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标题: 浅谈纸张UV油 [打印本页]

作者: Bruce 时间: 2012-1-6 19:08
标题: 浅谈纸张UV油
UV (Ultraviolet，紫外光)光固化上光涂料是与水性涂料、粉末涂料一起倍受人们推崇的三大环保涂料之一，由于其独特的低温快速固化性能和超群的视觉效果，在许多行业中的应用越来越广泛。特别是印刷业的高速发展，对高效上光涂料的需求使得纸张UV油得到了普及和推广，成为了印后上光的重要手段之一。本文重点从UV油的组成和分子结构方面，探讨UV油的一些基本性能。
1、纸张UV油的组成
纸张UV油一般由5个部分组成，分别为：
(1) 预聚物：丙烯酸改性树脂（环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯等），是基本成膜物质；
(2) 活性稀释剂：丙烯酸酯或其它含活性基团的小分子物质，参与固化，用于调整UV油黏度、光泽、硬度等一些基本性能；
(3) 光引发剂：吸收辐射能量（如UV等），引发光固化聚合反应；
(4) 填料：耐磨粉、消光粉、填充料等；
(5) 助剂：流平剂、消泡剂、附着力促进剂等。
UV油在紫外线照射下，发生自由基链式反应，各分子（大于95%）参与反应并迅速交联聚合，瞬间（小于1秒）固化成膜。UV油和水性上光油、油性上光油的干燥方式是完全不同的，后两者是热塑性（遇热会软化）产品，干燥过程中水和溶剂挥发，剩余组份形成涂膜，干燥过程中未发生化学反应，是简单的物理干燥过程，此类产品随着环境温度的升高，受潮后会变软发生粘花。而UV油的干燥过程中有大量化学反应发生，分子间彼此交联，赋予产品高光泽度、高耐磨性、耐水耐油性、高丰满度、高强度等性能，涂膜不会随着环境温度的升高而软化粘花。这些性能都是其它涂料所无法比拟的。
2、纸张UV油的分类
2.1 根据施工方式不同可分为：
(1) 辊涂UV油：3或5棍上光机使用，黏度：20-40秒（25℃，涂-4杯）
(2) 胶印UV油：胶印机印刷使用，黏度：3000±1000mPa.s（25℃，旋转黏度计）
(3)局部UV油：局部UV机或胶印机上光使用，黏度：30-60秒（25℃，涂-4杯）
(4) 凹印UV油：凹印机使用，黏度：15-25秒（25℃，涂-4杯），固化速度相对最快，一般要求超过120米/分钟
(5) 丝网UV油：丝网印刷机使用，黏度：1000±300mPa.s（25℃，旋转黏度计）
2.2 根据光泽度的不同可分为：
(1) 亮光UV油，光泽一般大于85°
(2) 哑光UV油，光泽范围5-80°可调
2.3 根据最终用户对产品的使用性能或使用底材的特定要求，分类比较复杂，大概有：高光高耐磨UV油、哑光高耐磨UV油、烫金UV油、书刊UV油、低气味UV油、可重涂UV油、易粘合UV油、食品包装UV油、塑料（BOPP、PET、PVC）UV油、耐黄变UV油、不打底（防渗透）UV油等。
3、纸张UV油的主要性能介绍
3.1 光泽
水油、磨吸油、UV油三者相比，UV油的光泽最高，从理论上讲，施工时的固含量和分子量是影响涂膜光泽的两个最关键因素，通常固含量越高，分子量越小，所得产品光泽越高，具体参数见表一。
表一施工固含量和分子量对涂膜光泽的影响

		UV油	磨吸油	水油
施工固含量（wt%）		>90	~30	~40
分子量	小分子	300-600	无	0.2-1.6万
分子量	大分子	1000-5000	1-4万	10万-40万
光泽（60°,平滑度40s,紧度0.85g/cm3的白卡纸）		>90	60-85	50-75

