Ультрафиолетовое отверждение лаков и красок (стр. 5 из 6)

УФ-отверждение является фотохимическим процессом, при котором мономеры (олигомеры) подвергаются полимеризации и (или) сшиванию. УФ-полимеризуемые композиции содержат фотоинициатор (сенсибилизатор), который поглощает УФ-энергию и инициирует полимеризацию мономеров. Скорость фотополимеризации зависит от нескольких факторов:

· от химического строения соединений, входящих в состав композиции: каждый мономер (олигомер) отверждается с различной скоростью, связанной с его реакционной способностью, а также с количеством и активностью фотоинициатора (сенсибилизатора);

· от толщины слоя покрытия: чем толще слой, тем больше время его экспозиции под УФ-облучением. К тому же количество поглощенной энергии света падает экспоненциально с глубиной отверждаемого слоя. Например, если слой толщиной 1 мм поглощает 90 % падающей энергии, то следующий слой в 1 мм поглощает уже 90% остатка, то есть 9 % исходного количества энергии. Чтобы привести количествоэнергии во втором слое к эквивалентному (с первым слоем) количеству, необходимо увеличить исходное освещение в 10 раз. Таким образом, двукратное увеличение толщины отверждаемого слоя требует 10-кратного повышения интенсивности УФ-облучения;

· от количества световой энергии, приходящейся на единицу поверхности покрытия: до определенного момента скорость отверждения растет с увеличением количества энергии, приходящейся на единицу поверхности. Например, увеличение указанной энергии в 2 раза может привести к 3-х, 4-х или 10-кратному росту скорости отверждения. Отсюда следует, что для повышения скорости отверждения лучше использовать одну более мощную лампу, чем две меньшей мощности;

· от спектра источника излучения: спектры поглощения фотоинициатора (сенсибилизатора) и мономера (или других добавок) не должны совпадать. С другой стороны, спектр излучения должен совпадать со спектром возбуждения фотоинициатора. Ртутные лампы среднего давления излучают в широком интервале длин волн (180-400 нм), поэтому они пригодны практически для всех процессов УФ-отверждения.

· Для системы, содержащей жидкую УФ-отверждаемую композицию, полимеризующуюся только в присутствии фотоинициатора, процесс УФ-отверждения как свободно-радикальной полимеризации может быть описан схемой, включающей элементарные стадии инициирования, роста и обрыва цепей.

УФ-отверждаемые композиции на основе эпоксиакрилатов были описаны ещё в 1958 г. Они не предназначались специально для защиты OВ, но показали высокие скорости фотополимеризации и хорошие эксплуатационные свойства полимеров. Это позволило позднее использовать их в качестве УФ-отверждаемых композиций для 0В. Так, авторы использовали бромированный бисфенол, который этерифицировали акриловой кислотой в присутствии диглицидилового эфира 1,4-бутандиола, гидрохинона и диэтиламиноэтанола. К полученной композиции добавляли фотоинициатор и силановую адгезионную добавку. Такая композиция позволяет покрывать OВ защитным полимерным покрытием со скоростью до 25 м/мнн [12].

Способ синтеза олигомеров, в частности, эпоксиакрилатов, достаточно отработан и поддается простому контролированию хода реакции по кислотному или эпоксидному числу, а также по изменению динамической вязкости продукта.

Известна эпоксиакрилатная фотоотверждаемая композиция, содержащая до 40% диакрилатов и имеющая высокую скорость полимеризации.

Строение основного компонента, полученного этерификацией эпоксиолигомеров акриловой кислотой, авторы выражают следующей формулой:

Аr, X-алкилэфирные остатки.

Некоторые аспекты процесса УФ-отверждения лаков и красок в типографии

В области отделки печатной продукции все большую популярность завоевывают лаки, отверждаемые под действием УФ-излучения. По сравнению с другими видами лаков (оксиполимеризующимися на масляной основе, дисперсионными на водной основе и на базе летучих растворителей) в их пользу можно привести много аргументов: глянец, стойкость к истиранию, малое время высыхания (менее 1 с), возможность избирательного нанесения лака, экологическая чистота и низкий расход электроэнергии. По первым четырем параметрам УФ-лаки значительно превосходят другие. (Хотя здесь речь идет о лаках, то же самое можно отнести и к УФ-краскам.) Отверждение этих материалов происходит в специальных модулях сушки, которые отличаются невысоким расходом электроэнергии и небольшими габаритами.

