浅谈：LED固化型油墨的原理与特点

1969年，在美国首次将UV固化油墨用于卡纸（纸盒）印刷，走出了实用化的第一步。日本则于两年之后的1971年，开始将其应用在金属印刷和标签印刷上。以后，UV油墨的快速固化性、无溶剂、免喷粉等特点得到发挥，UV油墨在印刷现场的优势（作业环境的改善、短交期化、库存减少、节省空间等）得到认识，用途迅速扩大。

　　  【慧聪印刷网】1、LED油墨的开发

　　1969年，在美国首次将UV固化油墨用于卡纸（纸盒）印刷，走出了实用化的第一步。日本则于两年之后的1971年，开始将其应用在金属印刷和标签印刷上。以后，UV油墨的快速固化性、无溶剂、免喷粉等特点得到发挥，UV油墨在印刷现场的优势（作业环境的改善、短交期化、库存减少、节省空间等）得到认识，用途迅速扩大。

　　然而，过去在印刷业所使用的紫外光源普遍采用高压水银灯和金属卤素灯等光源，因灯具及电源装置的大型化，令使用者担心电力消耗大和发热量大导致印刷机和承印物的损坏以及使用过程中产生臭氧等问题。不过近年来开发出一种能发射紫外线的发光二极管（LED），与之配套使用的在LED紫外光下瞬间固化的专用胶印油墨（FDLED系列）则由日本东洋油墨制造株式会社开发出来。

　　本文从UV固化型油墨的环境方面，对传统的灯式光源和LED光源的差异进行比较，同时对LED固化型油墨的原理和特点进行介绍。

　　  2、UV油墨的环境协调性

　　1）非VOCS油墨

　　所谓VOCS是“VolatileOrganicCompounds”之略，也即挥发性有机物的总称。扩散于大气层中的VOCS，比起文中所列举的地球变暖的物质之——二氧化碳来讲，温室效应更强，此外VOCS还能在阳光下发生反应变成氧化剂（光化学烟幕的起因物质），因此以发达国家为首的世界诸国，在全球对其排放制定了严格的法规。

　　一般的胶印油墨分为热固着型胶轮油墨和单张纸胶印油墨，两者均含有石油系溶剂。单张纸胶印油墨的干燥过程：当油墨转移至纸上时，溶剂从纸上脱离而析出树脂成份，与此同时，油墨中的植物油成份与空气中的氧气发生氧化聚合反应形成硬化墨膜。胶轮油墨的干燥过程：印刷后经过加热，油墨中的溶剂蒸发，析出树脂成份，由此形成墨膜。

　　关于VOCS排放。单张纸胶印油墨具有干燥时无须耗费能量的优点，但因需要有一个较长的干燥时间，严格地讲，在这个干燥过程中，油墨中的VOCS成份要么留在了承印物上，要么逐渐地向大气释放。轮转胶印油墨经加热蒸发干燥释放出VOCS成份，这些VOCS气体通过干燥箱之后，再经复燃室处理而分解为水和二氧化碳，因此从VOCS的观点看是有应对之策的。

　　另一方面，UV固化型油墨是通过紫外线照射而使光聚合引发剂激活，进而促使油墨中所包含的单体和低聚物（低分子成份）通过化学反应结合，形成硬化的墨膜。由于UV油墨中不存在产生VOCS的溶剂，当然也不会有VOCS排入到大气中，因此可以说UV油墨是一种环境友好型油墨系统。

　　2）地环变暖

　　关于二氧化碳刚才已经谈及，这里再从其成为导致地环变暖的物质之一的角度来举例说明。胶轮印刷的干燥工程中由于有气体燃料燃烧所以会产生二氧化碳，特别是作为不让油墨中的VOCS排放到大气中的代价，就是要使用复燃室这样的装置，来将挥发出来的VOCS燃烧掉，这时就会有二氧化碳产生。

　　UV固化型油墨由于不含溶剂，无必要配置上述那样的热风干燥装置，油墨固化所需的能效比可以说是胶轮印刷的5倍以上，因此，使用UV油墨时二氧化碳总的生成量少，从地球变暖的观点看可以说也是一种对环境有利的系统。

　　3）喷粉

　　单张纸胶印为了防止背面粘脏，通过喷粉将玉米粉等均匀喷于印张上，喷粉的结果导致印刷机和印刷品的脏污，并且还污染印刷周围环境，给现场操作者带来烦恼。

　　UV印刷因系瞬间固化而无需喷粉。从作业环境角度与单张纸胶印油性油墨相比，UV油墨是更好的油墨系统。

　　如上所述，UV油墨印刷系统与使用传统的单张纸油性油墨和轮转胶印油墨的印刷系统相比，具有省能耗，省空间和短时间固化的优点，近年来用途迅速扩大。

　　  3、UV印刷系统的低能耗化

　　在环境协调性方面获得好评的UV固化油墨，由于其印刷机紫外照射装置的使用，使印刷机的电力消耗量大幅上升，因此人们期待有一种节省能耗的UV固化系统诞生。

　　从1960年至1990年，黄光、绿光、蓝光及白光的LED被开发出来并实现了实用化，被应用于信号机、电子光源告示牌、显示器的背灯、汽车车灯等各种照明用途，作为一种低电耗、长寿命、节省材料的环境友好型光源而受到关注。发射紫外线的LED也被开发出来，在粘接剂及涂料的固化及干燥用途方面已达到实用化程度。特别是LED的发光光谱中不含红外线成份，具有发热少的优点，对一些不耐热产品其应用正在扩大。

