УФ-краски

Состав и механизм закрепления УФ-красок

Характеристики УФ-отверждаемых красок

Сушильные устройства

Достоинства и недостатки УФ-красок

Явление фотополимеризации — отверждение жидких веществ под действием УФ-излучения — известно науке с начала прошлого столетия. В промышленности фотополимеры стали использоваться с 40 годов, а в производстве печатных красок — с 70 годов ХХ века. Сегодня в результате совместных усилий производителей красок и производителей сушильного оборудования УФ-отверждаемые фотополимеризующиеся краски (далее — УФ-краски) завоевывают все новые сегменты рынка. Успех УФ-красок объясняется прежде всего их малым временем закрепления, высоким глянцем, хорошей физико-химической стойкостью и экологичностью.

УФ­краски разработаны для всех основных способов печати: листового и рулонного офсета, флексографии, высокой и трафаретной печати. В последнее время появились фотополимеризующиеся краски для тампонной и глубокой печати. Созданы и УФ­отверждаемые чернила для струйных принтеров. Кроме того, на рынке предлагается широчайший ассортимент УФ­лаков для отделки печатной продукции.

Широкоформатная рекламная продукция способами трафаретной, струйной и офсетной печати все чаще изготавливается с применением УФ­красок.

Состав и механизм закрепления УФ-красок¹

УФ­краски состоят из следующих компонентов:

• пигментов;

• олигомера;

• мономера;

• фотоинициаторов;

• корректирующих добавок.

Пигменты определяют колориметрические характеристик краски, а также ее стойкость к воздействию света, тепла и химических веществ.

Олигомер (преполимер) — вязкое вещество, основу которого могут составлять эпоксидные смолы, полиэфиры, уретаны и т.п., выполняет в УФ­красках роль связующего. Активные реакционноспособные группы олигомера обеспечивают сшивку полимера. От способности олигомера смачивать поверхности пигментов зависит когезионная прочность красочного слоя, которая, в свою очередь, влияет на величину краскопереноса. От характеристик олигомера также зависят адгезионная способность краски, эластичность и твердость красочной пленки, ее химическая стойкость.

Основу мономера составляют акрилаты. Мономер выполняет в УФ­красках роль разбавителя, поэтому от его процентного содержания в краске зависит ее вязкость и липкость. Помимо этого свойства мономера влияют на адгезию, скорость закрепления и физико­химическую стойкость красочного слоя. В процессе отверждения краски мономер полимеризуется вместе с олигомером.

Фотоинициаторы — вещества, инициирующие процесс полимеризации. От их содержания в краске зависит скорость ее закрепления.

Корректирующие добавки вводятся в краску с целью придания ей тех или иных дополнительных свойств, например для увеличения срока ее хранения, регулирования величины коэффициента скольжения красочного слоя, повышения его стойкости к истиранию.

УФ­краски закрепляются под воздействием УФ­излучения в результате фотохимической реакции. Процесс закрепления краски происходит следующим образом: под действием УФ­излучения фотоинициаторы распадаются с выделением так называемых свободных радикалов, которые инициируют сшивку олигомера и мономера по двойным связям. Процесс фотополимеризации начинается с поверхности красочной слоя и распространяется вглубь по мере проникновения УФ­лучей к запечатываемому материалу. В конечном итоге жидкая композиция, нанесенная на поверхность запечатываемого материала, отверждается.

Характеристики УФ-отверждаемых красок

Важнейшими печатно­техническими характеристиками красок являются их реология (вязкость и липкость), адгезия к запечатываемому материалу, а также скорость закрепления.

УФ­краски имеют более высокую вязкость по сравнению со спиртовыми, водными и масляными красками. Поэтому красочные аппараты офсетных машин рекомендуется оснащать краскомешалками, которые обеспечивают однородность краски и ее равномерное распределение по кипсейке. При слишком высокой вязкости и плохой текучести подача краски на печатную форму дестабилизируется. Для снижения вязкости в краску добавляется прозрачный мономер. Однако надо помнить, что при разбавлении мономером снижается насыщенность цвета краски, поэтому для достижения требуемой оптической плотности оттисков следует увеличить ее подачу.

УФ­краски характеризуются хорошей адгезией к большинству запечатываемых материалов. Проблемы с адгезией возникают, как правило, только при печати на материалах с низким поверхностным натяжением, например полиолефинах (полиэтилене и полипропилене). Улучшить адгезию УФ­краски к таким материалам можно путем обработки их поверхности коронным разрядом или нанесения на нее лака­праймера.

