油墨干燥装置技术大观

时间:2009-03-01 12:26:02来源:科印传媒《印刷技术》作者:齐福斌

  由于高新技术在印刷机上的应用,印刷机性能和印刷速度不断提高。印刷油墨仅靠自然干燥已经不能适应高速印刷的需要,而且有些油墨本身就要求必须在某种特定条件下才能干燥。因此,油墨干燥装置已经成为印刷机不可或缺的重要组成部分。

  油墨的干燥方式主要分物理和化学方式两种。物理干燥方式是将油墨中液态连结料挥发和渗透到承印材料中,将其固体(颜料、树脂)成分固着在承印材料表面,油墨表面空气的温度、对流速度、压差决定着挥发干燥的效果,渗透干燥效果取决于油墨黏度、连结料和承印材料的吸收性;化学干燥方式是在化学反应中,油墨中液态连结料发生固化交联反应,生成高分子化合物,主要是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。具体讲,油墨的干燥类型主要有渗透干燥、挥发干燥、氧化结膜干燥、固化干燥4种。

  常用干燥装置
  1.红外(IR)干燥装置
  红外干燥主要是通过红外线辐射,同时加热油墨和承印材料,加快渗透速度及油墨氧化作用降低油墨黏度,进一步加快其干燥速度。当红外线辐射波长范围与油墨连结料吸收的波长范围相同时,效果最好。胶印红外干燥常使用红外线短波和中波部分,短波(波长0.8~2μm,相当于2700~1500℃的电炉丝温度)辐射主要是提高油墨的渗透性,中波(波长2~4μm,相当于1500~750℃的电炉丝温度)辐射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,印刷油墨可以获得最好的吸收效果,且短波干燥的辐射效率更高。长波干燥效率低,不适宜用于胶印中。
红外干燥装置一般由配套专业厂商生产。近年来一些印机制造商也不断推出配套干燥装置,满足不同用户的各种需要,提高干燥装置的灵活性,使干燥装置的各重要参数更加易于控制。

  高宝公司Varidry干燥系统中常规使用的红外干燥器采用Heraeus双灯管碳红外线(CIR)干燥器,如图1所示,有两根平行碳丝灯管,碳丝被加热到1200℃,其产生的热量全部被灯管内的黄金衬里反射到承印材料上。高宝公司还提供短波(SIR)和快中波(FMIR)干燥器。在一些特殊情况下,可以使用快中波双灯管干燥器(FMIR)或复合型干燥器(1个碳和1个短波部件的双灯管干燥器)。
由于红外干燥无溶剂挥发,油墨光泽度较差,但红外干燥能够加快油墨的吸收,因此油墨密度可以达到很高。
  2.热风(TA)干燥装置
  由多种成分如树脂、颜料、溶剂组成的印刷油墨,其部分干燥是靠挥发实现的。因此,油墨表面空气温度、对流速度、压差决定着挥发干燥的效果。最常用的挥发干燥方式是热风干燥装置。一般热风干燥装置采用空气动力学原理进行优化设计。

  热风干燥装置通过给印张吹热风,加速空气交换,从而加速纸张中水分、光油和湿润液中水分的蒸发,促进油墨、光油的氧化干燥和纸张吸收。为了加速空气交换,不同厂商采用了不同的方法。如高宝公司采用热风气刀(见图1)装置。海德堡公司DryStar3000组合干燥装置采用专利的圆形喷嘴,通过特殊的喷嘴把100℃的热空气加速到33m/s,以冲破印张表面的边界层空气流,驱除光油中的水分,适合高速印刷。
  热风干燥效果还与风量及喷嘴到印张表面的距离有关。海德堡公司DryStar3000组合干燥装置供风量是1200~3600m3/h。在同样能耗的情况下,喷嘴到印张表面的距离每减少1cm就可以提高5%的干燥效率。海德堡干燥装置到印张表面的距离是80mm。

  红外干燥和热风干燥相结合对于水性光油干燥效率特别高。因此,水性上光通常采用红外/热风干燥装置。
  3.低沸点溶剂油墨挥发干燥装置
  多数凹印和柔印油墨属低沸点溶剂油墨,其干燥方式主要是挥发干燥,常用热风干燥、电热干燥、煤气干燥、热干燥滚筒等。最常用的是热风干燥装置。

