UV印刷技术讲义.docx
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UV印刷技术讲义
第一章UV固化设备（见书的第四章）
第一节UV固化光源
一、UV灯管的结构及材料特性
（一）UV灯管的结构：
如图4-1所示
观察灯管质量第一步从外观上看以下几处
（1）灯管直线度：
用车床烧出来的灯管直经度高；
（2）圆度：
灯管排气时要用火烤灯管，边烤边排气清洗，烤的温度不均匀会出现蛇形；
（3）焊封钢片：
看钢片较厚，双面焊接，焊口光滑。
钢片是电极与导线连接体。
（4）引线：
引线用耐高温度由压导线，阻燃。
接线端子用镀银，镀镍也可以。
（二）石英管壁
基本要求：
（1）透UV光高，表4-1所示，红外低透
表4-1透明石英玻璃UV光透射率
波长/nm
透射率/%
波长/nm
透射率/%
波长/nm
透射率/%
波长/nm
透射率/%
217
6.0
234
41.9
252
62.0
276
91.2
220
10.1
236
41.9
256
73.0
280
91.6
224
21.2
238
41.3
260
82.0
290
92.0
226
28.0
240
41.3
264
87.5
300
91.8
228
24.0
242
41.9
268
90.0
350
92.0
230
38.0
244
43.5
272
91.0
400
92.4
232
40.9
248
50.9
（2）热膨胀系数低，一般为5×10-7。
如图4-4
（3）石英纯度：
最有害物质：
羟基
钠、钾属碱性物质，而石英为酸性物质。
国产长管卤素灯不易启动是因为羟基含量高，开始点能着，高温下生成卤化氢捕捉电子，点几次就点不着了。
短管可点着是因为管压降高。
总结：
（4）石英质量会给UV灯造成如下损坏
①灯管弯曲悬垂：
杂质含量高、耐温低；
②灯管壁发污白：
高温下石英挥发；
③灯管中间部位发黑：
羟基含量过高，高温下生成水；
④卤化物灯难点着，最终点不着：
羟基高，钠钾含量高。
（三）电极，如图4-6所示
1、电极材料：
钍钨——功函数2.6eV工作温度2200-2500℃
钡钨——功函数1.63-2.07eV工作温度1500-1900℃
功函数低工作温度易启动，但耐温低灯的寿命低。
2、电极结构：
如图4-6所示。
一般用储备式电极。
芯杆是发射电子外，顶端温度最高，直径计算1.5A/m2m。
顶端尖放电好，灯易启动，但耗较大。
一般用圆头边缘无毛刺。
如图4-7所示。
由外螺旋给芯杆散热，同时内部储存电子粉Ba3WO6补充芯杆蒸发掉的Ba，如补充不及时则电子溅射纯钨使电极附近处——发黑，补充过快则很快Ba用完，减少灯寿命。
补充速度决定于芯杆及螺旋体的温度，而电极温度与下面几个因素有关。
（1）芯杆直径
（2）螺旋体直径长度
（3）芯杆从螺旋体伸出的长度
购买灯管进仔细观察电极以下部位：
（1）芯杆直径
（2）芯杆螺旋体端头光滑否
（3）芯杆从螺旋体伸出长度
（4）芯杆螺旋光亮，外表有漏出的电子粉
（四）UV灯发光物质——汞金属卤化物
1、光谱概念
（1）连续谱——汞
（2）线光谱——金属
2、汞——特征光谱254、297、303、365、404、435哪条线强由灯内汞蒸气压决定气压高红移，因为短波被吸收。
黑光灯——低压灯——254、313强杀菌
固化灯——中高压灯——303、365强
马路灯——高压灯——可见光较强
3、金属卤化物灯
卤化物是稳定金属，卤族不发光
金属灯内＋汞（减少自吸收）
