環保部在2016年12月13日印發的《國家先進污染防治技術目錄（VOCs防治領域）》中，篩選了一批VOCs污染防治的先進技術。今天要給大家介紹的就是其中包裝印刷行業的氮氣保護UV固化技術。

什么是UV固化技術

UV固化是指在UV燈的輻射光波照射下，UV油墨和UV光油發生交聯固化反應，進而使印品干燥的過程。使用UV油墨和UV光油時，需要配置UV固化裝置。在印刷墨層較厚時，各印刷機組之間需要安裝內置UV固化裝置。目前在行業里常用的UV固化技術主要分為傳統UV固化技術與氮氣保護UV固化技術兩種。


傳統UV固化技術

傳統UV固化技術是在固化裝置內安裝了一個或數個水銀燈，波長范圍是100～380nm。常用的水銀燈工作時會產生高溫和臭氧，因此UV固化裝置還配有冷卻和排除臭氧的裝置。為充分利用水銀燈的能量并保護人身安全及環境，整個UV固化裝置都是封閉在一個反射室中的。

在單張紙膠印機的UV固化裝置中，通常會采用輸出功率為100～120W/cm的氣體水銀燈，這種水銀燈的能量有效利用率只有25%，其余50%將轉化為紅外光，25%轉化為可見光。為防止承印材料（紙張）過熱或與輻射裝置接觸，需要安裝冷卻裝置并在UV固化裝置的下方安裝防護板（通常是采用涂布石英玻璃的紅外濾鏡）。

傳統UV固化技術的熱利用率低，電耗大；UV燈產生臭氧且散發熱量，需要配置排氣裝置；總體運行成本高。

氮氣保護UV固化技術

氮氣保護UV固化技術是指在UV固化系統中建立相對密閉的空間，使用惰性氣體（主要是氮氣，故名為“氮保護”）充斥其中，從而極大的降低了空氣中的氧氣和水蒸汽對UV固化反應的影響——氧氣和水蒸汽會參與UV固化反應：損耗UV能量，產生臭氧和影響光敏劑化學反應等。

“氮保護系統”使得UV固化效果極大的提高，從而極大的改善了傳統UV固化系統所固有的一系列問題。此外，使得印刷工藝的可變性也得到了提高，即可以印刷更多豐富多彩的新設計、新效果，而不必擔心固化效果的影響。另一方面，正由于傳統UV固化系統的上述局限性，使得其無法突破目前的UV膠印速度上限，或應用于卷筒紙高速凹印的UV固化。但這都可以由“氮保護系統”來解決。目前，“氮保護系統”主要應用于卷筒紙的印刷（凹印或柔印），而針對膠印設備的全新“氮保護系統”也已由德國著名UV固化系統制造商IST公司開發成功。而在印刷市場中，已被眾多歐美發達國家的知名印刷企業采用（主要為凹印），并絕大部分用于煙包和食品包裝的印刷，而國內尚處于起步階段。


當然，此新技術目前也有著設備改造成本和增加氮氣供氣系統的局限性。但其“高效，低能耗，低排放”等的技術優勢具有時代趨勢，并符合印刷工藝發展的世界潮流。

氮氣供應技術

在阻隔氧氣的惰性氣體保護UV固化系統中，有兩種提供氮氣的可能方法：將氮氣裝在氣罐里，或使用氮生成劑。多數情況下，這由氧氣比例的需求量決定。從經濟因素考慮，氮氣罐是最常用的裝備。投資氮氣生成器必須考慮每小時產氣體積、每小時消耗的氣體體積、氣體的純度（如95%～99.999%的氮氣純度）等，氮氣生成器的投資與消耗成本需要計算。因此，一個現成的氮氣罐可能更經濟。

新技術的主要應用領域

采用阻隔氧氣的氮氣保護UV固化技術，其優勢在于生產速度高、節約成本、提高質量、減少臭氧與VOCs。應用這種技術可以獲得明顯優勢的領域有：包裝印刷業（特別是使用鋁箔、紙張、卡紙、箔、鍍錫板的食品包裝）、家具工業（裝飾箔、木器涂層、模壓板材等）以及金屬涂布業。但應用該技術時，需要工作人員加強紫外線防護。這種技術也可用于膠印紙張傳送系統或立體部件涂布的固化。許多專家預測，基于阻隔氧氣的氮氣保護UV固化技術應用領域將更廣。

視野拓展

據德國伊斯特-美茨公司的專家介紹，傳統UV固化技術由于需要冷卻水蒸氣，紫外燈裝置需要使用一個石英屏將其與印刷滾筒隔離開來。隔離屏的存在，使固化燈的能量損失達25%～30%。伊斯特-美茨集團研發的BLK-U系統對隔離屏作了改進，大大提高了光輻射的能量。

傳統的UV技術和帶有阻隔氧氣氣體的UV固化技術并不難區分，主要看固化反應周圍氣體的組分是否發生了改變。傳統的UV固化反應使用約20%的氧氣，約79%的氮氣、臭氧與水蒸氣的氣體組分。使用氮氣阻隔氧氣的技術，是小于1%的氧氣，多于99%的氮氣，沒有臭氧和水蒸氣。

氧分子通常分布在氧氣、臭氧和水蒸氣中。氧分子與紫外光油、紫外油墨和紫外黏合劑中的光引發劑及固化劑反應相當快。這將導致暴露于紫外光下的交聯反應不徹底，從而出現小分子鏈或微小分子。只有使用過量的光引發劑和所謂的氧捕獲劑或合成引發劑，交聯反應才能充分完成。如果空氣中水蒸氣與氧氣被替代或者減少，交聯反應將更徹底，從而改進印刷質量。同時，光引發劑用量的減少，使得UV印刷油墨的配方更成熟。光引發劑會引發材料的收縮與起皺，光引發劑用量從10%減少至1%，將極大地減少材料收縮與起皺的狀況。伊斯特-美茨集團推出的阻隔氧氣BLK燈，最重要的優勢是取消將紫外輻射單元與承印材料表面分隔的石英屏裝置，紫外輻射裝置可以直接位于固化單元的中間。

相對于帶有石英屏的裝置，阻隔氧氣BLK燈的輻射功率有了顯著的提升。該系統裝備一個完整的水冷系統，不需要任何氣體的萃取，也沒有臭氧形成。氮氣防止了臭氧的形成，并提供有利于固化的環境。由于內部通暢，不需要附加管道。連綿的過濾器可以延長紫外燈和反應器的使用壽命。將氮氣循環器安裝在燈室內部，也極大地縮小了燈組模塊的體積，相對之前通過附加盒安裝的形式更節省空間。體積縮小，使得這種技術可以應用于更多類型的印刷系統。阻隔氧氣實現了許多UV固化的革新，實現了使用UV輻射實現固化油墨、涂布與黏合的構想。減少光引發劑的比例也為固化、顏料和添加劑提供了更多空間，并改善了材料收縮、底基的黏性，阻止了臭氧的形成。