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油墨干燥技术及应用

时间:2006-09-17 13:52:32来源:科印传媒《印刷技术》作者:齐福斌

  为了保证多色印品正常的湿压湿叠印,除了对印刷色序和油墨黏度有要求外,有时还要求各色组间配备干燥装置。为了保证收纸正常和印后加工时避免蹭脏,在最后一个印刷机组的后边,有时需要增加干燥装置。
  油墨干燥主要有物理干燥和化学干燥两种方式。物理干燥是将油墨中液态连结料通过挥发和渗透到承印材料中,将固体成分(颜料、树脂)固着在承印材料上。化学干燥是指在化学反应中,油墨中的液态连结料发生固化交联反应,生成高分子化合物,主要通过连结料聚合物的氧化和UV辐射或电子束辐射实现交联反应而固化。
  是否需要干燥装置主要取决于油墨的特性。例如,冷固油墨主要依靠物理干燥,一般无须干燥装置,只有在印刷速度极高时,为提高干燥速度,需要增加辅助干燥装置;热固油墨必须加热才能干燥;UV油墨、UV上光油及EB油墨也必须有固化装置。除了干燥装置外,有时还需要辅助干燥装置,如单张纸胶印机常用的喷粉装置和卷筒纸胶印机常用的加硅装置等。

  主要干燥方式
  1.红外(IR)干燥
  红外干燥主要通过红外线辐射同时加热油墨和承印材料,加快油墨渗透及氧化结膜,从而加快油墨的干燥速度。由于红外干燥无溶剂挥发,因此油墨光泽较差,但却能加快油墨吸收,通常可以提高油墨密度。
  红外干燥的效果与红外辐射的波长有关,当红外辐射波长范围与油墨连结料吸收的波长范围相同时效果最佳。胶印红外干燥常使用短波和中波,短波(波长0.8~2μm,相当于1500~2700℃的电炉丝温度)辐射主要渗透到纸张;中波(波长2~4μm,相当于750~1500℃的电炉丝温度)主要加热油墨层上面的空气。试验表明,采用短波或中波红外干燥,油墨的吸收效果最好,其中短波干燥的辐射效率更高,而长波干燥效率低,不适宜胶印。
  红外干燥装置常应用在单张纸胶印机上(如水性上光之后),在卷筒纸胶印机上常用于印刷报纸的半商业印刷机和速度极高的新闻用卷筒纸胶印机。因其机身短,因此可安装在卷筒纸胶印机的上部,节省占地面积。多个印刷机组则需要多个干燥装置。
  2.挥发干燥
  所谓挥发干燥主要是溶剂的挥发,通过加热使液态的溶剂转化为气态而挥发。因此,油墨表面空气的温度、对流速度、压差决定挥发干燥的效果。一般这种挥发干燥装置采用空气动力学原理进行优化设计。
  (1)低沸点溶剂油墨的挥发干燥
  一般凹印和柔性版印刷所用油墨属低沸点溶剂油墨,主要采用垂直热风挥发干燥装置。图1为卷筒纸凹印机的垂直热风干燥装置。加热的空气经风道由气嘴向已印刷的纸带吹热风,使油墨中的溶剂转化为气态挥发,在干燥箱底部被吸入废气通道,废气经处理将油墨溶剂和空气分离,分离出的大部分不含油墨溶剂的空气再次进入新的循环,只有少量排出,既可提高热能利用率,又可减少环境污染。


图1 卷筒纸凹印机的垂直热风干燥装置

  废气一般采用活性炭吸收处理。含有溶剂的废气从下至上进入吸收装置,溶剂被活性炭吸收,不含溶剂的空气从上面排出。在吸收装置的上方,给吸收装置通入气体,利用水汽将溶剂从活性炭中分离,使活性炭再生。将活性炭加热到稍高于100℃,活性炭中的溶剂汽化而排出,排出的溶剂气体经冷凝装置冷却进入分离装置,溶剂在有水的分离装置中集聚并与水分离,分离的溶剂还可再利用。
  (2)热固油墨干燥装置
  为防止热固油墨在卷筒纸胶印机供墨系统的墨辊上固化,必须加入20%~40%的高沸点矿物油(热固性油)。热固型卷筒纸胶印机常采用专用的干燥装置和冷却装置。其基本原理是油墨中可挥发的溶剂在干燥箱中经加热挥发,同时油墨内的树脂被加热软化,固体的颜料颗粒渗入半流动状态的树脂中,最后经过冷却装置将树脂冷却固化,颜料颗粒固着在纸带表面,油墨即可干燥。
  热固型卷筒纸胶印机干燥方式很多,常用的干燥装置有煤气火焰干燥装置、热风干燥装置、煤气火焰和热风混合式干燥装置、电热干燥装置等。冷却装置一般有
2~4根通冷却水的冷却辊,通过表面低温将树脂冷却固化。为了保证热固油墨的干燥,干燥装置和冷却装置的温度等必须完全匹配,才能有最好的干燥效果。
  ①煤气火焰干燥装置
  干燥箱内前面1/3是煤气燃烧器,其余是暖空气喷嘴,对纸带进行加热,使油墨里的挥发物质迅速挥发。这种干燥箱的优点是干燥箱短,但因火焰直接干燥而影响油墨光泽,只用于要求不高的卷筒纸胶印机。
  干燥温度可通过调节可燃煤气和空气的比例而调整,也可通过调整火焰喷嘴位置进行调整。通过调整喷嘴和垂直线的夹角大小,调节火焰喷在纸带上的位置,同时使喷嘴与纸带的距离发生变化,达到调整干燥温度的目的。
  为了防止停机或降速时纸带烧断或烧焦,停机时,上喷嘴可自动向上转动到图2虚线所示的位置,同时切断煤气供应,并将干燥箱打开,使纸带完全暴露在空气中。为了防止油墨中挥发物质进入车间,干燥箱设有排气装置,并保持干燥箱的气压低于车间气压。


