揭開紫外光固化神秘面紗

    作者：Richard W. Stowe(美國FUSION紫外系統公司,馬裏蘭州Gaithersburg市)

　　對于絲網印刷來說，紫外光固化油墨和固化技術有利也有弊。它的好處衆人皆知。紫外光固化速度快捷並不需使用溶劑，因此它的應用領域非常廣泛，令人難以置信。例如光盤行業，自誕生之日起就使用紫外光保護膠塗層和裝飾印刷。作爲100%的“固態”油墨，紫外光固化油墨不會排放VOC（即揮發性有機化合物，易于適應環保法規），也不會像揮發性（溶劑和水基）油墨或塗層因變幹或發生粘度變化而堵塞絲網。而它的缺點則在于紫外光油墨不能像常規油墨那樣被印刷或固化。例如，如果第一遍印刷時油墨沒有完全幹固，你問絲網印刷人員該怎麽處理？答案可能是重印一遍或降低印刷速度。不幸的是，這些對于傳統揮發性油墨非常適用的想法卻對紫外光固化不利，這種作法很可能會烤壞你的承印物，給你帶來麻煩。請記住，你是在與紫外光打交道，它具有一定的光學特性，也就是說你得與焦距和波長打交道。這樣的奇特情況是紫外光固化具有一些神秘感的原因。這也是我們將在此文中討論的主要內容，以及如何有效利用光線達到附著性和極好的表面固化效果。 另一種語言？

　　術語令其更具神秘感。如果我們想搞懂紫外光燈的工作原理，我們不能避免提到光譜分布和峰值輻射這些術語。絲網印刷的人員很少知道或使用這些術語，但它們對于正確地固化卻十分關鍵。然而，這些術語以及其它使人困惑的有關紫外光的術語所表述的概念並不像它們聽上去那麽複雜。許多固化問題産生的原因在于我們沒有充分利用紫外光固化內存的一些關鍵要素。在本文中我們將用通俗的語言談談這些要素。 基本配方　　任何紫外光固化物質都由低聚體和單體這樣的成分構成——簡單地說，就是大分子和小分子構成其基本配方。大體上可以把它們比喻成傳統油墨中的樹脂和溶劑，區別在于前者在固化過程中發生交聯，形成一種固態物質。這些混合物還可包含許多添加劑。對于絲網印刷來說，最明顯的添加劑當然是顔料。只有當我們添加了關鍵的成分“光引發劑”後，這種化學混合物才能進行紫外光固化。當光引發劑暴露在紫外光下時，這種混合物從液態轉化爲固態。許多人並不知道但又相當重要的是，必須要使用正確的紫外光源。

    關鍵成分

　　光引發劑是唯一直接受紫外光影響的成分。當光引發劑吸收紫外光後，反應被觸發了。光引發劑敏感性非常高，這解釋了爲什麽紫外光固化速度如此之快。事實上，只需一個紫外光光子（再次說明，是正確的紫外光源）擊中光引發劑分子，這就足以“激發”這個分子開始固化反應。要記住，光引發劑分子均勻稀薄地分布于整個混合物中。要讓紫外光穿透混合物，而抵達表層之下的光引發劑分子，尤其是位于油墨和基材之間粘著點的光引發劑分子，這並不總是很容易做到的。對于油墨而言，情況更是如此。

    光線中的光

　　我們先來看看紫外光的特性。最好的理解方式是從我們更爲熟悉的事物著手，即我們感知爲色彩的可見光。絲網印刷人員天天與色彩打交道，非常清楚我們所看見的不同色彩實際上是由某些波長的光線生成的。

　　我們大多數人都熟悉色譜，知道它是所謂電磁波頻譜的一部分（參見圖1）。所有的光線——紅外線、可見光和紫外線——在物理上是類似的，差別在于波長。波長通常用納米（nm）來表示。有意思的是，在可見光中（大約450~750nm），紅光與藍光的差別僅在于波長，然而人眼的感受卻相當不同。因此當我們討論紫外光的範圍時（200~450nm），我們得放棄我們將紫外光看成是一種“不可見的但又像藍色之類”的模糊概念。雖然我們看不到紫外光，在整個紫外光波長範圍內，也有類似于可見光那樣的藍、綠、黃、橙和紅之分。正如可見光譜一樣，紫外光光譜也有一系列的波長。當不同的紫外光光引發劑暴露于紫外光之下時，它們對不同波長的紫外光産生反應。我們不久就會發現爲什麽這一點是非常非常的重要。

