UV a EB zářením vytvrzované tiskové barvy Licenční studium 2006/2007

Podíl UV a EB barev na evropském trhu

Spotřeba energie na vytvrzení tiskový lak/ tisková barva energie relat.energie UV přetiskový lak 0,046 MJ/m2 1 EB tisková barva 2 UV tisková barva 3,5 konvenční heatset ofsetová barva 7,4 rozpouštědlová flexotisková barva 11,2 vodou ředitelná flexotisková barva 16,5 vytvrzení barev = vytvoření polymerní sítě, v níž jsou zabudovány pigmentové částice

Pro vytvrzování barev, laků nebo lepidel se využívá infračervené a mikrovlnné záření (tepelné) vln. délka 105 – 107 nm ultrafialové záření (UV) vln. délka 200 – 400 nm elektronový svazek (EB) vln. délka 10-3 –10-2 nm EEB ~ 10 7 až 1010Emikrovlny vlnová délka , frekvence , energie záření E= h = c T= c/ 1 nm= 10-9 m= 10Ăngström

Spektrum elektromagnetického záření

UV záření – aktinické záření UV C UV B UV A 100 nm 280 nm 315 nm 400 nm

Postup vytvrzování UV zářením polymerace prostorová síť h + fotoiniciátor absorbuje foton UV záření rozpad fotoiniciátoru na radikály, které reagují s monomery přejde do excitovaného stavu

Vytvrzování UV zářením Absorpce fotonů UV záření fotoiniciátorem Fotochemická reakce fotoiniciátoru radikály nebo kationty radikálová nebo kationtová polymerace polymerní síť

Kapalné pojivo: monomery, prepolymery a fotoiniciátory Fotoiniciátory se po absorpci UV záření rozpadnou na radikály radikály Radikály reakcí s monomery a polymery vyvolají vytvoření nekonečné síťové struktury

Složení UV a EB barev oligomery pryskyřic reaktivní monomery nereaktivní monomery fotoiniciátory pigmenty aditiva oligomery pryskyřic reaktivní monomery nereaktivní monomery pigmenty aditiva

Podmínky úspěšného vytvrzení UV barev a laků optimální složení barvy (koncentrace fotoiniciátorů, monomerů, viskozita…) optimální zdroj UV záření (emisní spektrum, intenzita záření s ohledem na absorpční spektrum fotoiniciátoru, tloušťku barvové vrstvy, typ pigmentu…) potlačení konkurenčních procesů (zhášení kyslíkem, koncentrační zhášení)

Zdroje záření tepelné zdroje Hg, Xe, deuteriové výbojky, halogenové výbojky lasery excimerové zdroje záření

Zdroje UV záření

Tepelné zdroje záření Záření absolutně černého tělesa Planckův vyzařovací zákon [] = nm, [ T ] = K c1= 3,7 415 . 10-16 Jm2s-1, c2= 1,4 388.10-12 K.m Wienův posunovací zákon max T = konst= 2,898.10-3 K.m čím vyšší teplota, tím blíže je záření viditelnému spektru křemenné halogenové lampy – jen malá část v UV oblasti barevná teplota: žárovka  3 000 K, halogenová lampa  3 300 K slunce 6 500 K

Hg výbojky nízkotlaké střednětlaké vysokotlaké Obecné vlastnosti: jen 22 % energie v UV oblasti, zbytek teplo a viditelné záření povrchová teplota lampy asi 900 °C, nutné chlazení trubice s délkou od 60 do 250 cm, výkon 0,1 kW až 25 kW životnost asi 1000 hodin reflektory (eliptické, parabolické, sklopné, dichroické)

Spektrum střednětlaké Hg výbojky

Střednětlaké Hg výbojky povrchová teplota lampy asi 900 °C jen 22 % energie využitelné, zbývající je teplo nutnost chlazení lamp, reflektoru i substrátu vznik ozónu  nutnost ventilace životnost asi 1 000 hod klesající užitečný výkon

Halogenové výbojky Hg Hg,Ga Hg, Fe

Reflektory eliptické, parabolické

Dichroitický reflektor IR záření Odražené UV záření Přímo dopadající UV záření Hliníkový překlápěcí reflektor

Fotoiniciátory a fotochemické procesy

Fotochemické zákony Grotthus-Draper (1817, 1843) Stark-Einstein - zákon fotochemické ekvivalence (1912) Bunsen-Roscoe, zákon reciprocity (1862)