固含量对光泽的影响：水油和磨吸油在干燥过程中，溶剂和水会穿破涂膜向空气中挥发和向纸张中渗透，这样会导致涂膜表面高低不平，光泽下降。
分子量对光泽的影响：分子量越小，越容易做成高固含量的光油，固含量越高，光泽越高；分子量越小，分子运动速度快，干燥过程中光油表面越易流平，光泽也越高。
水油之所以光泽最低，还与其是非均相体系有关，干燥过程中水油粒子未能形成微观上理想的光滑表面，而影响光泽。
在UV油的使用过程中，导致UV油光泽不高的因素很多，主要有：
(1) 施工工艺的问题：涂层太薄，加入稀释剂过多，施工黏度调整不合适，产生辊痕等；
(2) 产品品质问题：选用了非高光泽的产品、批次波动等，不同的UV油，光泽相差很大；
(3) 配套产品的问题：底油太软，纸张太粗糙，喷粉量大或颗粒粗糙，油墨不平滑等。
3.2 耐磨性
耐磨性与抗划伤性是两个不同的性能指标，但一般客户很难将其分得清楚，通常将其混淆。耐磨性是指涂膜抵抗外力摩擦，保护纸张或油墨的能力，在涂膜被磨穿时失去保护性。测试方法很多，最常用的是耐磨仪测试，4磅压力，纸张面对面、面对背或用标准白纸，磨至油墨漏出为止，评估指标为耐磨次数。决定光油耐磨性的物性指标是光油的韧性，韧性越好，耐磨性越高。如汽车轮胎、BOPP薄膜等，韧性很好，所以很耐磨。
抗划伤性是指光油表面抵抗被擦花的能力，目前适用于纸张UV油的抗划伤性的测试方法还未统一，多采用将上过油的纸张面对面或面对背摩擦，目测划痕的多少。决定光油抗划伤性的物性指标是光油的硬度，硬度越高，抗划伤性越好，如玻璃、水晶等，硬度高，抗划伤性好。
从化学角度而言，产品的韧性和硬度是两个有一定矛盾的物性指标，同时提高是有一定限度的，不可能无止境地提高。为综合提升光油的耐磨性和抗划伤性，化学师们通常会通过添加其它化学物质来达到理想的效果，如：添加有机硅或有机氟化合物，用于提升光油的滑度和耐磨性，这和汽车添加机油来提升传动装置的耐磨性是一个道理；添加一些高硬度的填料，用于提升光油的抗划伤性等。
通常我们所说的光油的耐磨性，实际上是耐磨性和抗划伤性的统称。很多客户采用的是震荡仪测试，将彩盒或书刊放置到震荡仪上面的一个箱子内，通过连续24小时以上的震荡来模拟远途运输，检查被测样品表面油墨被磨花的数量，以100个样品中有多少个表面油墨被磨花来评估，合格率通常要求大于96%。这个方法很直观，但并不能直接反映是否是UV油不耐磨，还是其它因素造成。除UV光油的本身物性外，影响UV油耐磨性的因素还有：
(1) 施工工艺的问题：
(ⅰ) 涂层太薄，加入稀释剂过多，施工黏度调整不合适，辊距太小等；
(ⅱ)UV灯管老化导致UV油固化不完全；
(ⅲ)底油或油墨未干等。
(2) 产品品质问题：采用了非耐磨型UV油产品、批次波动等
(3) 配套产品的问题：底油太柔软、纸张太粗糙、喷粉量大或颗粒粗糙等。
3.3 附着力
附着力也是众多客户最关心的一个指针，提到附着力，我们有必要首先了解一个产品—水性UV底油。水性UV底油和水性光油系出同门，区别是底油的Tg值（玻璃化温度，可以大致理解为固体向液体转化或软化时的温度）比光油低，光油50-80℃，底油小于20℃，且不含蜡等耐磨助剂。
卡纸未经过涂布和压光，表面疏松，UV光油直接在其上面上光时，由于UV油分子量很小、易流动，会渗透到卡纸内部而无法表现出UV油的高光泽。水性UV底油的分子量是UV油分子量的100倍左右，不容易渗透到纸张纤维中，可以起到封底的作用，给UV油白度和高光泽；其次由于底油分子量大，Tg值低，容易和纸张纤维、UV油分子缠绕，提高纸张和UV油之间的附着力。
对于胶版纸，造纸的过程中已内施胶（在纸浆中加入了一些松香脂等化学黏合剂）和压光，纸张表面紧度和平整度均好过卡纸，上UV油时可以不打底已具有良好的光泽，但附着力并不能得到保证，除非使用特定的书刊UV油。
对于铜版纸，出厂前已经过内施胶和外施胶（在纸张表面涂布一层胶粘剂并压光，胶粘剂的主要类型有：松香改性树脂、醋丙乳液、羧基丁苯胶乳等，这类胶粘剂和水性UV底油很类似），可以不上底油而具有良好的光泽和附着力。
其它影响UV油附着力的因素还有：
(1) 施工工艺的问题：
(ⅰ)底油开水太多，未起到封底的作用；
(ⅱ)油墨或底油未干；
(ⅲ)UV油曝光不适量，UV油未固化完全或过度曝光；
（2）产品品质问题：UV油对底油的附着力差或UV油批次波动；
（3）配套产品的问题：底油对油墨、纸张的附着力力差，底油和UV油不配套，油墨晶化或内聚强度差，如金属墨等。
3.4气味
评估UV油的气味有两个指标，一是施工过程中的气味，其主要来源是UV油中的残留溶剂。正常情况下，残余溶剂量为2%以下，特殊情况下，如烟包UV油要求小于0.5%。但在石油价格飞涨的今天，很多供货商为降低UV油的成本，添加了大量溶剂，如酒精和甲苯等，最高的可达到25%，这样对UV油的长期发展和环境保护是极为不利的。
评估UV油气味的另一个指标是施工后UV油的残留气味，放置很长一段时间后依然不能消失。其主要来源是UV油选材不当，使用了一些味道较大但价廉的化学物质，这一点要从根本上改善有一定难度，主要是成本和选择合适材料的问题。