  加热的空气经风道由气嘴向已经印刷的纸带吹热风,使油墨中的溶剂转化为气态并挥发,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,分离出的不含油墨溶剂的大部分空气再次进入新的循环,少量排出。这样一方面可以提高热能利用率,另一方面可以减少环境污染。
废气处理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,利用水气可以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℃,活性炭中的溶剂即气化排出,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。分离的溶剂还可以再次利用。
  4.热固型油墨干燥装置
  热固油墨主要用于商业卷筒纸胶印机上。为防止油墨在供墨系统的墨辊上固化,在其油墨中必须加入高比例(20%~40%)的高沸点矿物油。热固型油墨的特性决定了热固型卷筒纸胶印机常采用专用的干燥装置和冷却装置共同完成油墨干燥。其基本原理是油墨中可挥发的溶剂在烘干箱经加热挥发,同时油墨内的树脂加热软化,固体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,颜料颗粒固定在纸带表面,油墨也就干了。


   热固型卷筒纸胶印机的烘干方式很多,常用的烘干装置有以下几种。
  (1)煤气火焰烘干装置
  烘干箱内前三分之一是煤气燃烧器,其他是暖空气喷嘴,对纸带进行加热,使油墨里的挥发物质迅速挥发。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。烘干温度可以调整,可以通过调节可燃煤气和空气的比例而调整烘干温度,也可以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,可使火焰直接或成一定角度喷在纸带上,同时,调整喷嘴与纸带的距离,以达到调整烘干温度的目的。
为了防止停机或降速时烧断或烧焦纸带,停机时上喷嘴可自动向上转动到一定位置,同时切断煤气供应,并将烘干箱打开,使纸带完全暴露在空气中。为了防止油墨里挥发物质进入车间,烘干箱设有排气装置,并保持其气压低于车间内气压。

  这种烘干箱的优点是烘干箱短,但因火焰直接烘干而影响油墨光泽度,只用于印刷质量要求不高的卷筒纸胶印机。
  (2)高速热风烘干装置
  热风干燥温度比煤气火焰干燥温度低,热转变过程快,对油墨光泽度影响不大。因此,印刷质量要求高的彩色印件一般采用高速热风烘干装置。这种装置包括空气加热装置和烘干箱两部分。加热装置通常是用煤气加热空气。热风送入烘干箱内,将油墨加热,使油墨里的挥发物质迅速挥发,树脂被加热软化。由于印刷速度和对印刷品质量要求的不断提高,对烘干的要求越来越严格。因此,高速热风烘干装置也不断改进,以Dual-DryTM TNV热风烘干装置为例进行说明。
  喷嘴分成热传递喷嘴和高漂浮气垫(卷筒纸运输)喷嘴,两种喷嘴相间设置。烘干区域分成加热区、蒸发区和冷却区3部分,无论何种纸张和印刷速度,都能达到最高的烘干效率。集成氧化装置使用热回收技术确保其符合环保要求。数字排气控制装置可根据印刷速度减少能耗的原则自动调整。具有独特的MEGTEC纸张温度自动控制装置,可与随时改变的印刷条件相匹配,减少纸张浪费和能耗。总能耗降低,其采用自动控制烘干温度和数字排气控制装置;具有高效率换热器的集成式氧化装置;烘干箱不需要预热等。高速热风烘干箱相比煤气火焰烘干箱的显著优点就是具有气刀机构,并具有远程诊断和维护功能。

  为保证干燥质量,热风烘干装置的长度必须与印刷速度相匹配。一般卷筒纸需在烘干箱内保持0.8~1秒的时间。如印刷速度为8米/秒,则烘干箱的长度约需8米。
  (3)火焰和热风混合式干燥装置
  这种烘干箱具备以上两种烘干箱的特点。纸带进入烘干箱,首先在煤气火焰中烘干,使油墨中的挥发物质和溶剂挥发,紧接着就是清洁器,把边界层吹掉,随后进行高速热风烘干。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。
  (4)低温烘干装置
  传统卷筒纸胶印机的烘干温度都很高(烘干箱内约200℃左右,出口温度约130℃左右),高温不仅可能造成印刷质量问题,而且消耗大量能源,提高了生产成本。为提高印刷品质量、降低成本,低温烘干系统引起了人们的重视。日本琦玉县共立印刷公司开发并生产出一种低温烘干系统。该系统由单向润版液供给装置、印刷墨辊吹气装置、烘干装置进出口处吹热风装置3部分组成,可将纸张表面干燥温度降至90℃以下,干燥气体用量可减少一半。