При нанесении на оттиск УФ­лака следует обратить внимание на его совместимость с краской. Не рекомендуется наносить УФ­лак на краски с нестойкими пигментами красного, пурпурного, родаминового, яркого синего и фиолетового цветов, так как при этом возможно изменение их колориметрических характеристик. Обязательным условием получения хороших результатов является хорошая адгезия лака к краске.

Скорость процесса полимеризации зависит от следующих факторов:

• мощности и спектрального состава УФ­излучения;

• толщины красочного слоя;

• концентрации фотоинициаторов в связующем;

• химического состава связующего (олигомера и мономера);

• цвета краски;

• содержания пигмента в краске;

• оптических характеристик и цвета запечатываемого материала.

Спектральный состав излучения ламп разного типа различен, поэтому очень важно, чтобы диапазоны наибольшей чувствительности фотоинициаторов и максимальной энергии излучения лампы были согласованы. Очевидно, что увеличение мощности лампы и концентрации фотоинициаторов в краске, а также уменьшение толщины красочного слоя ускоряют отверждение краски.

Реакционная способность связующего зависит от его химического состава, поэтому УФ­краски, предназначенные для печати на разных материалах, могут различаться скоростью закрепления.

Поскольку пигменты различных цветов в разной степени поглощают УФ­свет, цвет и концентрация пигментов оказывают влияние на скорость закрепления краски. Для того чтобы уравнять скорости закрепления красок одной серии, обычно регулируют концентрацию, а также диапазон чувствительности фотоинициаторов.

Белый запечатываемый материал отражает прошедшее через красочный слой УФ­излучение, убыстряя закрепление краски. Прозрачные же материалы пропускают свет, а темные — поглощают, поэтому краска на них сохнет медленнее, чем на белых.

Сушильные устройства

Сушильные устройства включают следующие основные узлы: лампу, рефлектор, систему охлаждения.

Лампы характеризуются двумя основными параметрами: типом и мощностью. В настоящее время в сушилках устанавливаются газоразрядные лампы, работающие в постоянном или импульсном режиме. Наиболее часто используются ртутные лампы, которые излучают примерно равное количество энергии в каждом из диапазонов УФ­спектра. Для корректировки спектра излучения в ртуть могут добавляться пары свинца, железа, кобальта, галлия, индия и других металлов.

Ртутная лампа представляет собой содержащую смесь инертного газа (чаще всего — аргона) и паров ртути трубку из кварцевого стекла, в которую герметично вмонтированы два электрода. При подаче на электроды напряжения, величина которого может достигать нескольких тысяч вольт, возникает дуговой разряд, сопровождающийся свечением смеси газов. Трубка из кварцевого стекла пропускает около 90% УФ­излучения, при этом она должна выдерживать температуру до 600­800 °С.

В настоящее время в сушильных устройствах устанавливаются лампы мощностью от 80 до 240­300 Вт/см. Срок службы лампы зависит частоты ее включения/выключения и от эффективности системы охлаждения. По мере эксплуатации ртутной лампы эмиссия излучения в УФ­диапазоне уменьшается. Одной из причин этого явления может быть помутнение кварцевого стекла. Замену ртутной лампы рекомендуется выполнять через 1500­3000 часов эксплуатации.

Паспортная мощность лампы дает лишь приблизительное представление о том, сколько УФ­излучения попадает на запечатываемый материал. Реальная мощность УФ­излучения зависит от целого ряда факторов, в том числе от конструкции и качества рефлектора. Непосредственно на оттиск направляется около трети УФ­излучения лампы; оставшиеся две трети попадают на рефлектор.

Рефлекторы УФ­сушилок, как правило, имеют покрытие из полированного или матированного алюминия, так как этот металл характеризуется одним из наибольших коэффициентов отражения УФ­излучения (90% против 60% у нержавеющей стали). Поскольку алюминий чувствителен к высоким температурам, его поверхность подвергается специальной обработке.

По форме рефлекторы делятся на параболические, эллиптические и с переменной геометрией. Параболические рефлекторы рассеивают свет, отражая лучи вертикально вниз. Их целесообразно применять при малой толщине красочного слоя и при печати на термочувствительных материалах. Эллиптические рефлекторы фокусируют излучение в узкой области под лампой и могут применяться 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.