根据油墨吸收谱选择不同金属发光物质，如深色或厚油墨用铅——汞灯，光谱如图4-11所示350-420nm较强，一般光油用二苯甲酮作光引发剂、引发光谱280nm左右，用锑灯。
4、金卤灯应注意问题
金属含与石英反应，金属发光时在灯管中心区，不会碰玻璃，低温时复合为卤化物，因此管壁要低温，此处已复合为卤物，一般灯管直径大些。
5、UV灯内的启动气体
UV灯启动过程如图
轰击
热电子氩气泵金属
6、灯管内气体放电过程
灯中心向外辐射外一层辐射（内辐射被吸胶）最外层辐射到灯管外，灯管直径大则辐射到外面的面积较大，灯管壁负载小，如图4－12，254nm实验，D728nm时辐射下降。
灯管内温度分布如下图，中心温度——中心温度散不出去，高功率灯需D大，保证管壁处800℃,T<800℃,否则灯管不耐用。
UV灯电泵蒸发后为非饱和气体使得每个分子都发光，保持灯电压不变。
二、UV灯电参数及启动过程
1、气体放电的全伏——安特性曲线，图4－14，
OA段——点火电压Vz作用下，个别电子产生小电流，此时电压最高，电流最小。
AB段——氩气电离前，滤出电子在正作用下运动形成电流很小。
BC段——雪崩段、氩气电离形成电流。
CD段——雪崩使汞或金属电离，此时发光物质增多，灯电电阻减小，C点开始汞发光——Vz点火电压，变压器需提供高电压Vz使之点火，可用触发器也可用漏磁变压器实现，从D点电压降低——电阻小。
此时为辉光放电（发兰光）。
EF段——维持正常辉光放电，电极并未全部发射电子，此时电压不变。
FG段——阴极全部参与发射，电流增大，F点后V升形成异常辉光放电。
GH段——电流再增加，电极温度上升形成热电子发射，电阻减小，管压下降，形成弱光放电段。
负V－A特性，UV灯工作段，变压器反电动势有镇流作用，灯维持在该段工作。
2、UV灯管参数
（1）UV灯功率密度P0W/cm。
低密度40－80W/cm。
中密度80－120W/cm。
高密度120W/cm以上，GE无极微波灯400W/cm。
根据油墨性质，机器动转速度。
（2）工作电压V决定电子分子碰撞速度。
由发光物质蒸发后气体密度决定。
形成的密饱和气体蒸发后导电率或电阻不变，一般V0－9～15V/cm，根据灯管直径及灯管冷却方式，水冷毛细灯400V/cm。
V0大则点灯快，但影响寿命，还会产生湍流，谱线也不同。
P
（3）工作电流I0。
I0=——。
热电子汞分子流量I0大管壁负荷大，
V0
温度高，一般控制在1.5－2.5A/cm2。
（4）UV灯点火电压Vz（前述）。
（5）UV灯管壁负荷W/cm2，一般<15W/cm2
灯管石英纯度高可达300W/cm2，再高需水冷管壁，总结，V0I0不同光谱分布不同，哪条线强弱不一样。
第二节UV灯具结构——反光、冷却、隔热系统
灯具结构是UV设备的核心部件，科技含量最高。
一、UV反光罩的光学原理及结构
1、UV灯罩反光原理
反光原理也可理解为材料不吸收某波段光将其反射线透射过去，取决于反光板材料。
而反射的方向由反光罩的几何结构决定，微观反射方向则取决于反光板表面性物质。
表4－4列出不同材料对UV254nm光反射基本类同于365nm。
表4-5说明反射板表面晶体结构对UV光反射、氧化后晶体结构变化了。
表4－4看出，亮亮的镀镍，对UV光反射系数低于白灰和漆。
表4-4某些材料对紫外线和可见光的反射系数
材料
对紫外线波长254nm
的反射系数（%）
对可见光的反射系数
（%）
表面未处理的铝
40-60
60-75
表面处理的铝
60-90
90
白搪瓷
5-10
90-95
白漆
46
90
白灰
40
80
白磁砖
4.7
75
氧化镁
80-93
96
氧化锌
2.5
88
镍
38
88
表4--5经过氧化抛光的铝表面对不同波长的紫外线反射率
