Что такое ультрафиолетовое/электронное отверждение? *

Для того чтобы краска стала высыхать под действием УФ-излучения, то есть стала УФ-отверждаемой, требуется внести изменения в её химический состав. При УФ-отверждении высыхание происходит намного быстрее — за доли секунды. Если в состав УФ-отверждаемой краски не входит растворитель, толщина красочного слоя после высыхания останется такой же, как и до высыхания. А при термической сушке с испарением растворителя толщина слоя краски уменьшается.

Отверждение излучением — группа процессов, которая включает отверждение краски с использованием излучения в ультрафиолетовом (УФ-отверждение) или видимом диапазонах, а также электронного излучения (электронное отверждение — ЭО). Эта технология отличается от широко распространённой термической (тепловой) сушки тем, что для отверждения красок использует излучение: ультрафиолетовое, в видимом диапазоне или электронное. Эти три метода сушки излучением отличаются видом используемой энергии. Диапазон длин волн ультрафиолетового (УФ-) излучения — 200–400 нм, а видимого света — 400–700 нм. Электронное отверждение отличается от двух других видов сушки излучением тем, что в нём используется поток электронов, обладающих высокой энергией. Этот курс посвящён главным образом отверждению УФ -излучением и пучком электронов, которое мы далее будем называть электронным (ЭО, по-английски — electronic beam curing — EB curing). Технологии сушки УФ- и видимым светом во многом схожи, но отличаются фотоинициаторами отверждения и оборудованием, применяемым для облучения.

Отверждение излучением имеет ряд существенных преимуществ перед другими технологиями. Благодаря этим преимуществам становится возможным изготовление изделий с запечатанной поверхностью или с покрытием, которые было бы трудно получить с помощью традиционных технологий. В числе прочих свойств, которыми обладают УФ-отверждаемые и ЭО-отпечатки и покрытия, — сильный глянец, высокая твёрдость, устойчивость к царапинам и истиранию, а также очень быстрое закрепление. Эти свойства можно при необходимости регулировать, меняя параметры сушки или состав наносимой краски (покрытия).

Сушка излучением требует прямого прохождения лучей от излучателя к поверхности, поэтому она наиболее эффективна на плоских поверхностях. При сушке неплоских и трёхмерных изделий требуются разнообразные приспособления, например, зеркала для отражения излучения или лампы, способные поворачиваться.

По многим причинам сушку излучением часто предпочитают другим технологиям. Основная причина — высокая производительность, которая достигается при её применении. Поскольку при использовании излучения покрытие или краска высыхает за доли секунды, можно запечатать много изделий в единицу времени. Ещё одно преимущество, косвенно связанное с быстротой закрепления краски или покрытия, — возможность снижения себестоимости запечатанного изделия. Несмотря на то, что килограмм традиционной краски или покрытия УФ-отверждения или ЭО дороже, чем аналога, отверждаемого термически, благодаря другим преимуществам (повышение производительности, снижение объёма отходов, рециркуляция краски) удаётся снизить стоимость готового изделия. Ещё одно преимущество, сохраняющее своё значение, — закрепление материалов излучением даёт меньше выбросов летучих органических соединений (ЛОС) и, следовательно, облегчает производителю соблюдение экологических требований, которые становятся всё более строгими.

Замена термической сушки отверждением излучением означает переход к использованию ламп и устройств ЭО вместо традиционных термических сушилок. Здесь появляется два преимущества: Во-первых, лампа или электронный излучатель обычно имеют намного меньшие размеры, чем устройство термической сушки. Во-вторых, они обычно потребляют намного меньше энергии.

Прежде чем мы покажем, где в мире применяются материалы, отверждаемые излучением, кратко остановимся на участниках рынка, связанных с применением этих материалов, и на том, как они взаимодействуют друг с другом. На схеме выше показаны компоненты системы, сформировавшейся вокруг использования материалов, отверждаемых излучением. Скорее всего, большинство из читателей этого урока найдут где-то на этой схеме себя.

В начале этой цепочки — поставщики исходных компонентов. Они разрабатывают и производят компоненты материалов, которые используются в процессах отверждения излучением. Эти компоненты затем поступают к разработчику, который создаёт рецептуру «блюда» — готового материала — из этих компонентов и готовит это «блюдо». Затем разработчик передаёт рецептуру производителю готовых изделий (в полиграфии — это типографии и другие поставщики услуг печати). Последний изготавливает изделие с использованием материалов, приготовленных по этой рецептуре. Производитель выполняет и нанесение материалов на поверхность изделия, и их отверждение.

Поставщик оборудования действует в тесном контакте с производителем готовых изделий, помогая ему правильно подобрать устройства для облучения, запечатываемый материал и материал покрытий, а также контрольно-измерительное оборудование. В конце концов готовое изделие с нанесённым и отверждённым изображением или покрытием (например, линолеум или ламинат) попадает в распоряжение конечного заказчика.

Конечно, в реальной жизни всё может быть несколько сложнее, чем на этой схеме. Здесь показаны только типичные роли и участники, но в реальности возможно взаимодействие и с другими участниками, не показанными на схеме. Обычно такие дополнительные взаимодействия состоят в обсуждении требований с третьей стороной или в информировании третьей стороны о каких-то технологических новшествах. Например, поставщик оборудования может познакомить поставщика исходных компонентов с лампой нового типа в надежде на то, что будет разработан новый материал, отверждаемый под действием такой лампы.

Иногда даже размываются роли отдельных участников, или они могут выступать в нескольких ролях. Например, поставщик исходных компонентов выступит и в роли разработчика рецептуры нового материала, и его изготовителя, а этот материал приобретёт непосредственно производитель готовых изделий. Есть и вертикально интегрированные компании, которые сами выпускают исходные компоненты, разрабатывают рецептуры наносимых материалов и выпускают эти материалы, сами наносят эти материалы на поверхность изделий и проводят их сушку. Но такие компании — скорее исключение, чем правило.

Благодарим вас за проявленный интерес к курсу по химическим основам УФ- и электронного отверждения. В следующем уроке мы рассмотрим элементарные химические процессы, которые лежат в основе УФ-отверждения. Более подробные сведения о технологии УФ- и электронного отверждения приведены на сайте http://www.radtech.org.

Об авторе: этот курс разработан д-ром Майклом Айдакэведжем из Colorado Photopolymer Solutions. Айдакэведж в 1975 г. закончил Дрексельский университет с дипломом бакалавра естественных наук по химии, а в 1979 г. получил степень доктора в Сиракузском университете по специальности «металлоорганическая химия». Он занимается вопросами сушки красок и покрытий излучением с момента своей работы в Eastman Kodak, с открытием в компании лаборатории фотополимеров в 1985 г. В дальнейшем он продолжил изучение процессов сушки/отверждения излучением, работая в различных компаниях. Айдакэведж изучил эту систему с разных сторон: и как производитель исходных компонентов (в должности директора по глобальному развитию УФ-отверждения в UCB/Cytec), и как разработчик-производитель новых материалов (в CPS), и как конечный заказчик (в NAPP Systems). Он занимал должность президента RadTech North America в 2009–2010 гг. Сегодня Майкл Айдакэведж — вице-президент по развитию в Colorado Photopolymer Solutions. Он также занимает должность адъюнкт-профессора в Колледже окружающей среды и леса (ESF) Университета штата Нью-Йорк в г. Сиракузы, где читает лекции по технологиям УФ- и электронного отверждения и 3D-печати с УФ-отверждением.

* Публикуется с разрешения и при содействии Radtech — Ассоциация по технологиям УФ-/электронного отверждения. © 2017, Radtech. Все права защищены.