В течение буквально пяти лет на российском и мировом рынке полиграфии стремительно вырос спрос на УФ-краски и лаки. Во многих странах Европы, США, в Японии их эффективно используют уже более 20 лет. Но в нашей стране различные композиции на основе УФ-материалов, начиная с девяностых годов, использовались активнее всего в производстве мебели. Однако отличительные свойства материалов довольно быстро сделали их актуальными в производстве именно этикеток для различной продукции.
Олигомеры и другие компоненты в составе УФ-красок
Одна из главных особенностей УФ-красок и лаков – отсутствие испаряющихся и впитывающихся растворителей. Это гарантирует тот факт, что такие материалы не меняют свой цвет при высыхании, чего нельзя получить при использовании красок на водной основе и других видах. Кроме того, в них имеется совершенно новый компонент – фотоинициатор.
В основном за ключевые свойства УФ-красок отвечает пленкообразующий компонент. И если в обычных красках используются смолы, то здесь это реакционноспособные олигомеры.
В основе большинства современных УФ-красок есть следующие олигомеры:
- Эпоксиакрилаты – наиболее доступный по стоимости вид. Применяется чаще всех остальных;
- Полиэфиракрилаты. Стоимость их несколько выше, однако они не такие вязкие и характеризуются повышенной эластичностью;
- Олигоуретанакрилаты – одни из наиболее дорогих олигомеров. Среди особенно важных свойств – высокий уровень адгезии, устойчивость к истиранию и другим воздействиям на материал. Кроме того, благодаря им формируется качественная и эластичная пленка, что в производстве этикеток очень важно.
В зависимости от группы олигомеров отличаются непосредственно свойства краски: реакционная способность, степень текучести, эластичность и высокая твердость. Правильная комбинация позволяет создавать краски, что полностью отвечают производственным запросам. В нашем случае, высокому качеству печати и прочности этикетки. С этой целью в обязательном порядке обсуждаются все требования к печатной продукции с поставщиком.
Реакционные свойства УФ-красок
В УФ-красках используются специальные низкомолекулярные соединения, которые по своим свойствам во многом напоминают растворители, что применяются для обычных красок. Однако в них есть ключевая особенность – это не летучие соединения. То есть, они остаются в структуре краски даже после высыхания и создают наряду с олигомерами единую структуры.
Реакционные мономеры – это именно те компоненты, которые формируют специфический запах красок или лаков, а также могут вызывать раздражение при воздействии на кожу или слизистую оболочку глаз, носа, рта. На данный момент ведется активная работа с целью минимизировать количество мономеров в составе УФ-красок, а в идеале и вовсе их исключить. Тем не менее, даже при наличии таких мономеров материалы остаются куда более безопасными для здоровья и практичными в использовании, чем аналоги.
Фотоинициаторы
УФ-излучения, которое воздействует на краску, недостаточно для того, чтобы разорвать соединение мономера и олигомера. Чтобы обеспечить это, в состав красок вводят дополнительно специальные компоненты – фотоинициаторы. Их предназначение – поглощение энергии УФ-излучения и генерация свободных радикалов. Те в свою очередь провоцируют реакцию полимеризации олигомеров и мономеров.
Радикальное и катионное отверждение – особенности и области применения
На данный момент именно изготовление этикетки является преимущественной сферой применения УФ-красок. Помимо того, что они обеспечивают точную и насыщенную цветопередачу, такие материалы также гарантируют высокую механическую и химическую устойчивость. Кроме того, такая печать достаточно экономична. В некоторых случаях достаточно добавить в одну из секций флексомашины специальный УФ-модуль, и она готова к работе с УФ-красками и лаками. Стоит упомянуть, что УФ-лак можно наносить даже на флексографские и водные краски.
Современные УФ-краски практичнее всего использовать для нанесения изображений на обычную бумагу и картон. Тем не менее, с этим нормально справляется и офсетная печать. Но вот различные полимерные пленки, металлизированная бумага и фольга – вопрос совсем иной. Именно здесь флексографическая печать на основе УФ-красок зачастую становится единственно возможным вариантом. Но и подход к выбору материала должен быть более тщательным. Слишком быстрое затвердение, возможная усадка и прочие свойства могут стать причиной слабой адгезии и других негативных особенностей. Поэтому довольно часто используются обычные краски, которые после просыхания покрываются УФ-лаком. Это обеспечивает высокую прочность и износостойкость материала, невосприимчивость к большинству типичных воздействий.
С целью решения возможных проблем с печатью, указанных выше, были созданы специальные УФ-краски катионного отверждения. Если в красках реакционного отверждения применяются акрилаты, то в данном случае применяются эпоксидные смолы. Они обладают комплексом преимуществ и открывают больше возможностей для применения красочных материалов. В первую очередь это практически полностью отсутствующая чувствительность к кислороду. Кроме того, такие краски могут быстро и полноценно высыхать и отвердевать даже в полной темноте. Единственное, что требуется, — мощный первоначальный импульс УФ-облучения. Он провоцирует активный выброс катионов. Благодаря этому скорость закрепления материала значительно выше, чем у красок радикального отверждения. Современные катионные краски характеризуются повышенной адгезией, что позволяет наносить их практически на любые запечатываемые материалы.
Единственное, что останавливает многих производителей этикеток и заказчиков, — более высокая цена катионных красок. Поэтому используются они чаще всего лишь тогда, когда реально возникает необходимость в высочайшем уровне адгезии краски и запечатываемого материала. В других случаях можно обойтись и более дешевыми вариантами печати.