  5.UV固化装置
  在使用UV油墨和UV上光油时,需要UV固化系统,UV固化的基础是通过辐射UV光,使连接料中的光聚物聚合,使用的波长范围是100~380nm。固化装置内需要1个或数个UV灯。由于常用的汞灯会产生高温和臭氧,因此UV固化装置最好有一个冷却和排除臭氧的装置。为充分利用汞灯能量,保护人身安全和环境,整个UV固化装置封闭在一个反射室中,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。

  目前经常使用的UV汞灯的能量有效利用率只有25%,为解决常用汞灯能量有效利用率低并产生大量红外辐射和臭氧的缺点,采用激发物辐射装置(低温UV固化装置)是一种较好的解决办法。激发物辐射装置如图2所示,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光产生,纸张不会被加热,308nm波长不会产生臭氧,并提高了能量的利用率。目前,激发物辐射装置功率还达不到汞灯的功率,要提高固化效果需在惰性气体(如氮气)中进行,而且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,并且需要密闭的空间。单张纸胶印机由于牙排的存在,实现密闭空间比较困难,但在卷筒纸胶印机中比较容易实现。
  传统UV灯的反射镜多采用铝或玻璃反射镜。海德堡DryStar3000UV固化干燥系统和高宝的UV固化干燥装置,采用闪蓝光的URS反射膜,通过60层厚(高宝为70层)的URS镀膜反射UV光,并吸收红外光热量,吸收的热量通过水冷却系统排出,明显减少了对承印物的热辐射,并且避免了油墨和污垢在反射镜表面燃烧而影响反射镜的反射效率和性能稳定性。

  较新的UV干燥装置是移动带式UV固化装置。德国Kuhnast公司推出了一种UV-Quickstart移动带式固化装置。最初应用在利优比520胶印机上,也可以在海德堡GTO52、PM52、SM52胶印机和小森Lithrone 20胶印机上使用。该UV固化装置配备1~2个UV灯,功率密度为181W/cm。传统的UV固化装置打开后需要5~10分钟才能使用,并且需要在印刷全过程中保持工作状态。而UV-Quickstart移动带式固化装置,打开后3秒钟即可使用,印刷中断时全套系统关闭。印刷同样数量印刷品,UV-Quickstart移动带式固化装置的实际工作时间比传统UV固化装置的实际时间减少一半以上,不仅可以节省能量消耗、减少维修费,而且可以应用风冷却系统替代水冷却系统。
  6.电子束固化装置
  在使用EB油墨时,需要电子束固化系统,如图3所示。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。电子束固化必须在惰性气体中进行,因为氧气会导致固化和辐射效率的降低,并导致墨层和承印材料表面油墨的减少。在无氧的环境下,可以减少固化辐射对墨层的破坏。在卷筒纸胶印机中,常采用电子加热的钨带作为电子束发生源。EB油墨具有UV油墨的一切优点,但EB油墨及其固化系统的价格较高。
  7.干燥监控系统
  干燥装置需要根据印刷机配置、印刷速度、印刷材料、油墨或上光油性能和用量等情况合理调整和匹配,才能达到既保证质量又节省能源的目的。因此,干燥系统的监测被提到议事日程。

  利用海德堡创新的传感技术和在线流程监测,印刷机操作人员可以准确获取光油涂层的干燥质量信息。该系统可以测定上光机组的光油用量,并利用安装在收纸装置和干燥机组上的传感器记录所有与干燥相关的参数,包括光油配水量、空气体积及导入/导出空气的温度和湿度等,解决了由于上光干燥不彻底而引起的印张黏连和由于干燥温度过高引起的上光油层泛黄现象,整体能耗也显著降低。由于以前无法获得客观的干燥相关数据,而导致大部分干燥设备能量输出比实际所需高20%~25%,一般干燥能耗占1台配备有上光机组的胶印机总能耗的40%。因此,采用干燥监控系统,节省能耗效果还是不错的。