Grotthus-Draperův zákon Fotochemickou reakci může vyvolat jen takové záření, které látka absorbuje emisní spektrum zdroje záření se musí překrývat s absorpčním spektrem absorbující látky intenzita záření  intenzita záření akční spektra – závislost účinnosti fotochemické reakce na vlnové délce zdroje záření 

Zákon fotochemické ekvivalence (Stark- Einstein) Každý foton způsobí fotochemickou změnu (reakci) jen jedné molekuly (atomu), tj. počet aktivovaných molekul je nejvýše roven počtu absorbovaných fotonů kvantový výtěžek reakce (účinnost záření) nemůže být větší než 1, tj.   1

Zákon reciprocity (Bunsen – Roscoe) Množství reakčních produktů je úměrné součinu intenzity světla I a doby ozáření t ~ I t Odchylky: Schwartzschildův jev - účinek ~ I tp , konkurenční nefotochemické procesy reakční produkt absorbuje v téže spektrální oblasti („vnitřní filtr“)

Odchylky od zákona reciprocity Schwartzschildův jev - účinek ~ I tp při velmi nízkých intenzitách světla jsou třeba expoziční doby větší než by odpovídalo B-R zákonu konkurenční nefotochemické procesy inhibice kyslíkem anihilace radikálů malá pohyblivost monomerů stínění pigmenty, které absorbují záření reakční produkt absorbuje v téže spektrální oblasti („vnitřní filtr“)

Měření intenzity záření radiometrické jednotky energie 6.1023 fotonů = 1 einstein 1 einstein = 1,196.108 / []= nm = 365 nm...... 1 einstein = 3,27 .105 J = 650 nm...... 1 einstein = 1,84.105 J svítivost 1 kandela: svítivost 1/600 000 m2 povrchu absolutně černého tělesa ve směru kolmém k tomuto povrchu při teplotě tuhnutí platiny 1 769 °C a tlaku 1,01325.105 N/m2

Měření intenzity záření světelný tok  účinek části energie, kterou světelný zdroj vyzáří za 1 s do určitého prostorového úhlu na normální oko 1 lumen:světelný tok ze zdroje o svítivosti 1 kandely do prostorového úhlu 1 steradiánu intenzita osvětlení podíl světelného toku, dopadajícího na určitou plochu 1 lux: osvětlení plochy, na jejíž každý m2 dopadá rovnoměrně rozložený světelný tok 1 lumenu

Výhody UV vytvrzování krátká doba vytvrzení barvy (0,1-1 s) nízké koncentrace VOC vyšší dosažitelné tloušťky barvové/lakové vrstvy vysoká produkční rychlost malý provozní prostor pro sušení tisku

EB barvy

Vytvrzování elektronovými paprsky (EB) Absorpce záření monomery a oligomery Fotochemické reakce  radikály nebo kationty radikálová nebo kationtová polymerace polymerní síť

Složení EB barev oligomery pryskyřic 25–35 % monomery 35–55 % pigmenty 12–20 % aditiva 0,1–2 % (vosky, silikon, stabilizátory, odpěňovače, smáčedla) epoxy akryláty = tvrdost vrstvy, rychlost vytvrzení polyuretanové akryláty = pružnost, odolnost vůči oděru polyester akryláty = smáčení pigmentů polyether akryláty = pružnost, nízká cena

Vytvrzování barev iniciované proudem urychlených elektronů zařízení na tomto principu využíváno už více než 30 let v některých průmyslových odvětvích pro polygrafický průmysl po roce 1970 zdroje s urychlujícím napětím 150 až 300 kV: EB zařízení velká a drahá hloubka penetrace větší než je potřeba pro vytvrzení tenké barvové vrstvy na povrchu tisku  destrukce potiskovaného substrátu v letech 1970-2000 intenzivní výzkum se zaměřením na aplikaci EB vytvrzování v polygrafickém průmyslu. Centrum výzkumu: severoamerická firma Energy Sciences Incorporation (ESI)

Situace v roce 2004 dramatický pokles ceny EB zdroje z asi 1 mil. $ na 285 000 $ snížení urychlujícího napětí a tím i podstatné zmenšení celého zařízení růst obratu EB barev – 13 % z celkového objemu energeticky vytvrzovaných barev V roce 1999 vyvinula ESI zařízení EZCure pro urychlovací napětí 80 až 110 kV

Relativní dávka energie EB pronikající do různé hloubky závisle na urychlujícím napětí

Jsou UV/EB materiály nebezpečné pro člověka? mají velmi vysoký bod vznícení uvolňují jen málo nebo žádné VOC většinou nejsou mutagenní nejsou karcinogenní nepatří k nebezpečným odpadům NE !

