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环保部治理VOCs的“十八般武艺”之“氮气保护

文章出处:未知 人气:发表时间:2021-03-31
环保部在2016年12月13日印发的《国家先进污染防治技术目录(VOCs防治领域)》中,筛选了一批VOCs污染防治的先进技术。今天要给大家介绍的就是其中包装印刷行业的氮气保护UV固化技术。

什么是UV固化技术
UV固化是指在UV灯的辐射光波照射下,UV油墨和UV光油发生交联固化反应,进而使印品干燥的过程。使用UV油墨和UV光油时,需要配置UV固化装置。在印刷墨层较厚时,各印刷机组之间需要安装内置UV固化装置。目前在行业里常用的UV固化技术主要分为传统UV固化技术与氮气保护UV固化技术两种。
 

 
传统UV固化技术
传统UV固化技术是在固化装置内安装了一个或数个水银灯,波长范围是100~380nm。常用的水银灯工作时会产生高温和臭氧,因此UV固化装置还配有冷却和排除臭氧的装置。为充分利用水银灯的能量并保护人身安全及环境,整个UV固化装置都是封闭在一个反射室中的。
 
在单张纸胶印机的UV固化装置中,通常会采用输出功率为100~120W/cm的气体水银灯,这种水银灯的能量有效利用率只有25%,其余50%将转化为红外光,25%转化为可见光。为防止承印材料(纸张)过热或与辐射装置接触,需要安装冷却装置并在UV固化装置的下方安装防护板(通常是采用涂布石英玻璃的红外滤镜)
 
传统UV固化技术的热利用率低,电耗大;UV灯产生臭氧且散发热量,需要配置排气装置;总体运行成本高。
 
氮气保护UV固化技术
氮气保护UV固化技术是指在UV固化系统中建立相对密闭的空间,使用惰性气体(主要是氮气,故名为“氮保护”)充斥其中,从而极大的降低了空气中的氧气和水蒸汽对UV固化反应的影响——氧气和水蒸汽会参与UV固化反应:损耗UV能量,产生臭氧和影响光敏剂化学反应等。
 
“氮保护系统”使得UV固化效果极大的提高,从而极大的改善了传统UV固化系统所固有的一系列问题。此外,使得印刷工艺的可变性也得到了提高,即可以印刷更多丰富多彩的新设计、新效果,而不必担心固化效果的影响。另一方面,正由于传统UV固化系统的上述局限性,使得其无法突破目前的UV胶印速度上限,或应用于卷筒纸高速凹印的UV固化。但这都可以由“氮保护系统”来解决。目前,“氮保护系统”主要应用于卷筒纸的印刷(凹印或柔印),而针对胶印设备的全新“氮保护系统”也已由德国著名UV固化系统制造商IST公司开发成功。而在印刷市场中,已被众多欧美发达国家的知名印刷企业采用(主要为凹印),并绝大部分用于烟包和食品包装的印刷,而国内尚处于起步阶段。
 
 
当然,此新技术目前也有着设备改造成本和增加氮气供气系统的局限性。但其“高效,低能耗,低排放”等的技术优势具有时代趋势,并符合印刷工艺发展的世界潮流。
 
氮气供应技术
在阻隔氧气的惰性气体保护UV固化系统中,有两种提供氮气的可能方法:将氮气装在气罐里,或使用氮生成剂。多数情况下,这由氧气比例的需求量决定。从经济因素考虑,氮气罐是最常用的装备。投资氮气生成器必须考虑每小时产气体积、每小时消耗的气体体积、气体的纯度(如95%~99.999%的氮气纯度)等,氮气生成器的投资与消耗成本需要计算。因此,一个现成的氮气罐可能更经济。

新技术的主要应用领域
采用阻隔氧气的氮气保护UV固化技术,其优势在于生产速度高、节约成本、提高质量、减少臭氧与VOCs。应用这种技术可以获得明显优势的领域有:包装印刷业(特别是使用铝箔、纸张、卡纸、箔、镀锡板的食品包装)、家具工业(装饰箔、木器涂层、模压板材等)以及金属涂布业。但应用该技术时,需要工作人员加强紫外线防护。这种技术也可用于胶印纸张传送系统或立体部件涂布的固化。许多专家预测,基于阻隔氧气的氮气保护UV固化技术应用领域将更广。
 
视野拓展
据德国伊斯特-美茨公司的专家介绍,传统UV固化技术由于需要冷却水蒸气,紫外灯装置需要使用一个石英屏将其与印刷滚筒隔离开来。隔离屏的存在,使固化灯的能量损失达25%~30%。伊斯特-美茨集团研发的BLK-U系统对隔离屏作了改进,大大提高了光辐射的能量。
 
传统的UV技术和带有阻隔氧气气体的UV固化技术并不难区分,主要看固化反应周围气体的组分是否发生了改变。传统的UV固化反应使用约20%的氧气,约79%的氮气、臭氧与水蒸气的气体组分。使用氮气阻隔氧气的技术,是小于1%的氧气,多于99%的氮气,没有臭氧和水蒸气。
 
氧分子通常分布在氧气、臭氧和水蒸气中。氧分子与紫外光油、紫外油墨和紫外黏合剂中的光引发剂及固化剂反应相当快。这将导致暴露于紫外光下的交联反应不彻底,从而出现小分子链或微小分子。只有使用过量的光引发剂和所谓的氧捕获剂或合成引发剂,交联反应才能充分完成。如果空气中水蒸气与氧气被替代或者减少,交联反应将更彻底,从而改进印刷质量。同时,光引发剂用量的减少,使得UV印刷油墨的配方更成熟。光引发剂会引发材料的收缩与起皱,光引发剂用量从10%减少至1%,将极大地减少材料收缩与起皱的状况。伊斯特-美茨集团推出的阻隔氧气BLK灯,最重要的优势是取消将紫外辐射单元与承印材料表面分隔的石英屏装置,紫外辐射装置可以直接位于固化单元的中间。
 
相对于带有石英屏的装置,阻隔氧气BLK灯的辐射功率有了显著的提升。该系统装备一个完整的水冷系统,不需要任何气体的萃取,也没有臭氧形成。氮气防止了臭氧的形成,并提供有利于固化的环境。由于内部通畅,不需要附加管道。连绵的过滤器可以延长紫外灯和反应器的使用寿命。将氮气循环器安装在灯室内部,也极大地缩小了灯组模块的体积,相对之前通过附加盒安装的形式更节省空间。体积缩小,使得这种技术可以应用于更多类型的印刷系统。阻隔氧气实现了许多UV固化的革新,实现了使用UV辐射实现固化油墨、涂布与黏合的构想。减少光引发剂的比例也为固化、颜料和添加剂提供了更多空间,并改善了材料收缩、底基的黏性,阻止了臭氧的形成。
 

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