Еще один немаловажный факт, который делает катионные краски практичнее, — полное отсутствие запаха и раздражающих компонентов, что делает их полностью безопасными для человеческого здоровья.
Итоги
Если обобщить всю информацию об УФ-красках, можно смело утверждать, что их использование – это в первую очередь значительная экономия времени. Высокая скорость производства служит одновременно преимуществом как для типографии, выполняющей печать, так и для заказчика, который хочет получить готовый тираж в минимально короткие сроки, чтобы запустить продажи как можно оперативнее.
Печать на основе УФ-красок ощутимо экономит место. Все отпечатанные паллеты не нуждаются в просыхании, а сразу же могут отправляться заказчику. То есть, фактически складские и цеховые помещения больших размеров не требуются.
Единственное, в чем применение УФ-красок проигрывает, — необходимость использования дополнительного оборудования: лампы и УФ-сушка. Но даже при этом УФ-печать остается более чем оправданной по качеству и стоимости.
На сегодняшний день УФ-краски применяются практически во всех видах печати: трафаретная, флексографическая, офсетная и т.д. И вполне вероятно, что в будущем их применение будет еще шире.
Особенности и применение красок УФ-отверждения
В течение буквально пяти лет на российском и мировом рынке полиграфии стремительно вырос спрос на УФ-краски и лаки. Во многих странах Европы, США, в Японии их эффективно используют уже более 20 лет. Но в нашей стране различные композиции на основе УФ-материалов, начиная с девяностых годов, использовались активнее всего в производстве мебели. Однако отличительные свойства материалов довольно быстро сделали их актуальными в производстве именно этикеток для различной продукции.
Особенности офсетных УФ-красок
Быстрозакрепляющиеся УФ-краски для листовой офсетной печати содержат:
- пигмент;
- быстрозакрепляющееся связующее;
- сиккатив;
- воск (парафин) и растворители.
УФ-краски закрепляются в основном в результате механизма окислительной полимеризации связующего под действием растворенного в краске кислорода воздуха, причем сиккатив играет роль катализатора (ускорителя) полимеризации.
Реакционные свойства УФ-красок
В УФ-красках используются специальные низкомолекулярные соединения, которые по своим свойствам во многом напоминают растворители, что применяются для обычных красок. Однако в них есть ключевая особенность – это не летучие соединения. То есть, они остаются в структуре краски даже после высыхания и создают наряду с олигомерами единую структуры.
Реакционные мономеры – это именно те компоненты, которые формируют специфический запах красок или лаков, а также могут вызывать раздражение при воздействии на кожу или слизистую оболочку глаз, носа, рта. На данный момент ведется активная работа с целью минимизировать количество мономеров в составе УФ-красок, а в идеале и вовсе их исключить. Тем не менее, даже при наличии таких мономеров материалы остаются куда более безопасными для здоровья и практичными в использовании, чем аналоги.
УФ отверждаемые краски
Если проанализировать рынок лаков и красок по всему миру, то можно убедиться, что из-за ужесточения экологических законов в большом количестве государств, снижается изготовление и использование лаков и красок, которые разбавляют органическими растворителями и которые производят с применением токсичных веществ.
Снизить неблагоприятное воздействие от изготовления и потребления материалов лакокрасочной промышленности возможно, если применять новые инженерные технологии (совершенствование процедуры окрашивания поверхностей, автоматизация производства, применение новых методов очищения производственных отходов) либо производить экологичные виды лаков и красок, применяя современные технологии их изготовления.
К таким лакокрасочным материалам относятся порошковые лаки и краски. Окрашивание материалом в виде порошка является безотходным и экологичным методом окрашивания. Его разработали в середине 20 века. А сейчас порошковым материалом покрывают 15% поверхностей, требующих окрашивания, во всем мире.
Главной отличительной чертой нанесения обычных жидких материалов и порошковых материалов является то, что порошковый материал имеет твердое агрегатное состояние, а среди его компонентов нет растворителей органического происхождения и жидкого образователя пленки.
Красящие материалы в виде порошка являются смесями пигментов, наполнителей и образователей пленки, которые при расплаве образуют сплошное покрытие на окрашиваемой поверхности.
В таких материалах дисперсной средой выступает воздух (нет растворителя либо воды), из-за чего этот вид лакокрасочных материалов является более выгодным с экологической, технической и экономической точек зрения, чего нельзя сказать об обычных материалах промышленности, выпускающей лаки и краски.
Однако такие материалы еще относительно новые на рынке лаков и красок, поэтому их выпуск представлен небольшим ассортиментом. Есть материалы на базе термореактивных полимеров (по-другому олигомеров) и на базе термопластичных полимеров.
Фотоинициаторы
УФ-излучения, которое воздействует на краску, недостаточно для того, чтобы разорвать соединение мономера и олигомера. Чтобы обеспечить это, в состав красок вводят дополнительно специальные компоненты – фотоинициаторы. Их предназначение – поглощение энергии УФ-излучения и генерация свободных радикалов. Те в свою очередь провоцируют реакцию полимеризации олигомеров и мономеров.
Механизм закрепления классических офсетных красок
Более высокая липкость классических офсетных красок для листовой печати по сравнению с липкостью красок для рулонной офсетной печати позволяет воспроизводить более мелкие растровые точки. Способность этих красок быстро закрепляться определяется связующим, которое включает смолу и декапированное масло, растворенные в низковязком высококипящем масле. Эти составляющие (при надлежащей рецептуре) поглощаются (абсорбируются) бумагой, вызывая быстрый рост вязкости перешедшей на бумагу краски.
