УФ-сушилки для печатных машин

Дмитрий Гудилин

Лампы

Рефлекторы

Системы охлаждения

УФ-отверждаемые краски находят все более широкое применение в офсетной печати, и одним из важных условий их эффективного использования является оптимальная работа сушильных устройств.
УФ-сушилки включают три основных узла: лампу, рефлектор и систему охлаждения, каждый из которых оказывает влияние на процесс закрепления краски.

Лампы

В современных УФ­сушилках применяются газоразрядные лампы, работающие в постоянном или импульсном режиме. Наиболее часто используются ртутные лампы среднего давления, которые излучают примерно равное количество энергии в каждом из диапазонов УФ­спектра.

Ртутная лампа изготавливается из пропускающего УФ­излучение кварцевого стекла. Полость кварцевой трубки заполняется смесью инертного газа и паров ртути. Для корректировки спектра излучения в ртуть могут добавляться пары железа, галлия, свинца, кобальта, индия и других металлов. По бокам в трубку герметично устанавливаются два вольфрамовых электрода. При подаче на электроды напряжения, величина которого может достигать нескольких тысяч вольт, возникает дуговой разряд, вызывающий свечение смеси газов.

Принципиальная схема ртутной лампы

Как правило, в сушильных устройствах устанавливаются лампы мощностью от 80 до 240­300 Вт/см. Для сушки УФ­красок с катионным механизмом отверждения требуются более мощные лампы, чем для сушки радикальных УФ­красок. Доля УФ­излучения в эмиссии лампы обычно не превышает 15­23%. Остальные 75­85% излучения приходятся на видимый свет и ИК­лучи. Кварцевое стекло и рефлекторы поглощают 20­30% УФ­излучения, что уменьшает КПД сушилки до 10­18%.

Требуемый для отверждения красок спектр излучения лампы зависит от спектральной чувствительности входящих в состав краски фотоинициаторов и спектрального поглощения пигментов. Ртутные лампы эмитируют максимум УФ­излучения в диапазонах 220­320 и 365 нм. Поскольку УФ­отверждаемые лаки и краски имеют свойство поглощать коротковолновое УФ­излучение, не позволяя ему проникать вглубь красочного слоя, волны  длиной 220­320 нм инициируют реакцию фотополимеризации в основном на поверхности краски, а вглубь слоя проникают волны длиной 365 нм. Ртутные лампы являются оптимальным источником излучения для сушки тонких слоев красок при печати струйным, офсетным и флексографским способами. Однако для некоторых красок применять ртутные лампы нецелесообразно. Например, белый пигмент — диоксид титана — характеризуется высоким поглощением коротких, средних и значительной части длинных волн УФ­излучения и пропускает волны с длиной 400­430 нм. Поэтому для сушки белил используют ртутные лампы с добавкой галлия, которые имеют один из пиков излучения на стыке ультрафиолетового и фиолетового диапазонов спектра. Для сушки толстых слоев краски, например трафаретных отпечатков, а также красок черного, синего, зеленого и красного цветов эффективно применение ртутной лампы с добавкой паров железа. При выборе источника излучения следует учитывать, что ртутные лампы с добавками паров металлов испускают на 35­40% больше ИК­излучения, чем ртутные лампы без добавок, что делает нежелательным использование первых при печати на термочувствительных материалах.

График спектрального распределения излучения ртутной лампы

График спектрального распределения излучения ртутной лампы с добавкой паров галлия

График спектрального распределения излучения ртутной лампы с добавкой паров железа

Срок службы лампы зависит от частоты ее включения­выключения, эффективности системы охлаждения и других факторов. Величина эмиссии УФ­излучения ртутной лампой с течением времени уменьшается, что объясняется постепенной утратой светящейся смесью своих свойств, а также загрязнением внутренней поверхности кварцевого стекла отделяющимися от электродов частицами вольфрама. Лампа загрязняется по своей длине неравномерно — вначале мутнеют ее края, потом загрязнение распространяется к центру. Поскольку длина лампы обычно больше ширины полотна запечатываемого материала, в течение примерно тысячи часов ее эксплуатации осаждение вольфрама не влияет на количество УФ­излучения, попадающего на полотно.

Срок службы лампы уменьшается вследствие переохлаждения, перегрева, а также попадания на ее поверхность воды и грязи. Переохлаждение лампы ведет к тому, что дуга гаснет. Поскольку подача напряжения на электроды не прекращается, дуговой разряд снова появляется и снова гаснет — по сути, лампа переходит в импульсный режим работы. При этом на внутренней поверхности кварцевого стекла образуется блестящий налет.

Работающая лампа может нагреваться до 600­800 °С. Перегрев лампы ведет к осаждению на ее внутренней поверхности оксида ртути в виде белых пятен. Окисление части ртути снижает интенсивность излучения лампы. Появление белых пятен на внешней поверхности лампы может быть вызвано попаданием на нее воды. Грязь на внешней поверхности лампы также уменьшает количество УФ­излучения, попадающего на запечатываемый материал.

Максимальный рекомендуемый поставщиками сушилок срок эксплуатации ламп — около 2 тыс. часов работы. Определить текущее состояние лампы можно с помощью тестового прибора, измеряющего УФ­излучение. Поскольку подобные приборы стоят довольно дорого, в системах управления некоторых печатных машин предусмотрена специальная функция контроля, которая выдает оператору информацию о наработке установленных в сушилках ламп.

