Чорнила з УФ затвердінням - як вони працюють
З 2006 р., спостерігається величезний поспіх щодо впровадження використання УФ чорнила на більшості ринків друку. Вона обумовлена новими розробками технології виробництва чорнила і вимог виробників принтерів і кінцевих користувачів. УФ-чорнило повсюдно використовується при виробництві POS матеріалів (POSM).
Цифровий друк сьогодні – метод де-факто для оперативного, середньо-, широкоформатного друку та друку на різних форматах. Технології, що керують цими процесами включають друкарське обладнання, засноване на тонері (електро-фотографія) та чорнила. Основні гравці ринку обладнання зазвичай використовують системи, що базуються на тонері, наприклад: Xerox IGen3, Kodak Nexpress, HP та HP Indigo, Oce’, Konica-Minolta, Ricoh, Kyocera та Xeikon.
На арені чорнильного друку вузького формату знаходяться Dainippon, HP, Kodak Versamark та Agfa Dotrix. Їхня швидкість і якість неухильно зростають. Загальна риса цих систем – друк на папері, на відміну від середньоформатної – 0,9 м на 2,5 м ширину (36 дюймів на 100 дюймів) або широкоформатним струменевим друком (ширина більш ніж 2,5 м або 100-дюймів), яка використовує переважно вінілові чи інші органічні матеріали.
Застосування середньо- та широкоформатного друку процвітало через гнучку природу струминної технології та пристосовність чорнила під різні матеріали. Наукові розробки в області чорнила для друку ніколи не були серйознішими, ніж зараз, від переходу з барвників на водній основі і пігментного чорнила до нині популярних сольвентних і УФ чорнил. Перевага на користь УФ чорнила відбулася завдяки їхній здатності майже миттєво змінювати свій стан від рідини до надзвичайно пружної, жорсткої плівки.
Можливість принтера керувати цим процесом у міру необхідності, робить це чорнило привабливим для подальших досліджень. Протягом останніх двох років, є великий поспіх по використанню УФ отверждаемых чорнила на більшості ринків друку. Вона обумовлена новими розробками технології виробництва чорнила і вимог виробників принтерів і кінцевих користувачів.
Технологія використання УФ чорнила, що затверділа, була в комерційній експлуатації принтерами з 1970-х. УФ отверждаемое чорнило, які широко використовувалися в трафаретному друку, зараз замінюють більшість сольвентних чорнил, що використовуються. Сольвентні як і чорнило на водній основі в процесі друку випаровують 80 – 90% компонентів.
Спектр УФ-чорнил
УФ чорнила не випаровуються
УФ чорнило не випаровуються, і, тому, ви витратите менше чорнила на квадратний метр площі. УФ чорнило отверждаются завдяки хімічній реакції, що проходить за допомогою ультрафіолетового світла. Ультрафіолетове світло – це електромагнітне випромінювання, довжина хвилі якого розташована між 200 та 380 нм світлового спектру. Переваги УФ чорнила затьмарюють будь-які недоліки, роблять їх у майбутньому домінуючими для промислового струминного друку.
Продаж УФ чорнила надав значну рушійну силу новому законодавству Європейського Союзу з приводу емісії летких органічних складів (VOC). Воно повністю набуло чинності в Жовтні 2007. Це норми, що урізають рівні VOC на 50 відсотків порівняно з 1990 р. УФ чорнила перебувають у рівновазі з сольвентними у більшості сфер застосування. Значна перевага УФ чорнила помітна в кількох аспектах. По-перше – це те, що у нього немає емісії VOCs, що є перевагою у забезпеченні безпеки робітників та навколишнього середовища.
По-друге, УФ чорнилом можна друкувати на більш високих швидкостях як на середньому так і широкому форматі без потреби у використанні громіздких сушильних систем. Нарешті, гнучкість у формуванні складу УФ чорнила дає схожість відбитків, забезпечуючи сумісність графічним додаткам у середньо- та широкоформатного друку.
Разом з гнучкістю розширюється діапазон жорстких матеріалів, в які можуть проникнути такі чорнила. Порівняно з сольвентними, УФ чорнила не сушать друковані головки і демонструють нижчий показник відмов сопел, викликаних їх засміченням. Але є й зворотні сторони, що включає ризик УФ-опромінення та виникнення питань, пов’язаних з обробкою неотвержденных УФ чорнила. Давайте пройдемося по термінології, пов’язаної з УФ чорнилом і процесом УФ затвердіння.
Компоненти УФ чорнила та його функції.