图2 煤气火焰喷嘴

  ②高速热风干燥装置
  高速热风干燥装置包括空气加热装置和干燥箱,一般用于要求高的彩色印件。加热装置通常用煤气将空气加热,将热风送入干燥箱内,使油墨里的挥发物质迅速挥发、树脂被加热软化。
  干燥箱的长度根据印刷机速度确定。一般卷筒纸需在干燥区域保持0.8~1秒的时间。干燥箱温度与印刷纸张的定量有关,定量越大,温度越高。干燥温度通常在200℃左右,干燥箱出口处的温度为135~165℃。
  热风干燥箱和煤气火焰干燥箱的不同之处在于喷嘴喷出的是高速热空气,而不是煤气火焰。热风干燥温度比火焰干燥温度低,热转变过程快,对油墨光泽影响不大。干燥箱内的油墨挥发物质由排风机排出。
  纸带从最后一个印刷机组进入干燥箱后一直到冷却辊没有任何支撑,在早期的高速热风干燥箱中纸带经常发生颤动,影响干燥质量。现在找到了可以控制纸带颤动的方法,每隔一定的距离配置上下气嘴,形成气垫,使纸带在干燥箱内呈波浪状。这样纸带可平稳地通过干燥箱,不皱褶,不与干燥箱接触。
  纸带高速运动中有一个与纸带同时运动的非常薄的空气层,称为边界层。油墨的溶剂和挥发气体蒸发出来后,积聚于这个边界层,直到饱和。一旦边界层内的溶剂蒸气饱和,油墨中的溶剂和挥发气体继续蒸发就很困难了,必须提高干燥温度才能继续使溶剂挥发,这样不但大大降低了干燥效率,而且干燥温度也是有限度的。为了解决这个问题,增加了气刀机构,如图3所示。气刀机构在边界层内形成涡流,打乱了边界层,并在气刀处同时抽风,将溶剂蒸气从干燥箱内排出。气刀还可以防止边界层随纸带同时进入冷却辊,影响纸带和油墨的冷却固化干燥。