λ（波长）（nm）
254
288
365
316
357
420
550
A（反射率）（%）
83
85
88
87
88
89
90
图4－16实验，反光板表面平滑则反射光聚焦,而粗糙表面产生漫反射不聚焦，在焦点光强弱，反射率并未改变。
反光板光滑与粗糙各有不同用途，例如光油不需聚焦，油墨要聚焦。
2、UV灯反射罩几种基本结构——三种。
图4－17所示三种结构
注意：
几何光学说焦点是依据点光源或线光源为基础的，而UV灯管非线性，因此这里焦点概念不准确。
光衰减与灯具结构关系
I0
I∝—
r2
I0——灯管表面光强
I——到达被照物光强。
图4－18光程r=a′+b′，当灯罩开口小时a′小，则灯管距反光板很近，灯罩易被烤化。
（1）聚焦型：
厚墨或遮盖墨，焦点处T高。
（2）散光型：
透明或薄油墨，焦点处T低。
（3）低温灯罩，用隔热方法，反射板透红外法，前隔热玻璃法，前置水套法，好灯管最重要。
二、UV灯的冷却系统
冷却系统任务：
1、灯管表面，2、灯具，3、被照物，
前述所知UV灯管表面温度600－1000℃，否则金属会凝结不参与发光。
1、风冷却系统
风机、风道、灯箱内风路
风机：
参数、风量、风压、风速（功率）、噪声、风量——决定于灯管功率，主要由电机功率决定，风压、风速与风路长度，通风面积、灯具结构相关，风压、低、中、高风机，由电机转速及风机叶片整体入出排风路图4－21所示。
2、风机参数选择
3、风路设计原理
为了使风机有效工作，风机风路基本原则：
出、入口面积大于风机处面积。
（1）入风路设计原理
入风是风机产生负压将风吸入，风管内中心风速大，根据流体力学原理，
１
p～—— ，中心压强低，风管壁有摩擦风速低，风从中心走空气分子与壁碰
V
撞少，可用软管，拐弯不限。
（2）出风路设计原理
出风是正压，可视为空气分子小球发出，与壁产生碰撞，要求壁光滑，虾米弯，出风口无风阻，如外排时有障碍物或反向风吹，图4－24所示。
（3）灯箱内部风路设计
要求：
① 灯管各处冷却均匀
② 灯管冷却温度恰当，不能过低或高。
③ 灯具，电路得到恰当冷却
图4－25示三种风路设计
出风有上、侧两种形式
进风形式如图4－26，4－27
图4-27侧吸风UV灯箱进风形式
4、水冷却灯箱设计
（1）水冷风冷比较
空气特点：
热的不良导体，分子密度低，气体散热时喷一点水就不开锅，因此：
空气冷却需灯箱，风管路空间大不受限。
水特点：
热导体，分子离度高。
因此：
很小水量时就可将高温灯罩冷却得手可触碰，需管路体积小，灯箱可很小，但管路受限不能冷却所有部位。
注意：
水冷系统只能冷却灯罩，电器件、被照物都冷却不到，仍需配合风冷，灯下加水冷管会阻光。
第三节印刷机配置UV灯工艺
一、印刷机配UV灯原理
1、UV油墨印刷适用的印刷工艺
（1）非吸收油墨承印物材料印刷
（2）快速干燥，短版活当时要
（3）轮转印刷机，例表格机
（4）大墨底可一次完成印刷，例如服装标签，表格底黑
2、合理配置UV灯，使纸张不变形、节电、
利用UV油墨印刷解决1中问题，但会出现纸张变形、抽涨等现象，可通过合理配置UV灯参数及安装位置来解决该问题。
（1）使用高效UV光源，降低热量，好灯UV占30％多
（2）减小纸张在UV灯下连续运行的时间
例如减小灯罩照射宽度，加大灯管之间的距离。
（3）降低前色印刷机组UV灯功率。
（4）印刷机速度与UV灯功率合理配置。
（5）合理通风
二、印刷机如何配置UＶ灯
1、UV上光机组配置UV灯方法
（1）UV光油透UV好，用单行或散光形灯罩不聚焦降低局部温度。
（2）UV上光机配置UV灯，原则是灯支数少，功率密度高。