Механизмы закрепления УФ-красок
Традиционные чернила «прилипают» к основе лучше ультрафиолетовых, так как в их состав входят связующие смолы и декапированные масла. Бумага поглощает составляющие, и вязкость печатных материалов повышается. Механизм закрепления УФ-составов иной.
Типографии работают по двум базовым схемам:
- Для впитывающей основы — УФ-сушка на приемке. Линия с 2—3 светильниками мощностью до 200 Вт/см понадобится при печати триадой. Если нужно увеличить число секций или использовать белила, количество сушек растет.
- Для невпитывающих поверхностей — по одной лампе после каждой секции, плюс сушка на приемке.
Вторую схему рекомендуют использовать и при работе с высококрасочным рисунком. Тогда ультрафиолетовое излучение проникнет во все слои и поверхность правильно полимеризуется.
УФ-отверждаемые чернила до и после полимеризации
Фиксация — результат кислородного окисления и полимеризации связующих элементов. В УФ-составах много сиккативов, акрилатных олигомеров, и поверхность «схватывается» за секунды. При работе с невпитывающими поверхностями в чернила для ультрафиолетовой обработки добавляют полиэфир или полиуретанакрилат. Эти вещества увеличивают адгезию.
На видео показан процесс печати УФ-красками на чехлах для телефонов:
Преимущества и недостатки
Помимо способности к быстрому отверждению, позволяющей сразу приступать к постпечатной обработке оттисков, Уф-краски дают еще целый ряд преимуществ:
- возможность использовать при печати на невпитывающих поверхностях;
- стойкий к химическим и механическим воздействиям красочный слой;
- равномерная насыщенность плашек и крупных штрихов;
- глянцевая поверхность оттиска;
- стабильность состава, позволяющая получать одинаковые оттиски на протяжении всего тиража;
- более простой процесс печати, отсутствие необходимости в противоотмарывании;
- отсутствие вредных веществ, поэтому могут быть использованы при изготовлении полиграфической продукции для пищевой промышленности;
- не сохнут в красочном аппарате, поэтому можно их оставлять на несколько дней (количество времени зависит от состава) и не тратить время на смывку.
В целом можно отметить то, что использование красок УФ-отверждения дает колоссальную экономию по времени при изготовлении полиграфической продукции, а это очень важно для увеличения прибыли и оборота типографий.
Кроме того, эта технология помогает экономить место, палеты с отпечатанными листами не стоят в цехах, полуфабрикаты могут сразу поступать в дальнейшую обработку. Это тоже зачастую является критически важным для типографий, которые платят огромные деньги за аренду каждого метра помещения, если оно не находится у них в собственности.
Отрицательными сторонами этих красок является их высокая стоимость по сравнению с обыкновенными и необходимость дополнительного оборудования и расходных материалов для него (Уф-сушка и лампы).
Применение красок уф-отверждения
Благодаря своим свойствам это материал получил очень широкое распространение: УФ-краски производят для большинства видов печати: офсетной, трафаретной, цифровой. Свойства этих красок позволяют использовать при разработке дизайна полиграфической продукции различные нестандартные решения.
Уф-красители используют не только при изготовлении полиграфической продукции, но и в производстве мебели, при создании интерьеров. Они дают возможность печатать на бумаге и картоне, на пластике и полиэтилене, железе и дереве, стекле и керамике.
К группе УФ отверждаемых ЛКМ относятся разнообразные лакокрасочные материалы, содержащие фотоинициатор. Их отверждение может происходит очень быстро под воздействием ультрафиолетовых лучей, направляемых на поверхность специальными УФ лампами.
УФ-краски в печати
Методика отверждения ультрафиолетовым излучением применяется практически во всех способах печати:
- трафаретной всех видов;
- флексопечати;
- шелкографии;
- офсетной листовой и рулонной;
- полиграфии;
- широкоформатной, на струйных принтерах.
Благодаря неповторимым свойствам красящих материалов практически очень быстро отверждаться, печатать УФ-красками можно на разном материале:
- бумаге;
- древесине;
- пластмассе;
- пленке;
- пластике.
Если печать изготавливается на невпитывающих материалах, к примеру, полиэтиленовых пленках, нужно контролировать натяжение поверхности, из-за того что проблема сцепки красящего слоя с пленкой или пластиком может быть миной замедленного действия. Изъяны станут заметны позже, а поправить брак будет не представляется возможным, благодаря этому натяжение выверяют специализированными чернилами или тестовыми карандашами.
Во время печати обязаны выполняться следующие условия климата:
- температура от 18 до 24 градусов;
- влажность от 50 до 60%.
Главное! Свет от ламп дневного освещения и лучи солнца не должны попадать на печатную машину, банки с красящими материалами. Для защиты на окнах нужно применять жёлтые фильтры и лампы безопасного жёлтого и белого спектра.
Изделия которые уже готовы можно покрыть лаками UV отверждения, которые оберегают продукцию и создают специализированные эффекты, к примеру, матовую либо глянцевую поверхность. УФ-лакирование считается экологической, неопасной и рентабельной технологией.
В общем, краски и лаки, отверждаемые ультрафиолетовым излучением, очень популярны в печатных цехах Москвы, из-за того что даже при печати на «капризных» материалах дают желаемые результаты.
УФ склейка стекла
Итоги
Если обобщить всю информацию об УФ-красках, можно смело утверждать, что их использование – это в первую очередь значительная экономия времени. Высокая скорость производства служит одновременно преимуществом как для типографии, выполняющей печать, так и для заказчика, который хочет получить готовый тираж в минимально короткие сроки, чтобы запустить продажи как можно оперативнее.
