インク硬化乾燥技術の開発動向
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昨年のDrupaでは、枚葉オフセット印刷機の最高速度は1時間あたり20,000枚に達し、輪転新聞印刷機の最高速度は1時間あたり100,000枚に達しました。 これらの高速機を好む顧客は中国です。 印刷業界、特にタバコパック、新聞印刷工場。 印刷速度を上げることは印刷機自体に大きな可能性を秘めていると言えるが、インクの乾燥速度が開発のボトルネックになっている。 そのため、近年、インクの紫外線硬化型、熱乾燥型、速乾性インクに関する研究が盛んに行われている。 本稿はインクの乾燥原理から出発して、UV硬化と加熱乾燥光源の最新の開発と装置設計について議論した。
インクの乾燥と硬化の原理
印刷インキの乾燥は主に酸化結膜の乾燥、浸透乾燥、揮発性乾燥および放射線乾燥を含む。
1.酸化物結膜乾燥
このインクは、乾性油を含有し、油の分子構造中の不飽和脂肪酸が空気中の酸素と化学的に反応し、小分子の線状構造により高分子網目構造に重合して固形物を形成する。 この化学反応過程は酸化結膜が乾燥していると呼ばれています。
浸透乾燥
インキバインダーは、ガソリン、高沸点灯油などの鉱油を多く含んでいます。インキ中の鉱油が紙の多孔質繊維に浸透すると、顔料が紙の表面に固着して固体フィルム層が形成されます。これは浸透乾燥と呼ばれます。
揮発性乾燥
インクは、脂肪族炭化水素ロジンエステル、芳香族炭化水素溶媒、アルコール、ケトン、エステル溶媒などの揮発性物質を大量に含んでいる。 インクが印刷基材の表面に転写された後、溶媒が蒸発し、顔料が固定されて固体フィルム層が形成され、これは揮発乾燥と呼ばれる。
放射線硬化
放射線硬化は、化学的モノマーがポリマーネットワークに架橋されて固体を形成する化学反応であり、硬化速度は速く、形成されたフィルム層は硬くて光沢があるが、接着性は劣る。 現在一般的に使用されている３種類の放射線硬化方法がある。
（１）赤外線乾燥。 インクはキレート剤を含み、波長３〜３０μｍの中波長の赤外線を照射して重合反応を促進させることができ、発生した熱は溶媒の蒸発を促進させ、インクの乾燥を促進させる。 短波長、長波長の赤外線は、インクの乾燥を助長しません。
（２）紫外線（ＵＶ）硬化。 インクは、ベンゾフェノン（吸収波長２４０〜３４０ｎｍ）、２−チオキサントン（吸収波長２００〜４００ｎｍ）および他の誘導体などの光開始剤を含有し、光開始剤は２５０〜４２０ｎｍの範囲内にある。 紫外線の照射下で、不飽和二重結合開始樹脂は０．１秒未満で迅速に開くことができ、ポリウレタンまたはエポキシアクリレートのような架橋は固化されそして乾燥される。 ＵＶ硬化性インクは実質的に溶媒を含まない。
（３）電子線（ＥＢ）放射線硬化。 熱電子陰極管は高エネルギー放射電子ビームを放射し、放射の波長は陰極管エミッタを調節することによって選択されるので、放射に伴う可視光および赤外線はなく、それは完全に冷光源である。 電子線は高い有効放射線強度を有し、樹脂を直接重合させて固体にすることができる。 そのため、ＥＢインクにおいて光重合開始剤を省略することができる。 ＵＶインキ中の光開始剤は、電子線硬化インキとして作用するために除去されるかまたは少量添加される。
通常、印刷インキの乾燥は単一の乾燥方法ではないが、いくつかの乾燥が同時に起こる。 例えば、オフセットインキの乾燥は、酸化結膜乾燥によって主に引き起こされる酸化結膜、浸潤、揮発などである。 新聞印刷インキは、主に浸透圧乾燥です。 グラビアインキは主に揮発性で乾燥しています。
一般的なインク乾燥硬化装置
インク乾燥は多くの場合複合乾燥であるため、どのような乾燥装置が使用されるか、パラメータを設定する方法、およびエネルギーを節約しながら最高の乾燥効率がプリンターにとって最も重要な問題です。