На отечественном рынке полиграфматериалов появилась масса различных лаков и красок, отверждаемых под действием УФ-излучения. Причем, если краски предлагаются производителями в основном для трафаретной и флексографской печати, то лаки — и для офсета. Стоит отметить, что в состав покрытия для определенного способа печати вводятся различные компоненты и добавки, исключающие использование этого продукта для другого вида печати. Важным фактором при покупке УФ-лаков и красок является информация от производителя о необходимой для полимеризации энергетической освещенности (экспозиции) и максимально возможной скорости отделки печатного оттиска при использовании определенного вида лака или краски. Весомой также является информация от поставщика о способности печатной продукции длительно сохранять свои потребительские свойства. Например, некоторые лаки со временем желтеют, что может весьма негативно сказаться на изображении. Другой неприятный фактор, проявляющийся со временем — снижение стойкости к истиранию. Это ведет к тому, что яркая блестящая поверхность становится мутной и исцарапанной. Следует упомянуть о том, что при использовании УФ-отверждаемых лаков могут возникнуть трудности, связанные с растеканием лака по запечатанной поверхности, а также с высыханием залакированного оттиска. В этом случае рекомендуется лакировать уже высохшие оттиски (речь идет об использовании обычных офсетных красок) или же печатать соответствующими УФ-красками — это сочетание дает оптимальное качество.

К сожалению, УФ-лаки и краски отечественными производителями не выпускаются. Материалы зарубежных фирм, как уже отмечалось, имеют довольно высокую, а иногда явно завышенную стоимость, что существенно ограничивает их применение. И естественно, актуальным является производство отечественных аналогов. По подсчетам экономистов, в этом случае их стоимость уменьшится как минимум на четверть. Однако при налаживании собственного производства может возникнуть масса сложностей, связанных как с финансовым, так и с техническим обеспечением, а главное, с разработкой химического состава материалов.

Для решения последней части проблемы в Московском государственном университете печати на кафедре химии и материаловедения проводятся исследования для разработки фотополимеризующейся композиции (ФПК) — основы лакокрасочных материалов УФ-сушки. Целью этих работ является создание такой основы, которая была бы лишена выше описанных недостатков. На базе предыдущих исследований кафедры была разработана олигомерно-мономерная смесь, компоненты которой выпускаются отечественной химической промышленностью и гарантируют отсутствие наиболее существенных недостатков (желтизна и снижение стойкости на истирание в процессе хранения). Но работа не могла считаться законченной: необходимо выбрать оптимальный фотоинициатор, который определяет столь существенный параметр, как время отверждения композиции. Критерием выбора фотоинициатора было наименьшее время, необходимое для высыхания. Сутью данной работы являлось исследование поведения наиболее распространенных за рубежом фотоинициаторов при их введении в разработанную МГУП олигомерно-мономерную смесь с целью выявления наиболее эффективного, а также подбор некоторых существенных технологических параметров УФ-сушки. Следует отметить, что скорость отверждения композиции в числе прочих факторов зависит от влияния кислорода воздуха, поглощающей способности фотоинициатора и его способности инициировать реакцию полимеризации. Одна из целей работы — изучение влияния кислорода на процесс УФ-сушки, так как обычно лакирование производят на воздухе.

В процессе работы была изучена кинетика фотополимеризации мономерно-олигомерной смеси, лежащей в основе ряда красок и лаков УФ-отверждения, при наличии контакта с воздухом в присутствии фотоинициаторов, являющихся производными антрахинона.

Была приготовлена ФПК, состоящая из смеси мономера МГФ-9 и олигомера из числа диановых эпоксиакрилатов, в которую поочередно вводились небольшие количества различных фотоинициаторов: 2-третбутилантрахинона, 2,7-дитретбутилантрахинона, 1-хлорантрахинона.

Для каждого фотоинициатора на инфракрасном спектрофотометре при длине волны 930 нм получали данные для построения кривых приращения числа двойных связей. По этим кривым определяли кинетику отверждения данной ФПК в виде зависимости величины конверсии приращения числа двойных связей, влияющей на полимеризацию, от времени отверждения. Облучение происходило под УФ-лампой ДРТ-400 через определенные интервалы времени при энергетической освещенности 0,1 Вт/см2 (толщина слоя 30 мкм) [14].