Печать на основе УФ-красок ощутимо экономит место. Все отпечатанные паллеты не нуждаются в просыхании, а сразу же могут отправляться заказчику. То есть, фактически складские и цеховые помещения больших размеров не требуются.
Единственное, в чем применение УФ-красок проигрывает, — необходимость использования дополнительного оборудования: лампы и УФ-сушка. Но даже при этом УФ-печать остается более чем оправданной по качеству и стоимости.
На сегодняшний день УФ-краски применяются практически во всех видах печати: трафаретная, флексографическая, офсетная и т.д. И вполне вероятно, что в будущем их применение будет еще шире.
Специфика красок УФ-отверждения
В печатных цехах используются акриловые, водоразбавимые, полиэфирные лаки и красочные материалы, которые отверждаются УФ-излучением.
Эти краски высыхают буквально за несколько минут и отличаются высокой реактивностью, обладают почти 100%-ным сухим остатком. В составе отсутствует УФ-отвердитель. Твердость и прочность получившегося слоя дает возможность использовать материал при покраске паркетных покрытий. Они экологичные, в процессе высыхания почти не выделяют испарений. Однако при контакте с открытой кожей вредят эпидермису, поэтому работать с акриловыми ЛКМ надо в перчатках, респираторе и очках. Из-за высокой вязкости акриловые ЛКМ нельзя наносить способом распыления.
Полиэфирные
Эти краски и лаки недорогие, но для полного высыхания требуется обдув. Отверждаются при воздействии большого количества ультрафиолетовых ламп. Подходят для нанесения распылением. Слои ЛКМ имеют свойство желтеть во время отверждения УФ.
Водоразбавимые
Характеристики этих лакокрасочных материалов:
- экологичность;
- высокое качество;
- безопасность.
Водоразбавимые ЛКМ не желтеют и пригодны для распыления. При высыхании образуют прочные пигментные слои высокого качества. Абсолютно безвредны при попадании на открытую кожу. Они дороже акриловых и полиэфирных, требуют конвективной сушки.
Таблица сравнения акриловых, полиэфирных и водоразбавимых красок УФ-отверждения
Отличительная особенность УФ-красок – способность быстрого засыхания красочного слоя на оттиске под воздействием ультрафиолетового излучения, вне зависимости от характеристик запечатываемого материала. Использование красок УФ-отверждения для офсетной, трафаретной и других видов печати позволяет создавать качественные изображения даже на невпитывающих материалах, что существенно расширяет возможности при создании дизайна полиграфической продукции.
Для использования таких красок необходимы специальные УФ-сушки – устройства, состоящие из лампы, рефлектора, фокусирующего лучи, и системы охлаждения.
УФ-лаки и краски катионного отверждения
Для решения проблем, связанных с адгезией при использовании рассмотренных выше УФ-композиций радикального отверждения, была разработана группа УФ-красок и лаков так называемого катионного отверждения. Фотоинициаторами для этих красок являются специальные соединения — четвертичные ониевые соли кислот Льюиса, например триарилсульфониевые соли, которые под воздействием УФ-облучения распадаются с образованием активного катиона, инициирующего полимеризацию (рис. 7).
В отличие от радикальных УФ-красок в качестве связующего-пленкообразователя здесь используются не акрилаты, а эпоксидные смолы — обычно низковязкие алифатические эпоксиды, полимеризующиеся по катионному механизму с раскрытием эпоксидного цикла (рис. 8, 9).
Главные особенности катионных УФ-красок — низкая чувствительность к кислороду и возможность дальнейшего протекания полимеризации даже в темноте. Начальный мощный импульс УФ-облучения необходим для высокого выхода инициирующих катионов. Скорость катионных композиций закрепления ниже, чем у радикальных, но зато внутренние напряжения в отвержденном полимере успевают релаксировать за счет конформационных перегруппировок макромолекулярных цепей. Поэтому катионные УФ-краски имеют очень высокую адгезию, в том числе и к проблемным субстратам.
УФ-отверждаемые ЛКМ: основные характеристики и преимущества применения
Способ отверждения ЛКМ УФ-излучением получил промышленное развитие в конце 1960-х гг. и в настоящее время считается одним из наиболее перспективных. К его достоинствам относятся относительно высокая производительность, малые затраты энергии, несложное оборудование. Однако отверждаться под действием УФ-излучения способно лишь ограниченное число ЛКМ.
УФ-излучение используют главным образом при получении покрытий из материалов, способных отверждаться за счет реакции полимеризации. Принцип отверждения основан на способности УФ-лучей инициировать реакцию полимеризации олигомерных материалов определенной химической структуры. Энергия УФ-излучения достаточно высока – 3,1-12,4 эВ, что в 2-4 раза выше энергии лучей видимого света. Энергия двойной связи С=С составляет 6,3 эВ, и это позволяет проводить отверждение покрытий с удовлетворительной скоростью при нормальной температуре. Согласно DIN 5031, УФ-область спектра разделяется на следующие участки:
- самое короткое волновое УФ-С-излучение (длины волн λ = 100-280 нм), которое обладает наиболее высокой энергией и абсорбируется, как правило, в верхних слоях покрытия. Оно используется для полимеризации печатных красок и лаков до полного отверждения;
- УФ-В (λ = 280-315 нм) инициирует реакции полимеризации и обеспечивает лучшее отверждение благодаря большей длине волны;
- УФ-А (λ = 315-380 нм) применяют для отверждения в очень толстом слое;
- УФ-М (λ = 380-450 нм) – для отверждения пигментированных составов.
