(fēng)孔的設計，使燈管頂端的輻射能反射到紙面，如圖4所示。由于燈罩截面積小，燈管壁到反光面距離近，因而反射板溫度過(guò)高，頂端反射板阻風(fēng)會(huì )影響燈罩散熱。解決方法是用水冷燈罩或加大散熱風(fēng)量，合理設計散熱風(fēng)路。

　　先進(jìn)固化設備簡(jiǎn)介

　　1.微波UV固化設備

　　該設備的特點(diǎn)是，由于微波傳送通道的需要，燈具體積非常大，不宜安裝在單張紙膠印機收紙通道內，一般與機組式柔性版印刷機、凹印機、表格及不干膠印刷機配套使用，光盤(pán)和噴墨印刷系統也適合配裝該設備，但由于價(jià)格高，目前印刷廠(chǎng)較少使用。

　　2.高功率密度UV固化設備

　　日本生產(chǎn)的有電較UV燈管的功率密度可達240～300 W/cm，可用于表格印刷機組中輪轉網(wǎng)印遮蓋UV銀漿的固化；美國麥安迪柔性版印刷機配備的UV燈功率密度已達400W/cm，固化速度150m/min；Fusion公司的微波燈功率密度達400W/cm。

　　高功率密度UV固化設備不但加快了固化速度，而且利于厚UV油墨層和粗糙紙張上UV油墨底層的完全固化。另外，提高UV燈功率密度可相應降低UV油墨的感光性，減少光引發(fā)劑的含量，從而利于提高UV油墨穩定性和敏感度，易于儲運，同時(shí)還降低了價(jià)格。

　　3.水冷卻UV固化系統

　　由于印刷設備結構設計理念的發(fā)展，印刷機結構更加緊湊、美觀(guān)，非常大的UV固化風(fēng)冷卻通道已無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此這類(lèi)印刷機普遍使用水冷卻UV固化設備。如進(jìn)口多色膠印機配置的UV干燥系統均為水冷卻式，衛星式不干膠印刷機也都配置水冷卻UV系統。

　　筆者在印刷廠(chǎng)經(jīng)常發(fā)現，在油墨干燥、固化工藝中存在很多不合理現象，造成電能浪費非常大。例如，一些固化設備由于設計不科學(xué)，雖然價(jià)格便宜，但效率很低，一臺對開(kāi)上光機速度不到3000張/小時(shí)，要用3支10kW的UV燈管，若合理設計，僅用1支12kW的燈管即可。又如，機組式印刷機前后機組固化系統的功率配備不合理，導致印刷速度上不去。且很多廠(chǎng)家只考慮設備成本，忽略了電費的開(kāi)支。針對以上問(wèn)題，建議印刷廠(chǎng)在選擇固化設備時(shí)要多方面考慮。