    光源探索

　　紫外光燈本身有一個燈管 ——實際上是一個透明石英管並常常含有少量的水銀和一個反射罩。盡管燈管激發方式不同（參見本文後面的弧光或微波部分），總的工作方式是相同的：給水銀施加能量令其加熱並迅速蒸發。當燈管達到它的工作溫度時，水銀蒸汽變成等離子體並發散出離子化水銀特有的波長光線 —— 即有紫外光也有可見光。　　此時，常識告訴我們，要讓這些光子穿透紫外光固化材料並進行充分的固化，我們需要生産大量的光子。我們的確，也發現抵達油墨表面的光量取決于紫外燈的許多因素。

　　首先，燈管的輸出功率是很重要的。這通常用瓦特/英寸（W/in）來表示。不幸的是，盡管W/in 能顯示燈管的“馬力”等級，它卻一點也說明不了燈的實際性能怎麽樣。我們需要知道的是燈的效率如何。在圖2中，注意三個6KW燈管的電力輸入是一樣的，但D燈（圖2b）的輸出優于其他燈。從實際角度來說，選擇那種將輸入電力轉換成輸出最大有效紫外光能的燈管——以最有效的波長方式—— 在進行紫外光固化時是最有效的。

    水銀 – 紫外固化的信使電功率並不是唯一要考慮的問題。圖2a中的H燈柱狀圖顯示的是汞燈發射的紫外光譜。這些柱狀圖顯示了紫外光範圍內（450~200nm）每10nm爲一個波段的能量輸出值。這種表征燈管輸出光譜的分布“圖”，簡單地切分出每一波段內所發射的輻射能量。注意，這只燈管並不産生整個紫外光光譜範圍內的紫外光。事實上，僅依賴水銀輸出紫外光的燈管在長波長有一個很好的輸出高峰值， 但在極大程度上它的最強輸出在220到320nm之間的短波長。我們不久就會發現爲什麽這兩個區段對固化很重要。

　  現在，我們暫時返回紫外光固化物質，讓我們選擇一種透明的清漆或光油。說它透明，這其實是錯誤的。事實上，所有的紫外光固化物質都吸收短波長紫外光並阻止其穿越。這可能是紫外光固化最被人忽略的地方。從過去的情況來看，這導致人們誤以爲紫外光固化只適合于非常薄的塗層。從某種意義上講這也沒說錯，因爲多年來我們使用唯一工具是普通汞燈。

    長波和短波紫外光

　　可以在紫外燈管中添加物質而成爲有時被稱爲“摻雜”或添加式燈管。被添加的物質也能被蒸發並達到等離子狀態。紫外光一部分來自水銀，一部分來自這些添加物。但添加物發射其特有的波長。從圖2b和2c的D燈和V燈光譜分布圖表中，我們可以看出添加物能改變燈管的輸出。D燈在350~400nm範圍的輸出強。它也發射部分短波長紫外光，但在有時稱作紫外“UVA”波段的範圍內非常有效（有時候把紫外光波長分爲“A”，“B”和“C”三個波段）。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。因爲這種分類並不是很准確，我更願意用長波、中波和短波來區分。

　　V燈添加了別的物質，它仍然發射短波，但不是很多。但它在400~450nm範圍內有非常強、非常有效的輸出。人們可設計出在長波、中波或短波有強輸出的不同的紫外燈管。然而卻不能設計出在所有波段都有效的紫外燈管，而且這也不是我們所希望的，因爲不能激活光引發劑的波段內的紫外光能是無效的、被浪費的能量。選擇特定燈管的主要原因在于它所發出的紫外光能避免被待固化物質吸收，但其波長又能激活光引發劑。 合意的“視點”

 　 現在，讓我們來談談對特定波長紫外光反應的光引發劑。在圖3中，我們看到光引發劑（此例中爲苯甲酮）的吸收曲線有幾個“高吸收點”——所有光引發劑都如此。對于光引發劑來說，紫外光吸收率是其光活性的一種表征方式。表層處的短波長吸收性很重要，而在待固化物質的深層對長波長的反應應該很有效，因爲短波長已經被表層吸收了。因此，短波紫外光對表層固化更有影響。因爲待固化物質的吸收阻止了短波長紫外光，長波段紫外光對深層固化及附著力就至關重要了。 如果我們僅需對含苯甲酮光引發劑的清漆進行固化，H燈或僅含水銀的燈管（如圖2a）就很適合。因爲光引發劑的光譜吸收曲線與該燈管的發射光譜分布非常吻合。 色彩與固化我們如果添加顔料會發生什麽呢？還記得我們曾把顔料比喻成“岩石”嗎？在圖3中，我闡述了藍色顔料的紫外吸收性，它對短波長和中波長的紫外光吸收性都較高，只對非常長的波長才不吸收。相應地，這種光引發劑對清漆很適合，但對油墨卻不適合。這也是爲什麽大多數絲網印刷油墨使用長波長（350~400nm）光引發劑的原因。圖4說明了在含有顔料的膜層深處，紫外光能量因被吸收而衰減強烈，短波長紫外光幾乎沒有了，只有長波長紫外光能抵達底層。