Процесс полимеризации можно разделить на стадии инициирования, развития и завершения. На стадии инициирования в результате химического распада фотоинициатора под действием УФ-излучения образуются реакционноспособные частицы (свободные радикалы). В частности, распад бензоина и его производных приводит к образованию свободных радикалов, реагирующих с С=С-связями.
С экологической точки зрения важным преимуществом УФ-отверждения является то, что в этом случае используются только реакционноспособные 100 %-ные вещества и поэтому не возникают проблемы, связанные с регенерацией растворителя. Потребляемая энергия невелика. Отверждение происходит при комнатной температуре, поэтому можно отверждать ЛКМ на подложках, чувствительных к высоким температурам. Но наиболее важным преимуществом этого метода является экономический фактор. Отверждение происходит с высокой скоростью, управление установками относительно простое, для выполнения работ требуются минимальные рабочие площади и минимум людских ресурсов. Несомненным преимуществом является и то, что конечные продукты имеют высокое качество.
Факторами, влияющими на качество покрытий УФ-отверждения, являются: рецептура ЛКМ, толщина пленки, окрашиваемая поверхность, скорость линии (доза излучения), атмосфера, тип УФ-лампы, расстояния между лампами и от лампы до подложки. Традиционная рецептура ЛКМ УФ-отверждения включает смолу, реактивный разбавитель, фотоинициатор, синергетик, добавки, наполнители и пигменты. Тип пленкообразователя определяет защитные и физико-механические свойства покрытий, а также реакционную способность.
Активный разбавитель – компонент, участвующий в образовании пленки при полимеризации, влияет на вязкость исходного ЛКМ. Фотоинициатор определяет реакционную способность ЛКМ, необходимую дозу УФ-излучения. Добавки улучшают смачивание подложки, растекаемость, пеногашение, блеск покрытия. К пленкообразователям, способным отверждаться под действием УФ-излучения, относятся эпоксиакрилаты, эпоксиэфиракрилаты, полиэфиракрилаты, ненасыщенные полиэфиры, уретанакрилаты, уретанакрилаты двойного отверждения.
В качестве активных разбавителей используют следующие вещества:
- моноакрилаты – гидроксиэтиленметакрилат, изоборнилакрилат, феноксиэтилакрилат;
- диакрилаты – бутандиолдиакрилат, дипропиленгликольдиакрилат, неопентилгликольдиакрилат, трипропиленгликольдиакрилат;
- триакрилаты – триметилпропантриакрилат, глицеринтриакрилат, пентаэритритакрилат.
С увеличением функциональности активных разбавителей от одного до трех возрастает их реакционная способность, увеличивается твердость образующегося покрытия, но при этом снижается его эластичность.
Инициаторы УФ-отверждения представляют собой соединения, которые за счет поглощения УФ-излучения переходят в возбужденное состояние с последующим внутримолекулярным распадом, приводящим к образованию радикалов. УФ-сенсибилизаторы – соединения, которые, поглощая энергию, передают ее другим молекулам, образующим радикалы. Для разных областей применения разработаны различные классы УФ-инициаторов. Большинство УФ-инициаторов содержат группу бензоила, различные заместители которой определяют длину волны, при которой достигается максимальная абсорбция УФ-излучения, активность, выход радикалов и, соответственно, оптимальная область применения.
Простейшим инициатором является бензофенон и его алкилпроизводные, которые при взаимодействии с соединениями – донорами водорода образуют радикалы, инициирующие реакцию полимеризации. Другой тип фотоинициаторов – давно известные бензоиновые эфиры. При расщеплении они образуют два очень активных радикала. Наиболее современными продуктами, применяемыми в качестве УФ-инициаторов, являются моно- и дибензоилфосфиноксиды. Они отличаются высокой реакционной способностью и хорошей стабильностью. Бензоилфосфиноксиды абсорбируют излучение в длинноволновой УФ-области. Эти инициаторы рекомендуются для использования в составе пигментированных ЛКМ. Выход радикалов и максимальная абсорбция – решающие факторы при выборе типа и количества инициатора для УФ-отверждаемых ЛКМ.
В качестве источника УФ-излучения используют микроволновые безэлектродные УФ-излучатели, ртутные лампы низкого давления и ртутные излучатели высокого давления. Ртутный излучатель высокого давления имитирует характерный спектр с основными линиями λ = 254, 302, 313, 405 и 456 нм. Излучение в этой волновой области обладает высокой энергией, достаточной для расщепления фотоинициатора и инициирования радикальной полимеризации. Мощность излучения не может характеризовать интенсивность и энергетическую плотность попадающего на отверждаемую пленку УФ-излучения, так как в данном случае необходимо также принимать во внимание следующие факторы: геометрию рефлектора и силу фокусировки, расстояние от излучателя до подложки, а также атмосферу, в которой происходит отверждение.
Для фокусировки УФ-излучения на подложке применяют рефлекторы, которые собирают УФ-излучение в пучок или отражают. В основном используют два типа рефлекторов. Самым сильным является эллиптический рефлектор, создающий фокальную линию, на которой находится максимум УФ-излучения. Расстояние до окрашенной подложки должно быть точно установлено. В параболическом рефлекторе излучение отражается параллельно, и фокальной линии не образуется.
На скорость отверждения также влияет состав атмосферы, в которой происходит отверждение. Коротковолновое УФ-С-излучение, обладающее наиболее высокой энергией абсорбции, интенсивно поглощается кислородом воздуха (λ
УФ отверждаемые лакокрасочные материалы
Лакокрасочные материалы, которые застывают под воздействием ультрафиолета, нашли промышленное применение в конце 1960-х годах, а на данным момент являются наиболее перспективными. И всё это благодаря главным достоинствам УФ лакокрасочных материалов, а именно : высокая производительность, малые затраты энергии, несложное оборудование.