Je provoz zařízení pro UV/EB vytvrzování nákladný? spotřeba energie tepelné sušiče spotřebují 2x více energie za rok než UV zdroje atmosféra vytvrzování EB paprsky musí probíhat v inertní atmosféře (N2, bez O2)

Zařízení pro EB vytvrzování 4 hlavní součásti: zdroj elektronů (elektronové dělo) elektrooptická část, která tvaruje svazek mechanické části kontrolní počítač

Systémy pro EB vytvrzování skenovací paprsek je fokusován a na ploše rozmítán tak, že exponuje pouze velmi malou plochu s rozšířeným svazkem exponuje najednou větší plochu xy dávka = It /xy (sprcha, záclona)

vysokonapěťový kabel katoda, elektronové dělo vysoké vakuum elektrooptické čočky vychylovací systém, skener inertní atmosféra, N2 okénko potiskovaný materiál

Elektronové dělo záporně nabitá elektroda (katoda) s přímým nebo nepřímým žhavením vlákna nebo plné plochy materiál katody: wolfram, wolfram s příměsí hexaboridu thoria nebo lanthanu maximální intenzita proudu elektronů vláknové katody v prostorovém úhlu 1 steradiánu je 1.105 až 3.105 A/cm2 wolframový monokrystal jako katoda – až 109 A/cm2sr elektrony jsou emitovány katodou zahřátou na asi 2 400 K ve vysokém vakuu. Termoemisí se kolem katody vytvoří oblak elektronů. Rozdíl napětí mezi urychlující mřížkou a katodou způsobí, že elektrony opouští katodu a jsou urychleny tímto napětím

Elektrooptický systém elektrooptické čočky k definici a úpravě svazku elektronů + modulující paprsek + clony + vychylující destičky (skener) modulace paprsku asi 100 MHz urychlení elektronů: elektrostatickým polem eU = ½ mv2, U – urychlující napětí elektromagnetickým polem

Vlnová délka záření odpovídající urychlenému proudu elektronů je při urychlujícím napětí 80 kV je tedy vlnová délka   0,14 nm při urychlujícím napětí 80 kV je energie tohoto fotonu 100 000krát vyšší než energie fotonu záření s vlnovou délkou 435 nm

Procesní zóna urychlené elektrony prochází okénkem z kovové fólie do procesní zóny, tj. z prostoru s vysokým vakuem do pracovního prostoru s inertní atmosférou okénko: kovová fólie tloušťky 15 až 20 mikrometrů napnutá v rámu měděného tělesa okénka, chlazeného vodou materiál okénka musí odolávat značnému tepelnému i mechanickému namáhání problém: při urychlujícím napětí <150 kV vyšší ohřev  tepelná a mechanická destrukce okénka

Technické problémy EB zdrojů pro polygrafické aplikace (požadavek nižšího urychlovacího napětí než 150 kV) nutnost snížení tloušťky kovové fólie ve výstupním okénku zmenšení mezery v procesní zóně zlepšení optiky paprsku tak, aby energie byla rovnoměrně rozložena i v příčném směru zlepšení odvodu tepla z fólie modifikací tělesa okénka O.K. 10 m titanová fólie O.K. O.K. O.K. EZCure:110 kV, dokonale vytvrzeny vrstvy až do 30 g/m2 při rychlosti 330 m/min

Schéma uspořádání zdroje urychlených elektronů EZ Cure f. ESI

Přednosti EB technologie zaručeno 100% vytvrzení bez reziduálních a nevytvrzených monomerů (ekologická přijatelnost) EB vytvrdí i silnější vrstvu  u vícebarevného tisku vytvrzování až na konci linky EB barvy neobsahují fotoiniciátory  levnější, bez zápachu výstupní výkon se němění, tj. „neomezená“ životnost nižší spotřeba energie vysoká rychlost vytvrzení bez „dosušování“ rychlost až 600 m/min pigment neovlivňuje účinnost vytvrzování EB zářením vytvrzená vrstva jeví dobrou adhezi k substrátu minimální ohřev potiskovaného materiálu („za studena“) nižší náklady na údržbu

Děkuji za vaši pozornost