Параболический рефлектор

Эллиптический рефлектор

Рефлекторы

60­75% излучения лампы попадает на рефлектор, поэтому эффективность УФ­сушилки в значительной степени зависит от его характеристик. Рефлекторы УФ­сушилок обычно имеют покрытие из полированного или матированного алюминия, так как этот металл характеризуется одним из самых больших коэффициентов отражения УФ­излучения (до 90%). Поскольку алюминий чувствителен к высоким температурам, его поверхность подвергается специальной обработке.

По форме рефлекторы делятся на параболические, эллиптические и с переменной геометрией. При использовании параболических рефлекторов лампа помещается в фокальную точку параболы, в результате чего лучи отражаются вертикально вниз. При этом на запечатываемый материал проецируется широкая полоса излучения, характеризующаяся равномерным распределением энергии. Такие рефлекторы целесообразно применять при малой толщине красочного слоя и при печати на термочувствительных материалах.

Эллиптические рефлекторы имеют форму правильного полуэллипса и отражают около 75% излучения лампы. Они фокусируют излучение в узкой области под лампой и могут использоваться при сушке толстых красочных слоев и высокопигментированных или характеризующихся низкой реакционной способностью красок.

Рефлекторы с переменной геометрией нашли применение в сушильных устройствах для листовых офсетных машин, в которых сушка верхней части оттиска осложняется тенью от системы проводящих лист захватов.

Системы охлаждения

Помимо УФ­излучения и видимого света, ртутные лампы испускают тепловое ИК­излучение, основным источником которого является кварцевое стекло, поглощающее и преобразующее в тепло часть волн других диапазонов. Доля тепловых лучей в общей эмиссии лампы зависит от состава активной среды, размеров стеклянной колбы (чем она больше, тем больше тепла испускает лампа), а также наличия на стекле загрязнений, значительно увеличивающих нагрев лампы.

Тепло от лампы нагревает запечатываемый материал, увеличивая скорость полимеризации краски. Однако перегрев материала ведет к его деформации, что, как минимум, нарушает приводку краски. Поэтому при печати на термобумаге и термочувствительных пластиковых пленках доступ тепла к запечатываемому материалу должен быть минимизирован. Для этого служат системы охлаждения: для ламп — воздушные, а для рефлекторов — воздушные или водяные.

В системах воздушного охлаждения используются вентиляторы, которые либо нагнетают на лампу или рефлектор холодный воздух, либо отводят нагретый. Вентиляторы могут использоваться и для охлаждения запечатываемого материала. Следует отметить, что чем выше скорость печати, тем меньше нагревается запечатываемый материал, поскольку, во­первых, снижается время его нахождения в зоне сушки, во­вторых, полотно или листы во время движения естественным образом обдуваются воздухом и охлаждаются.

Для уменьшения количества тепла, попадающего на запечатываемый материал, используются дихроические рефлекторы и ИК­фильтры. Алюминиевые рефлекторы с дихроическим покрытием поглощают до 40% излучаемого лампой тепла и отражают УФ­лучи. ИК­фильтры представляют собой кварцевое стекло со специальным покрытием, отражающим около 50% ИК­лучей.

В последнее время стали также применяться водяные фильтры, представляющие собой  устанавливаемые между лампой и запечатываемым материалом емкости с дистиллированной водой, которая поглощает ИК­излучение. Существенный недостаток таких фильтров — поглощение ими значительной части длинноволнового УФ­излучения, что приводит к необходимости использования более мощных ламп. Вода в подобных фильтрах должна быть свободной от любых микроорганизмов, а также от минеральных добавок.

Также разработаны сушилки, в которых на запечатываемый материал попадает только излучение, отраженное зеркалом с дихроическим покрытием. Такие системы имеют очень низкий КПД и отличаются высокой стоимостью.

Следует отметить, что использование фильтров и дихроических рефлекторов снижает эффективность сушилки, поскольку они поглощают часть УФ­излучения. Например, ИК­фильтры поглощают до 10% УФ­излучения, поэтому их устанавливают при работе с термочувствительными материалами и удаляют при печати на бумаге.

Последним изобретением, позволяющим ограничить требуемую мощность УФ­излучения, является обдув оттиска в зоне сушки азотом, который способствует ускорению закрепления краски. Уменьшение мощности сушилки ведет к понижению выделения тепла.

В рулонных печатных машинах эффективным решением является охлаждение запечатываемого полотна с помощью холодных валиков (валиков с системой водяного охлаждения).

Для того чтобы при короткой остановке машины лампа не нагревала запечатываемый материал, УФ­сушилки оснащаются специальными заслонками из алюминия и керамики, которые закрывают лампу.

Перспективным способом повышения эффективности сушки является индивидуальное цифровое управление каждым сушильным устройством, которое позволяет устанавливать оптимальную мощность сушки, снижая расход энергии и повышая срок службы ламп.

Техническое обслуживание
УФ-сушилок

Для максимального использования мощности УФ­сушилки поверхности рефлекторов и ламп следует периодически очищать от накапливающихся на них пыли и грязи. УФ­сушилки следует чистить мягкими салфетками, смоченными в этаноле или изопропиловом спирте. Также необходимо регулярно менять фильтры в системе вытяжки воздуха и контролировать состояние труб подачи воды в системе охлаждения рефлектора и запечатываемого материала.

КомпьюАрт 11'2006