Кратко, что представляет собой процесс УФ отверждения :
УФ отверждения — это процесс облучения лакокрасочного материала, в состав которого входит фотоинициатор, который распадается на реакционноспособные радикалы при воздействии интенсивного УФ-излучения с длиной волны 300 – 400 нм.
В УФ лакокрасочных материалах связующее это фотополимеризующая композиция, которая не испаряется, как растворители обыкновенных красок, а полимеризуется, превращаясь в твердую пленку в ходе химической реакции, инициированной излучением и специальным компонентом фотоинициатором.
Что такое фотоинициатор?
Фотоинициатор — это соединения, которые за счет поглощения УФ света переходят в возбужденное состояние с последующим внутримолекулярным распадом, приводящим к образованию радикалов.
В чём преимущества установок для нанесения УФ лакокрасочных материалов?
Для нанесения УФ — красок используют компактные окрасочные установки, которые требуют на 90 % меньше места по сравнению с окрасочными линиями для нанесения традиционных лакокрасочных систем.
Это стало возможным благодаря тому, что не нужна зона выдержки, где происходит испарение растворителей, не нужна зона нагрева, сушки, а также зона охлаждения. Кстати, всё это ещё экономит и электроэнергию.
 |
|---|
| Рис. 1. УФ сушка лакокрасочных материалов |
Смотрите видео об УФ отверждении лакокрасочных материалов, механизме процесса, достоинствах и недостатках
Преимущества и недостатки технологии УФ отверждения
| Достоинства | Недостатки |
|---|---|
| Длительность отверждения от нескольких секунд до нескольких минут. | Рентабельность полных автоматических линий достигается при высоких объёмах производства. |
| Производительность автоматических линий может быть очень высока, десятки тысяч м. кв. в смену. | Стоимость ЛКМ значительно выше, чем аналогичных обычной сушки. |
| Многократно меньше места требуется для сушки изделий, меньшая энергоёмкость по сравнению с тепловой сушкой. | Отделка неплоских поверхностей обычно приводит к дополнительным этапам сушки. |
| Гибкость техники отверждения позволяет применять её по частям, экономически обоснованными участками. | Максимальное качество отделки требует замедления процесса отверждения. |
| Собранный стёкший ЛКМ в случае 1-компонентных материалов может использоваться вторично. | Укрывистая цветная отделка осложнена. |
| Могут быть гораздо меньше толщины слоев наносимых ЛКМ. | |
| Повышенная физическая и химическая стойкость покрытий. | |
| Относительная безвредность материалов на производстве, меньше выбросы вредных веществ в атмосферу, меньшая взрывоопасность. |
Важным преимуществом УФ отверждаемых материалов является то, что они могут наноситься очень тонким слоем с получением достаточного защитного эффекта.
Например, отделка дубового паркета , включающая шпаклёвку, 2 слоя грунта и лак, имеет рекомендованную толщину всего 110 микрон. К тому же, стёкший УФ материал во многих случаях может быть использован вторично.
УФ ЛКМ отличаются меньшей вредностью на производстве по сравнению с ЛКМ на органических растворителях. Недопустим контакт с кожей органоразбавимых УФ материалов, водные УФ ЛКМ особой контактной вредности не имеют.
Недостатки высокой скорости отверждения УФ ЛКМ
- это качество растекания ЛКМ по поверхности, качество финишного слоя
- при УФ сушке все дефекты (капли, потеки и так далее) немедленно фиксируются и чаще всего оказываются неустранимыми
- укрывистое, эмалевое покрытие УФ материалами сложно реализовать по понятной причине: оно задерживает УФ лучи. Однако разработаны и пигментные ЛКМ УФ отверждения. Количество вводимых в эмали красителей и толщина слоя при этом ограничены.
- обычно укрывистость достигается при нанесении 2-3 слоев (пигментный грунт и эмаль) по 100 -150 г/м2. Такие толстые слои требуют обычно этапов предварительной подсушки. Первый грунт должен наноситься слоем потоньше, поскольку при недостаточной его просушке падает адгезия
- для отверждения пигментных слоев в УФ туннели в дополнение к обычным ртутным лампам добавляются специальные галлиевые лампы, длина волны излучения которых приходится на диапазон минимального поглощения света красителями. Галлиевые лампы в УФ камере должны идти перед ртутными.
- чувствительными к УФ излучению оказываются и красители, особенно красные, в наибольшей степени поглощающие излучение фиолетовой части спектра. Это относится также и к морилкам, красные составляющие которых в УФ камерах выцветают.
Наибольшее применение находят :
Разнообразие свойств различных материалов УФ отверждения отражено в таблице.
