揭开紫外光固化神秘面纱

    作者：Richard W. Stowe(美国FUSION紫外系统公司,马里兰州Gaithersburg市)

　　对于丝网印刷来说，紫外光固化油墨和固化技术有利也有弊。它的好处众人皆知。紫外光固化速度快捷并不需使用溶剂，因此它的应用领域非常广泛，令人难以置信。例如光盘行业，自诞生之日起就使用紫外光保护胶涂层和装饰印刷。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。例如，如果第一遍印刷时油墨没有完全干固，你问丝网印刷人员该怎么处理？答案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你的承印物，给你带来麻烦。请记住，你是在与紫外光打交道，它具有一定的光学特性，也就是说你得与焦距和波长打交道。这样的奇特情况是紫外光固化具有一些神秘感的原因。这也是我们将在此文中讨论的主要内容，以及如何有效利用光线达到附着性和极好的表面固化效果。 另一种语言？

　　术语令其更具神秘感。如果我们想搞懂紫外光灯的工作原理，我们不能避免提到光谱分布和峰值辐射这些术语。丝网印刷的人员很少知道或使用这些术语，但它们对于正确地固化却十分关键。然而，这些术语以及其它使人困惑的有关紫外光的术语所表述的概念并不像它们听上去那么复杂。许多固化问题产生的原因在于我们没有充分利用紫外光固化内存的一些关键要素。在本文中我们将用通俗的语言谈谈这些要素。 基本配方　　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。只有当我们添加了关键的成分“光引发剂”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，这种混合物从液态转化为固态。许多人并不知道但又相当重要的是，必须要使用正确的紫外光源。

    关键成分

　　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（再次说明，是正确的紫外光源）击中光引发剂分子，这就足以“激发”这个分子开始固化反应。要记住，光引发剂分子均匀稀薄地分布于整个混合物中。要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，这并不总是很容易做到的。对于油墨而言，情况更是如此。

    光线中的光

　　我们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。

　　我们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。有意思的是，在可见光中（大约450~750nm），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。因此当我们讨论紫外光的范围时（200~450nm），我们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。当不同的紫外光光引发剂暴露于紫外光之下时，它们对不同波长的紫外光产生反应。我们不久就会发现为什么这一点是非常非常的重要。

    光源探索

　　紫外光灯本身有一个灯管 ——实际上是一个透明石英管并常常含有少量的水银和一个反射罩。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，常识告诉我们，要让这些光子穿透紫外光固化材料并进行充分的固化，我们需要生产大量的光子。我们的确，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。这通常用瓦特/英寸（W/in）来表示。不幸的是，尽管W/in 能显示灯管的“马力”等级，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。

    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（450~200nm）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。我们不久就会发现为什么这两个区段对固化很重要。

　  现在，我们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。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，因为多年来我们使用唯一工具是普通汞灯。

    长波和短波紫外光

　　可以在紫外灯管中添加物质而成为有时被称为“掺杂”或添加式灯管。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350~400nm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“UVA”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320~400nm或300~450nm。紫外“B”波段常常指280~320nm，而紫外“C”波段指200~280nm。因为这种分类并不是很准确，我更愿意用长波、中波和短波来区分。

　　V灯添加了别的物质，它仍然发射短波，但不是很多。但它在400~450nm范围内有非常强、非常有效的输出。人们可设计出在长波、中波或短波有强输出的不同的紫外灯管。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原因在于它所发出的紫外光能避免被待固化物质吸收，但其波长又能激活光引发剂。 合意的“视点”

 　 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。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，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。 色彩与固化我们如果添加颜料会发生什么呢？还记得我们曾把颜料比喻成“岩石”吗？在图3中，我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（350~400nm）光引发剂的原因。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，让我们想象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，事实也通常如此。现在，如果2/3的光子不能抵达清漆的底层，那么我们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。

    针对油墨进行修改

　　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墨。因此，在我们先前的蓝色油墨说明中，我们可以看出水银汞灯不能很好固化丝网印刷油墨，而更多地需要使用掺杂灯管，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。）

    白色怪物

　　现在，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。白色物质有一个“窗口”，大约在400~430nm。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，因此我们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谱分布与紫外固化物质吸收性相匹配的原因。 聚焦紫外光固化还有许多有待揭开的神秘：与灯管输出效果和光谱分布同样重要的是，灯管的焦距与反射罩的作用。

　　此刻，我们得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”。下面对辐照与辐射作一个区别：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，如果你不清楚我们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（参见下问有关反射罩的内容）。换句话说，灯管发出的75%的能量将被反射罩收集并聚焦。 保持聚焦　　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　　固化速度：m/min　　剂量：J/cm2　　速度/剂量比 9mm，椭圆（µ波），120W/cm　　21.2　　140　　151 23mm，椭圆（弧光），120W/cm　　13.6　　200　　68 23mm，抛物线（弧光），120W/cm　　12.1　　190　　64 　　为了了解峰值辐照的效果，表1比较了三个120W/cm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？噢，好像有点不对哦，因为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个灯管。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送到更深的层次。辐射越高，那么固化深度越好。

    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200~450nm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)，将灯光反射到工件表面，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前向反射能量。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件表面)，并且对固化基本没有什么影响。 固化难关　　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。放慢带速，剂量增加了，加快带速，剂量减少了。如果油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令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。 已固化油墨的固化　　所有这些对于从事多色印刷人员来说具有重大意义。请再一次注意，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，它们的能量主要集中于长波段，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（减少暴光时间）并保证长波段紫外光最大限度地透过油墨底层。

　　在本文中，主要谈及灯管波长、聚焦问题以及如何使用它们在不烤焦表层的情况下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，每个方面都有其自己的表层与深层问题以及独特的加工范围。