  目前的干燥监控系统只能监控水性光油的干燥质量,还无法实现油墨和UV上光时,UV光油在线固化测量。
   8.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、纸张黏结和提高油墨干燥质量。白色粉末颗粒(一般直径在15~75μm)形成“隔离装置”,把纸张分开,空气便可进入纸张之间,保证油墨的氧化干燥质量。粉末的品种、颗粒大小(纸张越粗糙颗粒应越大)、喷粉量(墨量越大,喷粉量越大)应根据纸张情况和墨膜厚度决定。其存在的问题是容易把印刷机弄脏,降低印品光泽度,所以喷头应尽量接近印刷品,以减少喷粉量,避免粉末四处飞扬。
  (2)涂硅装置
  一般在商业卷筒纸胶印机上,在烘干冷却后,纸带进入折页机之前,利用涂硅装置,在纸带两面涂布一层薄薄的水包油型乳化硅油,形成墨膜保护层,以防止折页时印品蹭脏。

  各种干燥装置的应用
  
是否需要干燥装置,主要取决于油墨的特性和印刷速度。如冷固型油墨主要靠物理方式干燥(挥发和渗透),一般不需要干燥装置,只有在印刷速度很高时需要增加辅助干燥装置。热固型油墨则必须加热才能干燥。UV油墨、UV上光油及EB油墨也必须有固化装置。除了干燥或固化装置外,有时还需要配套的冷却装置及某些辅助干燥装置,如单张纸胶印机常用的喷粉装置、商业卷筒纸胶印机的加硅装置等。
干燥装置的应用必须与印刷机及其使用的油墨和印刷要求相匹配。不少机器往往是多种干燥方式并用。
  1.单张纸胶印机干燥装置
  根据印刷品需要,单张纸胶印机一般在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,此外还配备冷却装置(循环冷风),一方面给纸张降温,一方面有利于油墨干燥。这些干燥装置不是同时开启,而是根据印刷品需要,开启不同的干燥装置。如水性上光时,开启红外和热风干燥装置,两者配合有很好的干燥效果。UV上光和UV油墨印刷时,开启UV固化装置。

  根据印刷需要如大墨量印刷,有时在印刷机组之间安装UV固化或红外干燥装置(保证各色之间油墨适当干燥),可以根据不同油墨更换。


  根据印刷需要有时还需要设置专门的干燥机组。特别是进行双面上光时,为了保证上光后及时干燥,在上光机组后专设一个干燥机组。一般单张纸胶印机不论采用何种干燥装置,在印张进入收纸堆前还要设置喷粉装置。
  2.卷筒纸胶印机干燥装置
  卷筒纸胶印机更是根据机器的用途和需要配置干燥装置。一般报纸和书刊卷筒纸印刷机采用冷固型油墨,主要靠渗透干燥,不需要配备专门的干燥装置。但在印刷速度很高时,有的报纸卷筒纸胶印机需要配备红外干燥装置、煤气火焰干燥装置等。商业轮转印刷机由于使用热固型油墨,必须配备烘干装置(常用热风烘干)和专用的冷却装置,而且还常常配备加硅装置。半商业轮转印刷机,根据使用油墨情况,使用冷固型油墨需要配备热风烘干或红外干燥装置,使用热固油墨,不仅需要配备烘干装置,还必须配备专用的冷却装置。
  3.凹印机和柔印机干燥装置
  机组式凹印机和柔印机必须在每个机组后配备热风干燥或电热干燥装置,而其他结构形式的凹印机和柔印机,如卫星式凹印机和柔印机,则由于结构位置限制,色组之间往往采用红外干燥装置或采用卫星压印滚筒加热的方式进行干燥,在印刷完成后再设置一个集中的干燥装置,如热风干燥装置。
   4.UV和EB油墨固化装置
  UV油墨印刷和UV上光时必须采用UV固化装置。EB油墨印刷则必须采用电子束固化装置。


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