UV固化技術問與答

作為全球知名的UV固化系統供應商，德國IST METZ集團公司以其強大的研發實力、專業的研發團隊，為全球客戶帶來了低能耗、高效率的UV固化系統。除了對UV固化解決方案優異性能的贊不絕口，IST METZ集團公司的用戶更是享受到了貼心、周到的專業服務。伊斯特梅茨紫外線固化設備貿易（上海）有限公司（以下簡稱“伊斯特梅茨”）的成立，正是IST METZ集團公司更好地服務中國客戶的最好印證。近期，伊斯特梅茨UV技術開發總監包容博士與印刷行業中從事UV固化研究的專業人士一起就UV固化技術組織了一個小型的研討交流活動，本刊記者從中整理出了一些UV固化的基礎知識與讀者共享，希望這些知識能為行業人士合理、科學地選購和使用UV固化系統提供參考和指導。

什么是UV光源？

UV是Ultra-Violet Ray（紫外線）的英文縮寫，UV能量是指光源波長在200～425nm范圍內的能量。按波長不同，UV光源又可分為UVA（波長為320～420nm）、UVB（波長為275～320nm）、UVC（波長為200～275nm）和UVD（波長為100～200nm），其用途不盡相同。

不同波段UV光源的作用是什么？

在固化過程中，UVA的作用是促進涂層的底層固化，使UV涂層與基材牢固結合，不脫落、不掉墨。UVA呈現出以375nm為中心的能量分布，具有相對較低的能量。因固化過程中，單體、預聚物、光引發劑及顏料等物質對UVA的吸收和阻擋作用較弱，因此UVA具有較強的穿透能力。如果配方恰當，對于透明涂層，UVA的穿透能力可達1～2cm；對于有色涂層（如油墨），UVA的穿透能力可達5～20μm。

UVB伴隨著UVA，主要用于聚合反應。

UVC主要用于降低氧氣的阻聚作用，改善涂層表面（接觸空氣的部分）固化情況，提高涂層表面性能，如耐磨性、抗污染能力等。短波長的UVC，尤其是波長為240～250nm的UVC，具有相對較高的能量。但由于固化過程中，單體、預聚物、光引發劑及顏料等物質對UVC有較強的吸收和阻擋作用，因此其穿透能力相對較弱。對于一般的透明涂層，UVC的穿透能力為5～10μm；對于有色涂層，UVC的穿透能力為1～5μm。穿透能力的大小主要取決于涂層中顏料、光引發劑的固含量。

UV固化的反應原理是什么？

UV固化是指在紫外光的照射下，光引發劑吸收紫外光的輻射能量后分裂成自由基，引發預聚物發生聚合、交聯、接枝反應，在很短的時間內固化成網狀高分子聚合物。由此使得UV涂料、油墨、黏合劑等在數秒內由液態轉化為固態，形成硬化膜。

UV固化過程一般可分為以下五個階段。

（1）光引發劑吸收紫外光，成為激發態的光引發劑。

（2）激發態的光引發劑不穩定，易分解形成自由基。

（3）自由基與預聚物中的不飽和基團相互作用引發加成、交聯或聚合反應，形成自由基中間體。

（4）自由基中間體通過鏈增長反應，得到長鏈或網狀的高分子聚合物自由基中間體。

（5）長鏈或網狀的高分子聚合物自由基中間體產生鏈終止反應，原來的液態組分轉變為固體聚合物。

UV固化的影響因素有哪些？

影響UV固化反應的主要因素有：UV固化設備中UV燈管的發射光譜和輻射強度，以及UV油墨、涂料或黏合劑中光引發劑的吸收光譜及其配方組成。

在UV固化反應中，最重要的是確定UV固化設備中UV燈管的發射光譜是否與UV油墨、涂料或黏合劑中光引發劑的吸收光譜相匹配。若二者不匹配，那么光引發劑就不能被激發，UV固化反應也就無法順利完成；若二者不完全匹配，則易導致UV固化反應不完全；若二者匹配，那么固化效果與UV光源的輻射強度直接相關。

除了光譜的匹配問題之外，在固化反應中UV固化設備、UV油墨、涂料和黏合劑的選擇也要兼顧表面固化和深層固化的效果，以達到不同的應用要求。

通常情況下，UV固化使用高壓汞燈作為固化光源（需要注意的是，UV燈管的質量和使用壽命直接影響UV固化反應的程度）。當然，根據不同的需求，也可以選擇加入不同添加劑的燈管（如鐵燈、鎵燈等），以改變UV燈管的輸出光譜，滿足特定的固化需求。

一般而言，高的UV光源輻射強度可以提高UV油墨、涂料和黏合劑的表面固化和深層固化效果。

如何減少UV固化時特殊氣味的產生？

UV固化時散發出的氣味是光引發劑的分解產物，如苯甲醛或硫醇等，這些物質帶有特殊的氣味。

我們知道，在UV固化反應時，常采用氮氣作為保護氣體，以減少氧氣和水蒸氣對UV固化反應的影響（氧氣和水蒸氣會參與到UV固化反應中，損耗UV光源的能量，并產生臭氧）。除此之外，在氮氣保護條件下進行UV固化反應，光引發劑的用量僅為常規固化條件下的1/5。隨著光引發劑用量的減少，由其分解出來的苯甲醛或硫醇的量也會隨之減少，這樣UV固化反應中的氣味也會相對小些。

由此可見，采用氮氣保護能在某種程度上減少特殊氣味的產生，而解決UV固化時特殊氣味產生的更有效的方案就是，選擇可聚合的光引發劑或大分子量的光引發劑，以降低其分解產物苯甲醛或硫醇的揮發度。

不同承印基材對氣味持續時間的影響？

苯甲醛或硫醇等光引發劑分解產物是產生UV固化氣味的根本原因，但在生產不同印刷品時，氣味持續時間也不同，這是由承印基材表面結構所決定的。

承印基材表面結構不同，光引發劑分解產物的存留時間就不同。例如，對于表面結構較疏松的承印基材（如紙張），光引發劑的分解產物易滲透到承印基材的深層結構中，導致帶有氣味的物質揮發慢，氣味難消除；而對于表面結構緊密的承印基材（如塑料、鋁箔、玻璃），光引發劑的分解產物揮發較快，氣味持續時間較短。