（3）印刷机上光单元配置UV灯。
单张纸多色印刷机上光单元。
一般上光油和油墨都由收纸处UV灯固化，个别加中间机组，要求UV灯功率高，如四色机收纸处配160W/cm灯3支。
卷筒纸印刷机每色组都配UV灯，最后的上光机组灯功率可低。
2、多色印刷机配置UV灯
（1）单张多色印刷机配置UV灯
四色机一般最后配三支灯
五色以上机型，中间配一组，大底色印第一遍时光固一次，最后配三支灯。
六色机可配二支中间灯组，可固UV白墨，大底色。
注意：
密度大的白墨，不能中间固化，否则粘到下一色组胶皮上。
（2）卷筒纸多色印刷机配置UV灯。
表格、柔印、标签、凹印等，一般每UV色组都应配装UV干燥，表格机印彩印时可隔机组配装。
特点是第一色组UV墨会经过几次UV灯，而最后机组只经过一次UV固化，因此最后机组配UV灯功率可大些，而前面机组UV灯只保证油墨干燥到不蹭下一色辊上即可，当然大墨底叠色印刷时前一色一定要干透。
（3）特种印刷机配置UV灯
例如丝网机、移印机等机型，要求每色都要干透，因为墨色都较厚。
第二章UV灯电源及电路原理
（见书的第五章）
第一节 UV灯电源
UV灯是气体放电灯，二电极间无灯丝，图4－14气体放电V－A特性曲线，启动电源初始没有导电物质参与导电，只有热电子发射，此时需要高电压激发气体金属启动发光，当全部金属形成不饱和蒸气才达到稳定电阻，稳定发光。
电源需有三个功率
（a）点火功率（b）工作状态（c）稳流（镇流）
一、触发器、镇流器工作原理
如电路图5－1
1、触发器
提供高频高压脉冲，使UV灯点火高于VZ，触发器有三种常用装置：
（1）电感式：
用变压器升压，书中振子花式，单独使用
（2）漏磁变压器
（3）电子式：
通过电子电路产生顺间高压，无极调功率装置，例如瑞士PANTC产品，
2、触发器使用
注意触发时间不宜长，触发器功率很小，而灯工作时功率高，灯启动前瞬间要停止，否则灯内电阻降低（气体导电）电流增大烧坏触发器。
另外触发器是高频装置，导线衰减大。
3、镇流器原工作原理
图5－5a为气体放电V－A曲线——负V－A曲线。
此状态工作电流不稳定。
因此不能用市电直接点灯，否则灯内电流会达到极大值烧断保险，极大值是灯内充汞量，充汞量大就相当于短路。
因此要与灯串联一个正V－A曲线器件，直流电路可串联纯阻型器件，交流则串L或C型器件。
国外产品有用C型电路，国内大多用L型，图5－5b为纯阻型曲线——正V－A曲线。
a＋b＝c为正V－A曲线，VR＝IR，电流增加，电压降在R上，则灯电压得到抑制。
电感镇流器原理如图5－7。
电容镇流器原理如图5－8。
二、漏磁变压器点灯电路
1、漏磁变压器的工作原理如图5－9所示
作用：
灯启动前提供空载高电压——触发器
灯点燃后提供工作电压并镇流——变压器镇流器。
（1）漏磁变压器的结构，如图5－9a为结构，b为等效电路或磁路
漏磁改为中间小回流通道。
（2）漏磁变压器工作原理
V1——初级输入电压 L1——初级线圈
E1——主磁通感应电动势 E0——漏磁通感应电动势
1空载时：
磁场强度很小，磁通量很少，由于漏磁路有空气或绝缘介质， 漏磁通相当于断路，此时就相当于变压器（升压）漏磁无效
V1＋E1＋E0＝0
V1——外加初级电压
E1——主磁感应电动势T2
E0——漏磁感应电动势
空载时E1，E0（小）抵抗V1,使初级线圈电流为零，空载时耗电很小。
2 有负载时：
次级电流大，产生磁场较强，则此时漏磁路开通，漏磁电 动势E0上升。
V1=-（E1+E0）E0↑,则E1↓
E1 N1
—— ＝ —— E1 ↓， E2↓
E2 N2
此时如水在中途漏掉了，漏得多则E1↓多，同时E2↓