　　因此，絲網印刷油墨具有很高的光學厚度。光學厚度不應與塗層的厚度相混淆。事實上，厚厚一層清漆的紫外光吸收性低（具有低光學厚度），可能比薄薄一層高吸收性的油墨（具有高光學厚度）更容易被固化。這是因爲油墨的構成成分對短、中和長波長紫外光能的吸收率是不一樣的。這表示油墨可能對某些波長來說具有高光學厚度，而對另一些波長具有較低光學厚度。爲說明吸收性的效果，讓我們想象將油墨膜層切分爲均勻的100層。抵達頂層和底層的紫外光能相差很大的。例如，紫外清漆（沒有顔料）的吸收性低，或具有低光學厚度。其頂部和底部所吸收的“紫外光強度”之比爲3比1，事實也通常如此。現在，如果2/3的光子不能抵達清漆的底層，那麽我們再加入顔料會發生什麽呢？事實上，頂層和底層所吸收的能量比例能達到幾百比一（或更高）。只有那些不容易被頂層吸收的光子才能抵達底層。

    針對油墨進行修改

　　當油墨必須添加很多顔料時，油墨制造商常常只好提供對大部分紫外光都具有光學厚度的油墨。因此，在我們先前的藍色油墨說明中，我們可以看出水銀汞燈不能很好固化絲網印刷油墨，而更多地需要使用摻雜燈管，例如D燈。這說明了爲什麽大多數絲網油墨制造商要使用長波長光引發劑。（嚴格的配方師會根據顔色而調整光引發劑的濃度，達到良好的色彩匹配性能。）

    白色怪物

　　現在，在圖5中，“繪制”出了二氧化钛與衆不同的紫外光吸收特性，二氧化钛是典型的常用白色顔料，它吸收幾乎所有的紫外光並反射可見光。這使得白色難于用紫外光進行固化。白色物質有一個“窗口”，大約在400~430nm。如果我們使用長波長的V燈，這種燈在這個窗口範圍內很有效，因此我們就能成功地固化白色油墨。這就是我們爲什麽要花大量篇幅說明燈管光譜分布與紫外固化物質吸收性相匹配的原因。 聚焦紫外光固化還有許多有待揭開的神秘：與燈管輸出效果和光譜分布同樣重要的是，燈管的焦距與反射罩的作用。

　　此刻，我們得將燈管發射的輻射能量與抵達工件表面的能量區別開來。可瞬間抵達表層的光稱爲輻照。輻照常常不准確地稱爲“強度”。下面對輻照與輻射作一個區別：用燈管來照亮牆壁。當燈管從牆壁處移開時，燈的輻射沒變，但對牆壁輻照減少了。（你會發現，如果你不清楚我們談論的是燈管強度還是到達表面的強度，那就可能造成混淆。）

　　精確使用反射罩能在不增加燈管輸入功率的情況下增加工件表層的輻照。能量最聚集的那一點就是最高或峰值輻照所在的點。

　　圖6闡述了反射罩將能量聚集在工件表面上。一些未聚焦的光線也能抵達表層，但它對油墨固化的效果不如聚焦的光線。用作說明的是一種橢圓形反射罩，它具有大約75%的能量收集效果（參見下問有關反射罩的內容）。換句話說，燈管發出的75%的能量將被反射罩收集並聚焦。 保持聚焦　　在焦距之外，增加燈管與工件表層之間的距離會降低峰值輻照。類似地，將工件表層置于焦距以內也會降低峰值輻照。在不增加輸入功率的情況下，當燈管直徑越小，反射罩反射效率越高，反射罩收集效率越高時，輻照越大。 表1：各種燈管固化速度比較 燈管　　固化速度：m/min　　劑量：J/cm2　　速度/劑量比 9mm，橢圓（µ波），120W/cm　　21.2　　140　　151 23mm，橢圓（弧光），120W/cm　　13.6　　200　　68 23mm，抛物線（弧光），120W/cm　　12.1　　190　　64 　　爲了了解峰值輻照的效果，表1比較了三個120W/cm燈管在不同的傳輸速度下，作用在聚碳酸酯基材上的黑色絲網印刷油墨（390目）。它們的不同表現說明了什麽呢？噢，好像有點不對哦，因爲輻射劑量最高的燈管卻不是固化速度最快的燈管。事實上，輻射劑量最低的燈管固化速度最快！如果我們看一看最後一檔內容：速度劑量比，我們會發現最小直徑（9mm）的燈管表現優于其它兩個燈管。這是因爲橢圓形反射罩能收集和聚集更多的發自小燈管的光線作用于工件表面，峰值輻射更高。爲什麽它的固化效果最好呢？我們從比爾法則那兒找到了解釋。這個法則的基本意思是膜層表層未被立刻吸收或反射的光線會被傳送到更深的層次。輻射越高，那麽固化深度越好。