1.赤外線乾燥装置
（1）光源 インクの乾燥には、中波長の赤外線の効果が最もよく、3種類の赤外線光源があります。
第一のタイプは電熱線放射源であり、一般的なタイプは非密閉抵抗線被覆石英ランプである。 ランプの熱放射強度は、光の波長の分布によって制御することができず、効率は低く、価格は低く、そして寿命は約２０００〜３０００時間である。
第２の種類の光源は、閉じた石英管内に抵抗線を配置することであり、管内の異なるガスを帯電させて放射光の波長分布特性を変化させることができ、同時にフィラメント内の酸素からフィラメントを分離することができる。空気、そして放射効率は高いです。 現在、ほとんどの輸入印刷機はそのような光源を備えており、寿命は5,000〜10,000時間です。 しかしながら、放射エネルギーの大部分は、可視光および遠赤外線に分布し、中波赤外線はそれほど豊富ではない。
第３のタイプは電熱半導体発光管である。 形状はセラミックチューブの外側にコーティングされた赤または灰色のつや消し半導体材料で、チューブの内壁は抵抗線の周りに巻かれています。 電気放射は半導体材料の放射を誘導するために使用され、ランプが点弧されると光は暗赤色または黒色である。 半導体材料を選択することによって放射エネルギーの波長分布を変えることができ、放射効率は極めて高い。
（2）赤外線ランプ反射板。 現時点では、2種類の一般的なものがあります、一つは180度前後の金属膜でコーティングされている金メッキ反射板です、金属膜は90％までの赤外線効率を反射します。 もう1つは楕円形または図形の形をしたアルミニウムまたはアルミニウムの板です。図2に示すように、ランプがランプシェードに近いほど、反射効率が高いほど、最高の反射率は85％に達します。
（3）赤外線ランプの放熱 赤外線ランプの表面は吹付け法によって冷却することができ、空気量はランプの赤外線出力に影響を及ぼさない。 赤外線ランプによって放射されたエネルギーの約1％だけが紙とインクによって吸収され、残りのエネルギーは完全に熱に変換され、温度が機械の周囲で上昇する原因となるので、それは屋外またはリサイクル
（4）適用範囲 赤外線ランプは、赤外線インクの乾燥に使用されます。 非特殊赤外線インクの乾燥効率は非常に低く、一部のインクでは機能しません。 赤外線は浸透力を有し、特に厚いインク層印刷およびワニス乾燥の適用において、インクフィルムの上層および下層を同時に乾燥させ、インクの浸透を促進し、そして結膜の酸化を促進することができる。 オフセット、エンボス加工、スクリーン印刷、印刷インキ、フレキソ印刷インキおよび溶剤含有量の少ない水性ニスの乾燥効果は非常に優れています。
熱風乾燥装置
（1）熱源 熱風を発生させるための熱源は3種類あります。ステンレス鋼、石英ガラスなどの電気熱風ダクト、およびセラミックシェルの熱風ダクト。 高温オイルパイプ、高温オイルはパイプを通して空気を加熱して熱風を発生させます。 高温蒸気管はボイラーを通して高温蒸気を発生させて熱風を発生させる。 。
（2）熱風装置。 熱源の周囲の空気はファンによって加熱されてインクの表面に吹き付けられ、熱風の方向と紙の走行との間の角度が調整されて熱風乾燥の効率が改善される。
紙に対する熱風の速度が速ければ速いほど、紙の表面上の蒸気圧を下げ、溶媒の蒸発速度を上げることがより良い。 風向を調整することは、風向が紙の走行速度に影響を与えるようにし、それは乾燥をより助長する。 熱風ダクトの風速は必要な速度より遅くてはいけません。 さもなければ、ダクトの表面での熱放散がチューブを焼き尽くします。 風速の間にエネルギーがいくらか失われるので風速は高すぎてはいけません、そしてファンの圧力と風量を適切に選択することによって最適な乾燥効果を達成することができます。