第三章 普通油墨干燥原理及方法
（见书的第二章）
首先讨论通俗“干燥”概念，再讨论干燥原理。
印品油墨“干燥”检验标准根据需求各有不同的行业、企业及工艺标准，例如渗透型油墨印品，如报纸，餐巾纸，纸箱只要叠放时不蹭脏就达到印刷干燥标准，实际渗透到纸纤维内部的油并未干燥。
四色印刷后置烘干器，只要达到不蹭脏就可下机，可用手可擦掉。
干燥的过程是液体油墨向固化的转化过程，液体是分子间可对移动，而固体外力不能移动内力使油墨分子相互吸引。
当外力大于分子间引力时油墨被吸引离开。
油墨的组成：
溶剂、树脂（油等也是脂类）、颜料等。
含量比例各不相同，干燥过程首先去除溶剂、挥发、渗透等方法。
树脂类发生聚合反应，分子量由低向高反应，就好比几个人拉手变成多人拉手就移动不了。
第一节 普通油墨干燥原理
一、氧化结膜干燥
1、氧化结膜干燥原理
胶印油墨以氧化结膜干燥为主，连接料中含有“双键式多链”。
例共轭双键（－CH＝CH—CH＝CH－）是不饱和分子链，如亚麻油中的亚麻仁酸，桐油酸等。
循分子链双键通过二种化学过程实现聚合而成为大分子链成为粘度大分子固相：
1过氧化 ②共轭双键加成
2、氧化结膜干燥的影响因素
首先不饱和双键越多越易干燥，以下方法可加速油墨干燥。
（1）干燥剂：
加速氧化聚合反应，用金属如铝、锰、铅盐等。
（2）无机颜料：
大多为盐类，有金属，除灰黑为无定形元素外，本身均为 干燥剂。
有机颜料：
含酚、苯酚、胺、苯胺、荼酸等是抑制氧化剂，对干燥不利，用于渗透型油墨。
（3）环境温度的影响因素，每升高10℃干燥时间减少一半。
环境温度：
加长干燥速度
加热方法：
红外线升温快。
（4）承印物PH值，酸性油墨干燥慢，碱性快，表2－1，2－2列出T，PH湿度对干燥的影响。
氧化结膜附着力好，表面光亮。
表2-1环境温度、湿度、纸张PH值对油墨干燥时间的影响
纸张的pH值
不同温度、温度下油墨的干燥时间/h
65%,18℃
75%,20℃
6.9
6.1
12.4
5.9
6.6
14.1
5.5
6.7
23.1
5.4
7.0
30.1
4.9
7.3
38.1
4.7
7.6
60.0
4.4
7.6
80.0
表2-2润版液的PH值对胶印黑墨干燥时间的影响
润版液的pH值
2.0
3.0
3.6
3.8
7.0
干燥时间/h
70
22.5
17
16
12
二、油墨的渗透干燥原理（用沥青、松香、石油原料）
1、渗透干燥的物理过程
溶剂渗透后，油墨分子与纤维物理结合，附着力差，无光泽，但干燥快。
2、影响油墨渗透干燥速率的因素
渗透过程：
①加压渗透，不加压为自由渗透
②粘度
③纸张的疏松
④毛细管直径。
三、油墨挥发干燥原理
油墨、光油中有大量的溶剂，不结膜只起中间作用，最终挥发掉。
挥发过程为物理过程，影响溶剂挥发有下列因素：
1 溶剂本身的挥发速率
2 颜料、连接料对溶剂的释放作用
3 外界温度
4 外界表面蒸汽压强P。
1、溶剂挥发速率表2－3所示。
注意：
并非挥发速率越高越好。
表2-1-3常用溶剂挥发速率
溶剂类别
溶剂名称
挥发速率E
沸点范围℃
笨
288
79-81
芳香烃类
甲苯
100
109-112
二甲苯
34
135-143
甲醇
254
64-65
醇类
乙醇
117
75-80
异丙醇
96
81-83
正丁醇
19
116-119
醋酸甲酯
500
52-58
酯类
醋酸乙酯
260
72-80
醋酸正丁酯
42
115-130
2、连接料对溶剂挥发速率的影响
连接料树脂和油墨分子之间存在力的作用，周边的溶剂与分子之间存在化学力这部分水称之结合水与结合水（溶剂）相邻的水为自由水。