Как уже было отмечено выше, при возникновении дугового разряда ртутная лампа сильно нагревается. Для того чтобы тепло от лампы не нагревало запечатываемый материал и элементы печатной машины, сушильные устройства оборудуются системой охлаждения. В современных сушилках, как правило, используются водяные системы, охлаждающие рефлектор и запечатываемый материал. Лампы обдуваются воздухом с помощью вентиляторов.

Для фильтрации теплового ИК­излучения лампы используются дихроические рефлекторы («холодные зеркала») или дихроические фильтры. Первые пропускают ИК­волны и отражают УФ­излучение, вторые устанавливаются между лампой и запечатываемым материалом и отражают ИК­волны и пропускают УФ­излучение. В последнее время стали также применяться водные фильтры — устанавливаемые между лампой и запечатываемым материалом емкости с дистиллированной водой, которая поглощает ИК­излучение. Существенный недостаток водных фильтров — поглощение ими части УФ­излучения, особенно диапазона С, что приводит к необходимости использования более мощных ламп. Вода в таких фильтрах должна быть свободной от любых микроорганизмов, а также минеральных добавок.

В процессе работы на элементах УФ­сушилки, лампах, рефлекторе и фильтрах, осаждаются пыль и грязь, снижающие коэффициент пропускания кварцевого стекла и фильтров, а также коэффициент отражения покрытия рефлектора. К тому же со временем частички пыли и грязи могут затвердевать под действием тепла от лампы. Для чистки УФ­сушилок следует использовать мягкие салфетки, смоченные в этаноле или в изопропиловом спирте. Также необходимо регулярно менять фильтры в системе вытяжки воздуха и контролировать состояние труб подачи воды в системе охлаждения рефлектора и запечатываемого материала.

Достоинства и недостатки УФ-красок

В заключение рассмотрим основные аргументы «за» и «против» внедрения УФ­красок в производство. Их основные достоинства:

• очень быстрое закрепление на оттиске;

• высокая химическая и механическая стойкость красочной пленки;

• хорошая адгезия к большинству запечатываемых материалов: бумаге, картону, пластикам, металлам;

• стабильность физических свойств в жидком состоянии;

• компактность УФ­сушилок;

• высокий глянец оттисков;

• одинаковая химическая природа красок для различных способов печати.

Способность УФ­красок закрепляться в течение долей секунды позволяет непосредственно после печати выполнять отделку оттисков (лакирование, тиснение фольгой, ламинирование и т.п.) или любые другие послепечатные операции. При этом не только сокращается время производственного цикла и повышается ритмичность производства, но и отпадает необходимость в дополнительных складских площадях для хранения оттисков после печати.

При использовании УФ­красок в листовых печатных машинах не возникает проблемы отмарывания и перетискивания, поэтому нет необходимости применять уменьшающий глянец оттисков и создающий проблемы при лакировании противоотмарывающий порошок.

Стабильность физических свойств УФ­красок, прежде всего их вязкости, значительно облегчает труд печатника: нет необходимости в постоянном контроле вязкости краски, не требуется частая смывка красочного аппарата, краску можно оставлять в красочном ящике на ночь. Отсутствие в УФ­красках летучих органических растворителей улучшает экологическую обстановку в печатном цехе ². Кроме того, стопроцентный «сухой остаток» обусловливает высокую насыщенность оттисков.

УФ­краски для различных способов печати имеют одинаковую природу и хорошо сочетаются друг с другом, что открывает новые возможности улучшения оформления продукции путем комбинирования различных печатных технологий.

Наиболее существенные недостатки УФ­красок:

• более высокая стоимость по сравнению с водными, спиртовыми и масляными красками;

• необходимость использования принудительной сушки;

• относительно невысокий срок службы УФ­ламп;

• необходимость использования специальных покрышек для валиков красочных аппаратов машин офсетной и высокой печати, специального офсетного полотна, также необходимость отжига офсетных форм;

• некоторые запечатываемые материалы под действием УФ­излучения выделяют неприятный запах.

Наиболее существенным из перечисленных недостатков, естественно, считается более высокая стоимость УФ­красок. Однако при сравнении цен обычно совершенно забывают о том, что УФ­краски не содержат летучих соединений. Если же сравнивать «сухие остатки» красок, то цены на них будут различаться лишь незначительно.

¹В статье рассматриваются только УФ-краски радикального отверждения.

²Дополнительным стимулом расширения использования УФ-отверждаемых красок становятся законодательные ограничения на использование летучих органических растворителей, вводимые в США и в некоторых европейских странах.

КомпьюАрт 7'2005