（3）適用範囲 プラスチックグラビア、フレキソ印刷インキ、溶剤系ワニスの乾燥に適しており、水系インキやワニスの乾燥を促進することもできます。
3.UV硬化装置
（1）光源 一般的に使用されている高圧水銀ランプとメタルハライドランプ。 高圧水銀ランプは水銀原子によって励起されて連続スペクトルを形成し、それはランプ管内の水銀含有量を調整するので、硬化部分での放射波長は254〜420 nmであり、紫外線は豊富である。 メタルハライドランプは、水銀ランプに添加されたガリウムや鉄などのメタルハライドであり、水銀の励起条件下で放射線が励起される。 ＵＶランプがより多くのインクを吸収し、それを吸収するように、異なる金属をインクの吸収スペクトルの差に従って添加することができる。 光波は硬化効率を改善する。
メタルハライドランプは、極めて低い不純物含有量および高い純度の電極材料を有する。 従って、製造工程は複雑で、困難でそして高価である。 現在、中国では高品質、高出力のメタルハライドランプを製造することはできません。 市場の既存のものはアメリカンフュージョン、ドイツのIST、Yanqiのような会社の製品、日本です。 １６０Ｗ ／ ｃｍの電力密度を有するランプは２０００時間までの寿命を有しそしてランプヘッドは黒くない。 4000時間後も50％の放射輝度に達することがあります。
（2）冷紫外線光源。 UVランプが点灯すると、その内部温度は600〜1000℃に達するはずです。 ランプ内部の温度が低すぎる場合や風速が高すぎる場合は、ランプが消灯するため、「冷たい光源」は実際には存在しませんが、ランプ冷却システムを使用できます。
（3）マイクロ波UVランプ。 これはFusion Companyの新製品です。 ランプの長さは6インチで、両端に金属製の電極はありません。 マイクロ波は、ランプ内のマイクロ波を吸収して熱を発生させる分子の高速運動を刺激し、次に水銀、金属ハロゲン化物および他の物質を励起させて発光させる。 アルミニウムはマイクロ波を反射するのに適した材料です。 マイクロ波源は、無電極ランプにおける水銀またはメタルハライドルミネセンスの誘導に焦点を合わせて、楕円形アルミニウムランプシェード上にマイクロ波を放射する。
マイクロ波ランプの特徴は次のとおりです。
1波長分布特性で調整可能な放射強度、最適な放射波長を選択して、インキが希望する硬化効果を達成するようにします。
2ランプには電極がないため、電力密度が300W / cmの場合、寿命は5000時間に達することがあり、スイッチはランプの寿命に影響を与えません。
3マイクロ波源は制御が簡単なので、マイクロ波ランプは頻繁に起動することができますが、マイクロ波もスタンバイ状態（動作状態を維持）になり、この状態でのみクイックスタートが可能です。 スクリーン印刷ディスクおよび自己接着印刷はほとんど間欠印刷であるため、この機能は光ディスクおよび自己接着印刷機での使用に適しています。
4マイクロ波ランプのUV硬化セクションは、スペクトルが豊富で、赤外帯域が少ないため、マイクロ波放射温度は低くなります。
5マイクロ波ランプは電極がないので、ランプチューブを交換するのに便利で、配線は不要です。
6電極が外れないため、ランプの端が黒くなることはありません。
7マイクロ波伝送モードの制限により、マイクロ波管の最大長は6インチです。 チューブの接続は硬化幅を広げることができます。 チューブのギャップが小さいので、ドッキングポイントは硬化効果に影響しません。
8マイクロ波ランプはもっと高価です、6インチ硬化装置のセットは約50,000元です。 現在、国内市場は主に、インクジェット印刷、ケーブル、パイプ、フレキシブル包装などのインクジェットプリンタに適したUVインクの硬化に使用されています。
9マイクロ波ランプの照明材料は通常のUVランプと同じで、放射波長分布も同じなので、特別なインクは必要ありません。