Ультрафіолетове отверждаемое чорнило зазвичай складаються з наступних компонентів:
- Фотоімітатори
- Мономери
- Олігоміри
- Барвники
- Добавки
Відомо, що УФ чорнило – це полімер. Полімер може бути будь-яким з численних натуральних і синтетичних високогомолекулярних сумішей, що складаються з мільйонів пов’язаних вузлів, що повторюються, кожен окремо є порівняно простою молекулою. Полімер УФ чорнила складається з мономерів та олігомерів.
Фотоініціатори
На початку та завершення процесу УФ затвердіння фотоініціатори – основні компоненти. Після поглинання УФ світла з джерела розташованого в друкованій головці фотоініціатори проникають в реагенти, які запускають хімічну реакцію, відому як полімеризація. Цей процес перетворює рідке чорнило на тверду плівку.
Фотоініціатори, що найчастіше використовуються в чорнилі для струминного друку були такої ж природи як і вільні радикали. Розробники чорнила працюють з постачальниками фотоініціаторів, щоб створювати чорнило, сумісні з ультрафіолетом середньої потужності, які дають ртутні лампи в більшості систем для струменевого УФ-отверждаемого друку. Недоліки такого типу джерела світла це: надмірне нагрівання матеріалу, високе споживання енергії та потреба в періодичній заміні ламп.
Мономери
Мономер (з грецького “mono” – один і “meros” – частина) – невелика, єдина молекула, яка може стати хімічно пов’язаною з іншими мономерами, формуючи полімер. Залежно від в’язкості та хімічного складу мономери забезпечують багато специфічних функцій у формуванні чорнила. Багато монофункціональних мономерів використовуються як «розчинники», або модифікатори потоку, через їх здатність зменшувати в’язкість і об’єднуватися з іншими компонентами чорнила. Мономери – на 100 % тверді речовини, які не виділяють VOC-і. Вони також впливають на поверхневі характеристики чорнила. Після затвердіння мономер стає частиною матриці полімеру. Мономіри можуть виконувати більше “функцій”. Вони можуть створювати поодинокі, подвійні, потрійні та ін. структури. Ці «вищі структури» мономеру підвищують твердість і стійкість плівки до стирання, але також можуть і збільшити в’язкість хімічної сполуки.
Олігоміри
Олігоміри мають високу молекулярну вагу і є хімічним каркасом УФ отверждаемого чорнила. Олігоміри визначають кінцеві властивості затверденої плівки, включаючи еластичність, характеристики стійкості до атмосферних та хімічних впливів.
Барвники
Барвники в УФ чорнила можуть бути засновані на фарбах або пігментах. Барвники, як правило, засновані на пігментах через їх більший світлоповорот і довговічність у порівнянні з фарбами. Пігменти використовувалися у зовнішній рекламі та екранні програми мають аналогічні вимоги для тих, що використовуються в автомобільних фарбах. Отже, у використанні є щось спільне. Поки пігмент вибирається на основі необхідної програми, контроль його кількості, зменшення та розподіл – основні складові компоненти складу чорнила.
Добавки
Залежно від формули УФ чорнила, в них можуть бути включені інші добавки, як наприклад, потокоутворюючі і розріджуючі засоби, антиоксиданти і стабілізатори. Щоб гарантувати, що чорнильна плівка рівномірно покриває матеріал, додаються активні речовини. Уважне керування процесом розпилення сприяє правильному формуванню точки, що є життєво важливим для якості зображення.
Стабілізатори використовуються, щоб продовжити термін зберігання чорнила та збільшити здатність до нагрівання, яка важлива за більш високих температур впорскування. Простіше кажучи, стабілізатори нейтралізують або поглинають хімічно активні молекули в чорнилі в процесі зберігання і запобігають їх полімеризації.
УФ чорнило з вільними радикалами.
В даний час більшість планшетних струменевих систем використовують так звані УФ чорнило з вільними радикалами, а не катонічні (що містять позитивно заряджені електрони) чорнило. Останні удосконалення хімічного складу катонічного чорнила стимулюють їх застосування в струменевому друку.
УФ чорнило з вільними радикалами використовують акрилатну або уретанову смолу, яка при впливі УФ випромінювання швидко полімеризується. Цьому сприяють хімічні сполуки-фотоініціатори. У цьому вони виділяють виразний запах. При дії УФ випромінювання вони можуть швидко затвердіти.
Затвердіння сповільнюється за наявності кисню і припиняється з відсутністю УФ-випромінювання. Широкоформатне струменеве друкарське обладнання потребує інтенсивного випромінювання, щоб чорнило тверділо. Існує ряд обмежень на УФ чорнила з вільними радикалами, які включають обмеження кисню, слабку адгезію на матеріали та залишковий запах.