如图2－1，A－自由溶剂挥发曲线
B—连接料中
C—油墨中
单位重量表面积越大，结合水越多越不易蒸发。
四、水溶性油墨的干燥特性
水和溶剂不同之处在于水挥发速率低，气化温度高为100℃（常大气压）。
干燥时可加高温度，同时降低表面蒸汽压降低蒸发温度，用热风、红外混合干燥方式。
五、普通油墨干燥与UV油墨固化的区别
1、两种油墨组成不同
一般油墨溶剂含量高30％左右，UV油墨为5％。
普通油墨：
溶剂挥发慢慢干燥形成大分子集团，分子因内有聚合反应，但聚合度不高，就比方水泥中砂子多形成的膜层。
UV油墨：
无溶剂接受光能量迅速聚合成整体大分子，光泽度高。
2、两种油墨干燥速率不同
光速 化反应速度
UV油墨固化过程是：
光能 光引发剂 树脂
普通油墨：
热量传递速度＋溶剂挥发速率
3、油墨干燥滞后作用
普墨可后滞后干燥
UV墨表层干下层永远不会干。
4、“干了”的概念不同
从以上所述普通和UV油墨干燥原理可知：
① 胶印、凸印（移印）、油墨粘度高，溶剂含量低、
以渗透氧化结膜干燥为主，干燥过程缓慢粘高增高。
② 柔印、凹印墨粘度低，溶剂含量高。
以挥发和热固化为主，（印塑料不渗透），干燥需加热短时间可干燥聚合成大分子固化。
③ UV油墨立即固化，聚合成大分子固体。
第二节 热传导的三种方式的原理及设备
热能传递的过程是将分子无规则运动的剧烈程度传递给相临的分子，有三种方式：
①热辐射②热传导③对流
一、热辐射
1、光谱辐出度：
辐射是原子物理概念，是原子中电子从高能级返回低能级时发出的波，只要T>0（－273℃）物质都会发出辐射，对非黑体辐射，斯忒薄—玻尔兹曼定律
R=κσT4
２∏C
瑞利－靳斯公式 rλ.T=——KT
λ4
R=∫0∞rdλ
K—物体发射本领，与物体性质、温度、表面状况有关
σ—常数
从瑞利—靳斯公式看出，某一波λ的辐射强度。
γλ—与物体温度，性质（材料），表面状况有关。
印刷机油墨干燥常用三种发光管，见图2－4。
1 电热管，钨丝
2 陶瓷
3 真空管、内充所需气体
根据油墨的吸收特性选择不同灯管。
陶瓷管是内管有电热丝加热，外表面陶瓷辐射性质由陶瓷的温度和性质决定，改变陶瓷材料可改变辐射性质，既光谱分布。
真空灯管：
内置电热丝，给填充气体加热导致气体辐射，辐射性质既光谱分布由电热丝、气体温度及性质决定，能辐出灯管取决于石英管的透光谱范围，一般透光范围很宽。
电热管：
电热丝、空气、石英玻璃决定，不能选择辐射光谱。
2、光谱吸收
a（λT）—某种油墨材料在温度T对波长λ辐射的吸收率。
油墨分子振动频率与辐射频率共振时吸收辐射能最佳，使分子剧烈运动从而油墨升温促进挥发和聚合反应。
油墨吸收波长约3-30μm红外线，长波对水作用大，人主要接受长波红外线，微波对溶剂、水、金属效果好。
3、热辐射特性
① 传播不需介质
② 直线传播
③ 随传播距离衰减
④ 传播速度为光速30万公里/秒
⑤ 穿透能力强。
二、热传导
1、T概念：
温度是大量分子无规则运动剧烈程度的描述。
当不同温度物体接触时，高温向低温物体传热，是剧烈运动分子碰撞不剧烈分子的过程。
2、热传导的特点
1 需要物体接触，分子接触多传热快，气对水慢因为气体分子密度低， 水与水则快。
2 节约能量。
水冷却灯罩时水全部吸收铝热量，而风冷则不然。
3 传导效率高
4 传导均匀，例如烫金机整板温度一致。
三、对流
1、对流：
流体流过另一物体表面时发生热量交换现象。
2、对流特点：
1 只发生在流体中
2 对流传热方式仍为热传导和热辐射
3 传导路径可通过管
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