    關于反射器

　　紫外光燈反射器的功能部分主要由鋁制成，因爲鋁是唯一能夠反射整個200~450nm波段紫外光的材料。鋁外面有一個硬質保護塗層。反射器(跟鏡子反射可見光一樣)，將燈光反射到工件表面，以增加該表面獲得的總體能量。目前大多數紫外光燈使用橢圓形反射器，原因很簡單：在所有的反射器中，這種外形能夠提供最多的前向反射能量。抛物線形反射器會將光線分散到工件表面的一塊較大的面積上，所以這種反射器的收集效率不是很高，但是制造得好的橢圓形反射器能夠達到75%的收集率，也就是說紫外光燈的75%的反射能量被集中在工件表面(其余25%的能量已經直接輻射到該工件表面)，並且對固化基本沒有什麽影響。 固化難關　　我們用一種黑色的汽車玻璃絲網印刷油墨（它以難固化聞名）來做一個有趣的關于固化深度，以及輻照是如何影響固化深度的演示。用兩只D燈來固化油墨，這兩只燈僅僅在輻照上有差別，一個燈的輻照是另一個燈的兩倍。使用第一個燈照射一次達到的固化深度是一密耳（mil）。再次照射並不能顯著增加其固化深度。而另一個燈能發出兩倍的輻射，它只照射一次達到的固化深度是前一個燈兩次照射達到深度的兩倍，盡管兩者的輻射劑量是一樣的。這裏，我們應該清楚所說的輻射劑量指的是什麽。劑量就是輻照乘以時間，或者累積的光能。放慢帶速，劑量增加了，加快帶速，劑量減少了。如果油墨暴露在燈管下的時間越長，油墨表層接收到的劑量越高，但輻照並不是越高。（我們將發現增加劑量不但沒什麽幫助，反而有害于熱敏感性的基材）。

　　第二個燈管再照射一次——劑量加倍了——但並未顯著增加固化深度。由此我們認識到通過多次暴光來增加劑量並不是令光子穿透油墨抵達底層光引發劑的有效方法。固化深度更受峰值輻射而不是劑量的影響。

　　這個事實有幾個實用意義。正如我們注意到的，更高的燈管輸出（不一定是W/in功率更高）、選擇有效輸出紫外波長合適的燈管以及更小直徑的燈管都能顯著增強輻照。多次照射、多燈逐一照射以及降低帶速能增加劑量，但對增加輻照沒什麽意義。 已固化油墨的固化　　所有這些對于從事多色印刷人員來說具有重大意義。請再一次注意，D燈和V燈的短波長輸出明顯低于H燈或水銀汞燈（圖2）。用H燈來固化黑色油墨會使紫外能量集中于表層，而固化深度卻不足。在多次照射方式下，紫外能反複集中照射在表層上，而深層的附著面卻收到很少的能量。用H燈多次照射後，油墨表層會硬化和脆化（過度固化），這對于套印油墨膜層來說尤其不好，其深層膜層只接收到很少的照射。由此而知，增加劑量是災難性的。但對于D燈和V燈來說，它們的能量主要集中于長波段，而在中波和短波段分布較少。因此，應用該型燈管可以減少固化時間（減少暴光時間）並保證長波段紫外光最大限度地透過油墨底層。

　　在本文中，主要談及燈管波長、聚焦問題以及如何使用它們在不烤焦表層的情況下達到可接受的附著性。但在現實世界中，絲網印刷人員必須同時控制好多個固化要素。除了附著性外，還有膜層外觀、靈活性與持久性、抗汙性等等，每個方面都有其自己的表層與深層問題以及獨特的加工範圍。