Акриловые, полиэфирные, водоразбавимые лакокрасочные материалы УФ отверждения — достоинства и недостатки
| Разновидность ЛКМ УФ отверждения | Достоинства | Недостатки |
|---|---|---|
| Акриловые со 100 % сухим остатком | Сухой остаток 100 % | Высокая цена |
| Отверждение за несколько секунд, высокая реактивность (более 10 м/мин) | Высокая вязкость, непригодность для распыления и лаконалива | |
| Высокая стабильность, твердость достаточная для паркетных покрытий | Сложность реализации укрывистых пигментных слоёв | |
| Минимум испарений и их относительная безвредность | Вредность при контакте с кожей | |
| Полиэфирные двойного отверждения | Невысокая цена | Необходимы стадии обдува и туннеля |
| Пригодность для распыления, лаконалива | Большее количество УФ ламп | |
| Отверждение на участках с недостаточной экспозицией УФ | Невысокая реактивность (6 м/мин.) | |
| Достаточная укрывистость пигментных слоев | Нестабильность, желтеют при УФ отверждении |
|
| Водоразбавимые ЛКМ УФ отверждения | Экологичность | Высокая цена |
| Стабильность | Необходимость этапа конвективной сушки | |
| Пригодность для распыления, лаконалива | ||
| Высоко качественные пигментные слои | ||
| Высокая реактивность | ||
| Безвредность при контакте с кожей |
Акриловые УФ ЛКМ
Акриловые материалы УФ сушки могут обладать очень высоким сухим остатком, почти до 100%. В них не вводится отвердитель, а добавляется только фотоинициатор.
Отверждение акриловых УФ материалов происходит за несколько секунд под воздействием УФ ламп высокой мощности.
Материалы с сухим остатком 100% обычно наносятся на специальных окрасочных линиях, включающих вальцовые машины и сушильные камеры с ультрафиолетовыми лампами.
Для нанесения лаконаливом или распылением в акриловые УФ материалы обычно добавляется разбавитель, что осложняет и замедляет отверждение.
В последнее время появились материалы со 100% сухим остатком, которые можно наносить распылением и без добавления разбавителя. Эти материалы содержат большое количество мономеров и поэтому имеют низкую вязкость, правда качество отделки такими материалами пока невысокое.
Вариант нанесения распылением интересен тем, что его можно использовать для отделки неплоских изделий, а также не имея полной автоматической линии.
Какая специфика акриловых УФ ЛКМ?
- высокая реакционная способность, то есть быстрота отверждения, что позволяет обеспечить высокую скорость продвижения окрашиваемых материалов по автоматической линии около 10 м/мин. в случае изделий большой площади (дверей) и до 100 м/мин в случае погонажа
- рабочая смесь не содержит отвердителя, обеспечивает высокую стабильность, то есть вязкость продукта не изменяется без воздействия УФ облучения. Такая рабочая смесь может быть использована и на следующий день, собранный стёкший материал без затруднений используется вторично
- особенности акриловых УФ материалов со 100% сухим остатком (высокая вязкость, нанесение вальцами тонким слоем) затрудняет получение на их основе укрывистых пигментных покрытий
- значительные сдвиговые напряжения могут перевести их в желеобразное состояние то есть используемые для перекачки этих ЛКМ насосы высокого давления должны быть сконструированы с учётом этого обстоятельства.
Полиэфирные УФ ЛКМ
Полиэфирные УФ ЛКМ являются материалами так называемого двойного отверждения. В такие материалы добавляется отвердитель, как и в материалы обычной сушки.
Сухой остаток полиэфирных УФ ЛКМ обычно не превышает 70%.
Сушка полиэфирных УФ ЛКМ происходит в 3 этапа:
- сначала 2-3 минуты обдув тёплым воздухом
- предварительное отверждение в камерах с несколькими УФ лампами низкой мощности (TL03, TL05)
- окончательное отверждение в камерах с лампами высокой мощности.
 |
|---|
| Рис. 2. Туннель для УФ сушки |
Водоразбавимые ЛКМ считаются таким же перспективным материалом УФ отверждения как и материалы со 100% сухим остатком. В некоторых случаях они незаменимы, например, для создания открытопористой отделки.
Разнообразие существующих УФ материалов и соответствующего оборудования очень велико, что позволяет организовывать участки отделки исходя из самых разнообразных технических и экономических ограничений:
- на некоторых предприятиях, например, используется только камера УФ отверждения с необходимыми подготовительными устройствами, зависящими от типа используемого ЛКМ
- нанесение материала может производиться ручным распылительным инструментом, а последовательно наносимые слои сушиться при последовательном внесении в одну и ту же УФ камеру. Необходимо только учитывать, что контакт УФ материалов с кожей может быть очень вреден.
Для бесперебойной работы процесса необходимо, конечно, отслеживать ряд технологических параметров.
Обычно критичными параметрами, специфичными для УФ технологии, являются полнота отверждения материала и температура отделываемых поверхностей при прохождении УФ камеры.
УФ-отверждаемые ЛКМ: характеристики и преимущества применения
Способ отверждения ЛКМ УФ-излучением получил промышленное развитие в конце 1960-х гг. и в настоящее время считается одним из наиболее перспективных. К его достоинствам относятся относительно высокая производительность, малые затраты энергии, несложное оборудование. Однако отверждаться под действием УФ-излучения способно лишь ограниченное число ЛКМ.
УФ-излучение используют главным образом при получении покрытий из материалов, способных отверждаться за счет реакции полимеризации. Принцип отверждения основан на способности УФ-лучей инициировать реакцию полимеризации олигомерных материалов определенной химической структуры. Энергия УФ-излучения достаточно высока – 3,1-12,4 эВ, что в 2-4 раза выше энергии лучей видимого света. Энергия двойной связи С=С составляет 6,3 эВ, и это позволяет проводить отверждение покрытий с удовлетворительной скоростью при нормальной температуре. Согласно DIN 5031, УФ-область спектра разделяется на следующие участки:
- самое короткое волновое УФ-С-излучение (длины волн λ = 100-280 нм), которое обладает наиболее высокой энергией и абсорбируется, как правило, в верхних слоях покрытия. Оно используется для полимеризации печатных красок и лаков до полного отверждения;
- УФ-В (λ = 280-315 нм) инициирует реакции полимеризации и обеспечивает лучшее отверждение благодаря большей длине волны;
- УФ-А (λ = 315-380 нм) применяют для отверждения в очень толстом слое;
- УФ-М (λ = 380-450 нм) – для отверждения пигментированных составов.