3.5 UV油变色或油墨变色
UV油对紫外光是敏感的，施工后的UV油如果继续暴露在紫外光下（如太阳光和日光灯），UV油会继续反应而变黄，这是UV油的本身缺陷。对于常规UV油，目前暂时无法从根本上改善，但不同供货商的UV油变黄的程度是不一样的，除非使用特定的不黄变或特白UV油。
对于UV油上光后油墨变色，主要原因是油墨的问题。油墨中有一些颜料，如射光蓝，是一种蓝色酸性色淀颜料，是有机染料三苯甲烷染附在体质颜料如氢氧化铝上，形成的在水中不溶性的色素颜料，价格低，色相鲜明，但其耐光性、耐溶剂性及耐碱性差，遇醇类等溶剂或遇碱时，红相易被溶解、减弱或消失。这些颜料，如使用在书刊油墨中（印刷后表面不再上光处理）是可行的，但如果用在彩盒油墨中，则非常危险，因为大多数的彩盒是有后加工处理的。检测办法是在油墨表面滴一滴底油和UV油，1小时后看油墨是否变色，非常明显。
对于已印刷好的纸张，如果油墨变色，可以采用强制油墨干燥，如烘干或多放置一点时间来解决，或使用中性底油、不含溶剂的UV油、不含溶剂的书刊UV油等办法来减少油墨变色倾向。

3.6 爆油和刮花
UV油爆油指的是上光后的纸张在压凹凸、折页、啤盒或日常使用中UV油开裂的现象。
刮花是施工后的UV油，用指甲或硬物在其表面刮擦时，部分粉化的现象。
以上两种现象的根本原因是UV油硬度太高或UV油对底材的附着力差造成的，具体原因和解决办法有：
（1）UV油过度曝光或硬度过高，这时候要注意适量的曝光度（40-70mj/cm2），最好选择柔韧性良好的UV油；　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（2）UV油施工太厚，越厚的涂膜越容易爆裂；　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（3）纸质太差，易爆裂，UV油的强度不足于抵抗纸张开裂的力量；
（4）底油太硬、太厚，对防止UV油开裂帮助不大或起反面作用；
（5）油墨粉化，内聚强度差，纸张、油墨、底油、UV油无法形成一个有机整体，这时候，特别是在冬天，最容易导致刮花现象的发生。

3.7 烫金
烫金是一个热转移的过程，在热和压力的作用下，PET基材上的物质转移到纸张或其它印刷基材上的过程。最常用的材料是电化铝，为了解烫金工艺，最好先了解一下电化铝的结构，如图1所示，分为5层：第1层是PET（聚酯）片基；第2层是隔离层，在热压的作用下可脱离PET片基，常用材料为有机硅脂或其它粘力小的黏合剂，第3层是染色层，由树脂和颜料组成，烫金后保护铝粉，并赋予颜色和光泽；第4层是真空镀铝层，提供反射性；第5层是黏合剂层，主要是丙烯酸树脂和其它一些增粘树脂，在热压的作用下，黏结到基材上，这一层是决定烫金适应性最关键的一层，其黏结力大小，直接决定了该电化铝可烫的上何种基材上，如BOPP、磨吸油、水油、UV油等基材。

2、隔离层 0.01微米

1、PET片基 12-25微米

5、粘合剂层 1.5微米

4、镀铝层 0.02微米

3、染色层 1微米

图1 电化铝结构

常规的UV油是热固性材料，加热的时候不会软化，并且UV油中加入了大量有机硅和蜡类物质，这些物质不容易被粘合，所以常规的UV油是无法被电化铝中的第5层粘合的，也就是说常规UV油是无法烫金的。
可烫金UV油的组成和常规UV油有很大不同，主要是具备了热软化但不融化、和高表面张力的特性，所以可以被烫金。相反来讲，如果电化铝第5层采用了一种类似UV彩盒胶性能的黏合剂，相信常规UV油也是可以烫金的。

3.8 书刊UV油
从配方设计和化学结构方面来讲，书刊UV油是一种非常特殊的UV油，是针对胶版纸而开发的一种书刊专用UV油，在不打底油的情况下，便具备良好附着力、防渗透、可粘盒、可烫金等性能。书刊UV油应用到普通卡纸上时也有一定的适应性，但使用前最好经过测试。

纸张UV油的其它一些性能，如辊痕、桔皮、针孔、缩孔、麻点等现象，还有一些特殊用途的产品，如凹印UV油、丝网UV油等，由于受篇幅限制，在此不做一一介绍。
4、纸张UV油的发展前景
在环保、高效、高性能、节省能源的大环境下，UV油在印刷行业里还将得到更进一步的推广和应用，以个人观点来看，以下几个UV油产品是今后值得重点关注的：
（1）高光高耐磨UV油：在一定前提下，高光和高耐磨性是有冲突的，如何在高光的前提下，提高UV油的耐磨性和抗划伤性是一个技术难题。
（2）无害无味食品级UV油：由于UV油中含有大量分子量小于1000的小分子，而固化发生在瞬间（1秒内），必然会有部分小分子不能完全参与反应，如何让这些小分子完全反应，也是业内同行需要面临的一个课题。
（3）水性UV油：这是实现UV油真正环保化的一个产品，目前技术壁垒已攻克，但如何大幅度降低其生产成本，实现规模化生产，还有待时日。

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