图3 气刀作用示意图

  每个热风干燥箱都有热空气干燥和暖空气干燥两部分。热空气和暖空气有一条共同的排气管道,使干燥箱内保持一定的低压,以避免油墨溶剂的蒸气进入车间对工人健康造成危害。热空气段的循环气在循环室里重新加热之后,再送回干燥箱。而暖空气段一般要用新鲜空气进行加热,以补充已经排出的暖空气。
  排出的大量气体应经过一个热交换器和一个气体净化装置,以便将其热量再利用和处理气体中的有害物质,保护环境。经净化的气体大部分重新进行循环,少数气体通过排气系统排出室外。为了防止热辐射及提高效率,干燥箱及所有管道都要求有很好的绝热性能。在停机时,干燥箱上面的部分自动打开,以防止纸带由于加热过度而变脆或发生火灾。
  ③火焰和热风混合式干燥装置
  其具有以上两种干燥箱的优点。纸带进入干燥箱,先在煤气火焰中干燥,使油墨中的挥发物质和溶剂挥发,再经清洁器将边界层吹掉,随后进行高速热风干燥。
  ④低温干燥系统
  以上传统干燥装置的干燥温度都很高(200℃左右),高温不仅可能造成印刷质量问题,而且消耗大量能源、增加成本。为提高印品质量、降低成本,低温干燥系统备受关注。有资料报道,有一种低温干燥系统是由通过适当向印版滚筒上的墨辊吹气,以除去墨辊上多余水分的“乳化控制装置”,以及在干燥装置的进出口处的纸带上吹热风(经过脱臭处理的清洁热风),以除去残留溶剂。
  3.氧化干燥
  在胶印吸收性承印材料上,油墨的干燥首先是渗透干燥,然后是氧化和聚合干燥,油墨中的燥油和树脂经氧化和聚合形成交联墨膜。这种干燥是胶印油墨中的连结料分子和空气中的氧直接作用的结果,无须专门的干燥装置。为保证氧化干燥效果,必须有充足的氧气。喷粉就是增加纸张之间的间隔,使氧气能够进入纸堆中。
  4.UV固化
  使用UV油墨和UV上光油时,需要配置UV固化装置。在印刷墨层较厚时,各机组之间需要安装内置UV固化装置。在高速印刷机上,为了保证印品油墨的充分干燥,在最后一个印刷机组后安装专门的固化装置。
  UV固化的基础是辐射聚合连结料。传统的UV固化装置内采用一个或数个水银灯,波长范围在100~380nm。常用的水银灯工作中会产生高温和臭氧,因此UV固化装置还应该有一个冷却和排除臭氧的装置。为充分利用水银灯能量和保护人身、环境,整个UV固化装置封闭在一个反射室中。当产生辐射时,墨膜几乎立即聚合并固化(一般在1秒内)。UV固化方式中,需要完全不同的连结料和辅助光引发剂。由于黑色油墨能够防止UV辐射渗透油墨层,因此固化效果比彩色油墨和上光油差。UV油墨不含溶剂,所以固化不会产生溶剂烟雾。
  单张纸胶印机的UV固化装置,通常采用输出功率为100~120W/cm的气体水银灯,其能量的有效利用率只有25%,其余50%转化为红外光,25%转化为可见光。为防止承印材料与辐射装置接触而过热,在UV固化装置的下方安装有防护板(通常采用涂布石英玻璃的红外滤镜)。
  为克服水银灯能量有效利用率低并产生大量红外辐射和臭氧的缺点,激发物辐射装置是一种较好的解决办法。它是一种采用单色光(其波长主要是308nm)的特殊UV灯,这种辐射装置无红外产生,纸张不会被加热,308nm波长不会产生臭氧,并提高了能量利用率。但目前激发物辐射装置存在的问题是功率低(最高只有50W/cm),要提高干燥效果需在惰性气体(如氮气)中进行。另一个问题是油墨光引发系统需要配备与激发物辐射装置相匹配的波长。由于目前激发物辐射装置需要在惰性气体(如氮气)中进行,因此需要密闭的干燥空间。单张纸胶印机由于牙排的存在,难于实现密闭空间,而卷筒纸印刷机相对比较容易实现。
  5.电子束固化
  使用EB油墨时需要电子束固化系统。电子束是一种使印刷油墨连结料中的分子离子化,并导致游离基团释放的高能离子辐射。通常电子束固化和UV固化可以使用相同的连结料和油墨。由于高能量辐射,连结料自身已经有足够数量的初始基团游离,因此不再需要光引发剂。电子束干燥必须在惰性气体(如氮气)中进行。因为氧气会导致固化和辐射的降低。EB油墨具有UV油墨的一切优点,但EB油墨及其固化系统价格高。

  辅助干燥装置
  1.喷粉装置
  在单张纸胶印机的收纸装置上,常采用喷粉的方法避免背面蹭脏和纸张粘连。白色粉末颗粒(一般在15~75μm)产生隔离层,将纸张分开,空气便可进入纸张之
间,以保证油墨的氧化干燥。粉末的颗粒大小应一致,否则可能导致局部蹭脏和产生灰尘。粉末种类、颗粒大小及喷粉量,应根据纸张情况和印刷油墨墨膜厚度而定。喷头应尽量接近印品,以减少喷粉量和粉末四处飞扬。
  2.加硅装置
  一般在商业轮转胶印机的干燥、冷却后,纸带进入折页机前,利用加硅装置,在纸带两面涂布一层薄薄的水包油的乳化硅油,形成墨膜保护层,避免折页时蹭脏。
  单张纸胶印机根据印品需要,可能采用水性上光、UV上光和UV油墨印刷,并且可能不断变更。为了适应这种多变性,一般在单张纸胶印机最后一个印刷机组(或上光机组)后面,同时配备红外干燥、UV固化、热风干燥装置,如图4所示。一般还配备冷却装置(循环冷风),一方面给印品纸张降温,一方面有利于油墨干燥。这些干燥装置不同时开启,而是根据印品需要开启不同的干燥装置。如水性上光时,红外和热风干燥装置两者配合,有很好的干燥效果。根据需要有时在印刷机组之间安装UV固化装置或红外干燥装置(保证各色之间油墨适当干燥)。


图4 单张纸胶印机安装的不同干燥装置


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