（4）UVランプ反射板設計。 科学的に反射材料を選択し、反射構造を合理的に設計することで、硬化効果を2倍にしてエネルギーを節約することができます。 純アルミニウムの酸酸化によって形成されたアルミニウム結晶は、ＵＶ光に対して９０％の反射率を有し、一方、酸化処理なしのアルミニウム光は、６０％未満のＵＶ光効率を反射する。 紫外線に対するステンレス鋼の反射率は６０％未満である。 そして半導体コーティングによる紫外線の反射率は94％ですが、コストはより高くなります。 同時に、赤外線および可視光線はメッキ層を通過して反射体の表面に到達し、冷却装置を通って放出される。
反射器設計の開発動向は、開口および高さの変化、すなわち断面積が小さくなり、反射経路が短くなり、長い経路長による光強度の損失が減少することである。 さらに、反射板の上部と反射板が元の上部通気口のデザインを変更するため、図4に示すように、管の上部の放射エネルギーが紙に反射されます。ランプカバーが小さく、ランプの壁から反射面までの距離が長すぎるため、リフレクタの温度が高すぎ、上部リフレクタの風抵抗がランプカバーの放熱に影響します。 解決策は、冷たい水のカバーを使用するか、または放熱量を増やして冷却空気の経路を適切に設計することです。
高度硬化装置の紹介
マイクロ波ＵＶ硬化装置
この装置の特徴は、マイクロ波伝送チャネルの必要性のために、ランプは大容量であり、一般にユニット型フレキソ印刷機、グラビア印刷では枚葉オフセット印刷機の送出チャネルに設置されるべきではないことである。機械、テーブルおよび自己接着印刷。 機械は使用に適しており、光ディスクおよびインクジェット印刷システムも機器に適していますが、高価なため、印刷工場はほとんど使用されていません。
2.高出力密度紫外線硬化装置
日本で製造された電極ＵＶランプは２４０〜３００Ｗ ／ ｃｍの出力密度を有し、これはフォーム印刷ユニットにおけるＵＶ銀ペーストの回転印刷の硬化に使用することができる。 American McAndyフレキソ印刷機のUVランプ出力密度 それは４００Ｗ ／ ｃｍに達しそして硬化速度は１５０ｍ ／分である。 Ｆｕｓｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙのマイクロ波ランプ電力密度は４００Ｗ ／ ｃｍである。
高出力密度ＵＶ硬化装置は、硬化速度を速めるだけでなく、厚いＵＶインク層および粗い紙の上のＵＶインク下層の完全な硬化も容易にする。 さらに、ＵＶランプの出力密度を増加させると、ＵＶインクの感度が低下し、光開始剤の含有量が減少し、それによってＵＶインクの安定性および感度が向上し、保管および輸送が容易になり、価格が下がる。
3.水冷UV硬化システム
印刷装置の設計概念の発展により、印刷機の構造はよりコンパクトで美しくなり、そしてより大きなＵＶ硬化空気冷却通路はもはや要求を満たすことができない。 したがって、そのような印刷機は一般に水冷式紫外線硬化装置を使用する。 例えば、輸入された多色オフセット印刷機の紫外線乾燥システムは水冷式であり、衛星自己接着印刷機も水冷式紫外線システムを備えている。
筆者は、印刷工場で、インクの乾燥と硬化のプロセスに多くの不合理な現象があり、その結果大量の電気エネルギーが無駄になることを発見しました。 例えば、いくつかの硬化装置は、値段は安いが科学的ではないが、効率は非常に低い。 一対のグレージング機の速度は、毎時3,000枚以下です。 3本の10 kW UVランプが使用されています。 12kWのランプを使用することができます。 例えば、ユニット型印刷機の前後のユニット硬化システムの電源が無理であり、印刷速度が遅くなる。 そして多くの製造業者は、電気代を無視して、設備のコストだけを考慮しています。 上記の問題に対応して、印刷会社は硬化装置を選択する際に多くの側面を考慮する必要があります。