　　如果使用该紫外线LED照射装置来进行油墨的固化干燥，就能够指望在印刷过程中大幅度地降低电能消耗。

　　4、印刷过程中LED固化的技术难题

　　1）瞬间固化

　　近年来，胶印机按照高效化和短交期的要求，在印刷机高速化上下功夫，单张机印速达到了18000张/h（240m/min）。装有UV印刷系统的印刷机的实际速度依赖于照射装置的能力（高输出功率、多灯等），速度达到300m/min的UV高速印刷系统也已达到实用水平。

　　在这样的背景下，我们着手进行了这样的试验：使用粘接剂固化用LED照射装置和通常的UV油墨进行油墨的固化试验，对油墨的固化情况进行确认。结果在20m/min的低速情况下也无法满足油墨固化的要求。

　　2）发光光谱

　　普遍使用的高压水银灯之类灯具的光谱，其峰值位于紫外光部分365nm处，光能量集中分布在254nm～313nm附近，尤其405nm和436nm处是水银灯在可见光部分特有的峰值区。另外，金属卤素灯是在高压水银灯基础上增添金属卤化物而制成的，与高压水银灯光谱相比，从254nm到436nm段呈连续发光光谱分布，特别是在350nm～450nm附近的光能量大。

　　而对于LED来说，基于元件中半导体材料的禁带光谱宽度的限制，虽然其光谱能量超强，但波长分布极端狭窄。由此看出有这样的特点：在LED特定光谱处发出的光能量强度与传统的光源在同一光谱处发出的光能相比更大，但从发光光谱整体的积分光量来讲，LED不如普通放电灯，要使UV油墨瞬间固化存在困难。也即是说，使用LED的照射装置与用于粘接剂用途的照射装置是不一样的，人们期望具有高输出功率的LED问世，以便在高速情况下实现瞬间固化，同时在油墨方面，也必须推出能在LED照射下瞬间固化的油墨。

　　　5、LED固化型油墨的开发

　　1）与光固化引发剂的相生性

　　光固化引发剂是UV油墨中决定油墨的硬化性，耐蚀性以及油墨其它特性的重要成份。如前所述，UV油墨的固化，是油墨中所含有的光发剂吸收UV光产生活性成份引起的。在使用以往的放电型光源之类的多波长发光光源场合，由于其发出的光谱中紫外线区域广，油墨中可将吸收不同波长光能的光引发剂和增感剂组合使用，从而在油墨表面和内部均能获得良好的硬化性。尤其是能够设计将颜料吸收性考虑进去的光固化引发剂。

　　但是，在使用LED之类发光光谱极窄单一波长光源的场合下，要使用仅吸收LED发光光谱段光能的光引发剂，而且必须要同时实现表面和内部的固化。因此，在选择具有最佳吸收特性的新的光引发剂的同时，还必须开发出能将有限的光能尽可能地吸收的光引发剂组合并使其浓度达到最佳。尤其是在光油等透明类光油方面，必须在有限种类的光引发剂范围内，寻得光油的黄变性和固化性两者的平衡。

　　2）颜料的相生性

　　相对于LED的发光波长，由于UV油墨中含有颜料之类的物质与光引发剂的吸收波长相重合，所以与不含颜料的透明光油等相比，固化特性变得极差。特别是在胶印场合，通常采用黑→青→品红→黄的色顺叠印，最先印上的墨色油墨（UV油墨的穿透率最低）必须通过穿过黄、品红、青诸色之后变弱的UV光线来固化，因此，LED固化型与以往的UV油墨相比，必须选用一种对于所使用的特定UV光波长而言穿透性最好的（吸收性小）的颜料，这一点对于开发来说是关键因素之一。与此同时使用着色能力特佳的颜料，而且油墨更尽可能地浓一些。印刷时减少堆墨量（避免墨膜较厚），是提高油墨固化性的有效手段。

　　6、LED-UV印刷系统的诞生

　　在2008年5月举办的Drupa2008上，利优比尝试推出了一种由松下电工制作的照射装置等组成的新的UV印刷系统，在该系统上采用东洋油墨公司开发的LED固化型油墨—FDLED系列产品进行了现场演示。经检查确认，在印刷速度达到15000张/h（110m/min）情况下，油墨的固化没有问题，可获得良好的印刷品。

　　是对新开发的LED—UV印刷系统与传统的UV印刷系统在硬件方面所作的比较。从表1可以看出，通过将此次开发的LED固化油墨与上述LED-UV印刷系统组合使用，具有以下优点：

　　①LED与紫外灯方式相比，只需要其1/4的电能消耗，可节省能耗费用，大大减少了CO2的排放量。

　　②由于LED发热少，对于塑膜等耐热性差的承印材料的印刷以及印刷机的热影响小，只需对印刷精度稍作调整即可，纸张损耗随之减少。

　　③LED光源元件与紫外线灯相比寿命约为其12倍，光源更换频度大幅降低，器材耗用随之减少。

　　④LED可做到瞬间开启或关闭，无需UV灯方式所必须的预热及降温时间，作业效率得到提高。

　　⑤由于紫外线照射装置与相关配套装置非常紧凑，无需以往那种较大的机械安装空间以及管道施工，设置简单容易。

　　由于上述各种优势，可以说LED-UV印刷系统进一步增强了传统UV印刷系统的环境协调性。

　　7、发光波长区域的扩大成为新的课题

　　目前，根据印刷厂家使用的已实用化的紫外线LED的类型，以及根据所使用的LED照射装置发射的UV光的波长，油墨厂家均须相应地改变LED固化型油墨的光吸收特性，在油墨设计方面制约很大。今后，期望有能将数种的LED组合、发射波长范围广的UV照射装置在市场上问世。