УФ затвердіння
УФ чорнило з вільними радикалами зазвичай використовують лампу з ртутною парою, що зачиняється шторкою, з кожного боку друкуючої головки, щоб віддавати достатню для процесу затвердіння потужність УФ випромінювання. Ці лампи дуже гарячі, тому температура передається на матеріал з кожним проходом друкуючої головки.
Така передача тепла обмежує типи матеріалів, які можна використовувати з цією чорнильно-ламповою системою друку. Термін служби УФ ламп, що постійно змінюється на виході, можуть спровокувати недостатній потік енергії для повного затвердіння чорнильного шару. Якщо чорнильний шар повністю не затвердіє, чорнило не досягне свого передбачуваного потенціалу міцності.
Інтенсивність УФ ламп збільшується з падінням продуктивності, яка обумовлюється типом лампочки, часом використання та робочим циклом принтера. Пил та залишки чорнила у вікнах ламп та рефлекторах також можуть впливати на вихідну потужність лампового вузла, тому потрібна періодична профілактика, щоб запобігти падінню ефективності процесу затвердіння.
Адгезія також є змінною величиною залежно від матеріалу та тривалості УФ опромінення. УФ отверждаемые чорнило- по суті знаходяться на матеріалі (на відміну від сольвентних, які вбираються в матеріали), і зв’язок між чорнилом і матеріалом не такий міцний як у сольвентних чорнила. Крім того, додається ефект від часу експозиції УФ випромінювання: якщо чорнило занадто затверділо, воно може стати крихким і облупитися. Ломкість залежить від типу носія та кольору чорнила.
Навіть хоча процес УФ затвердіння чорнила миттєвий і чорнило сухе на дотик відразу після друку, деяке пост-затвердіння все ж таки відбувається. Тому, перш ніж буде досягнуто максимальної міцності чорнильної плівки, може знадобитися кілька годин.
Катіонне чорнило
Катіонні чорнила, які, в основному, використовують епоксидні смоли замість уретанів, також практично позбавлені запаху. Вони починають полімеризуватись, коли піддаються УФ випромінюванню в нанометровому дипазоні, що стимулює хімічні процеси у фотоініціаторі. У минулому, катіонні чорнила були доступні для аналогового УФ друку, але процес полімеризації від початку до завершення міг тривати годинами. Нові хімічні розробки прискорили процес затвердіння. Проте вони залишаються чутливими до відносної вологості навколишнього середовища.
Процес затвердіння найкраще можна описати так: протони, згенеровані фотоініціаторами в процесі УФ опромінення, після нього залишаються активними. Утворення внутрішніх зв’язків продовжується після опромінення. Це означає, що покриття не повинно остаточно затвердіти після впливу джерела світла, просто залишатися сухим на дотик.
Швидкість затвердіння залежить від формули чорнила, джерела світла і складу ініціатора. Досвід показав, що всі властивості чорнильної плівки розкриваються за період до 24 годин. Катонічні чорнила є чутливими хімічними складами, які можуть вступати в реакцію з речовинами та кислотами, присутніми в носії, що може спричинити погану адгезію.
Ці чорнила зазвичай мають кращу адгезію на традиційно «важких» матеріалах, наприклад екструдовані пластики та скло. Відмінна адгезія на таких матеріалах обумовлюється стійкістю чорнила до зменшення в об’ємі (через вплив тепла), яке становить приблизно третину у випадку із системами друку УФ чорнилом з вільними радикалами. Ця здатність дозволяє струменевим УФ системам використовувати матеріали, які досі вважалися непридатними, включаючи друк на упаковці, матеріали зі скла та інші слизькі або чутливі до нагрівання матеріали.
Лампи катонічного затвердіння
Катонічні чорнила отверждаются УФ лампами, які спеціально налаштовані певну довжину хвилі УФ випромінювання, необхідну фотоініціатора. Щоб забезпечити необхідний потік енергії, виробники використовують лампові блоки, оснащені діодами, які випромінюють УФ світло (LED). Дві такі системи ламп УФ затвердіння не генерують такої високої температури, як ртутні лампи. Холодне затвердіння пом’якшує проблему, пов’язану з теплом у випадку з УФ чорнилом з вільними радикалами, тоді як, в той же час, затверджене чорнило, зрештою, міцніше.
Поява цифрового друку, як ми знаємо, справила революцію у друкованій галузі. Але, як і всі нові технології, УФ-друк – не панацея. Вона все ще удосконалюється, наприклад, як HP додала латекс в чорнило на водній основі у випадку з 0,9-метрової (30-дюймової) ширини рулонною струминною друкарською машиною для великосерійного випуску книг, ділової/рекламної пошти та матеріалів для директ маркетингу.