Процесс полимеризации можно разделить на стадии инициирования, развития и завершения. На стадии инициирования в результате химического распада фотоинициатора под действием УФ-излучения образуются реакционноспособные частицы (свободные радикалы). В частности, распад бензоина и его производных приводит к образованию свободных радикалов, реагирующих с С=С-связями.
С экологической точки зрения важным преимуществом УФ-отверждения является то, что в этом случае используются только реакционноспособные 100 %-ные вещества и поэтому не возникают проблемы, связанные с регенерацией растворителя. Потребляемая энергия невелика. Отверждение происходит при комнатной температуре, поэтому можно отверждать ЛКМ на подложках, чувствительных к высоким температурам. Но наиболее важным преимуществом этого метода является экономический фактор. Отверждение происходит с высокой скоростью, управление установками относительно простое, для выполнения работ требуются минимальные рабочие площади и минимум людских ресурсов. Несомненным преимуществом является и то, что конечные продукты имеют высокое качество.
Факторами, влияющими на качество покрытий УФ-отверждения, являются: рецептура ЛКМ, толщина пленки, окрашиваемая поверхность, скорость линии (доза излучения), атмосфера, тип УФ-лампы, расстояния между лампами и от лампы до подложки. Традиционная рецептура ЛКМ УФ-отверждения включает смолу, реактивный разбавитель, фотоинициатор, синергетик, добавки, наполнители и пигменты. Тип пленкообразователя определяет защитные и физико-механические свойства покрытий, а также реакционную способность.
Активный разбавитель – компонент, участвующий в образовании пленки при полимеризации, влияет на вязкость исходного ЛКМ. Фотоинициатор определяет реакционную способность ЛКМ, необходимую дозу УФ-излучения. Добавки улучшают смачивание подложки, растекаемость, пеногашение, блеск покрытия. К пленкообразователям, способным отверждаться под действием УФ-излучения, относятся эпоксиакрилаты, эпоксиэфиракрилаты, полиэфиракрилаты, ненасыщенные полиэфиры, уретанакрилаты, уретанакрилаты двойного отверждения.
В качестве активных разбавителей используют следующие вещества:
- моноакрилаты – гидроксиэтиленметакрилат, изоборнилакрилат, феноксиэтилакрилат;
- диакрилаты – бутандиолдиакрилат, дипропиленгликольдиакрилат, неопентилгликольдиакрилат, трипропиленгликольдиакрилат;
- триакрилаты – триметилпропантриакрилат, глицеринтриакрилат, пентаэритритакрилат.
С увеличением функциональности активных разбавителей от одного до трех возрастает их реакционная способность, увеличивается твердость образующегося покрытия, но при этом снижается его эластичность.
Инициаторы УФ-отверждения представляют собой соединения, которые за счет поглощения УФ-излучения переходят в возбужденное состояние с последующим внутримолекулярным распадом, приводящим к образованию радикалов. УФ-сенсибилизаторы – соединения, которые, поглощая энергию, передают ее другим молекулам, образующим радикалы. Для разных областей применения разработаны различные классы УФ-инициаторов. Большинство УФ-инициаторов содержат группу бензоила, различные заместители которой определяют длину волны, при которой достигается максимальная абсорбция УФ-излучения, активность, выход радикалов и, соответственно, оптимальная область применения.
Простейшим инициатором является бензофенон и его алкилпроизводные, которые при взаимодействии с соединениями – донорами водорода образуют радикалы, инициирующие реакцию полимеризации. Другой тип фотоинициаторов – давно известные бензоиновые эфиры. При расщеплении они образуют два очень активных радикала. Наиболее современными продуктами, применяемыми в качестве УФ-инициаторов, являются моно- и дибензоилфосфиноксиды. Они отличаются высокой реакционной способностью и хорошей стабильностью. Бензоилфосфиноксиды абсорбируют излучение в длинноволновой УФ-области. Эти инициаторы рекомендуются для использования в составе пигментированных ЛКМ. Выход радикалов и максимальная абсорбция – решающие факторы при выборе типа и количества инициатора для УФ-отверждаемых ЛКМ.
В качестве источника УФ-излучения используют микроволновые безэлектродные УФ-излучатели, ртутные лампы низкого давления и ртутные излучатели высокого давления. Ртутный излучатель высокого давления имитирует характерный спектр с основными линиями λ = 254, 302, 313, 405 и 456 нм. Излучение в этой волновой области обладает высокой энергией, достаточной для расщепления фотоинициатора и инициирования радикальной полимеризации. Мощность излучения не может характеризовать интенсивность и энергетическую плотность попадающего на отверждаемую пленку УФ-излучения, так как в данном случае необходимо также принимать во внимание следующие факторы: геометрию рефлектора и силу фокусировки, расстояние от излучателя до подложки, а также атмосферу, в которой происходит отверждение.
Для фокусировки УФ-излучения на подложке применяют рефлекторы, которые собирают УФ-излучение в пучок или отражают. В основном используют два типа рефлекторов. Самым сильным является эллиптический рефлектор, создающий фокальную линию, на которой находится максимум УФ-излучения. Расстояние до окрашенной подложки должно быть точно установлено. В параболическом рефлекторе излучение отражается параллельно, и фокальной линии не образуется.
