UV-LED固化技术在铁盒包装行业中的应用及前景

铁盒包装是我国包装总工业的重要组成部分，主要为食品，保健品、日用品、化妆品等行业提供产品包装服务，与其他包装材料相比有很多优点，如可循环利用、低迁移，对罐内容物保护好、外观美观、色彩艳丽等，受到广大消费者的认可。20 世纪90 年代，传统的UV 光固化技术的兴起，更是为铁盒包装行业的发展提供了快速通道，并因无溶剂、干燥速度快、节省等待时间、颜色黄变性小以及无污染物排放等诸多优点在国内外取得了巨大发展。铁盒包装油墨目前70%使用的是UV 油墨，而且还在逐年增加。伴随着我国人民生活水平提高，快速消费能力逐渐递增，铁盒包装行业前景大好。

但是，根据联合国2013 年制定水俣公约，2020 后将禁止或逐步减少汞灯在工业生产应用，传统的UV 固化方式将日益受到环保的限制，UV 油墨的发展空间也将会越来越小。同时，国内印铁市场竞争激烈，利润空间大幅压缩，非常态竞争模式导致企业生产成本高，销售价格却偏低，企业利润稀薄，急需寻求新工艺降低生产能耗和生产费用。

UV-LED 光固化技术最早出现在drupa2008印刷展上，主要用于数字喷墨墨水的固化，经过几年的发展，目前UV-LED 光固化技术已经广泛应用于柔印、丝印及凸版印刷油墨，近2年胶印UV-LED 油墨的开发也取得了不错的进展。例如济南阿波罗油墨有限公司申报的发明专利“一种发光二极管光固化油墨”，其特征为采用常规预聚物如聚丙二醇二丙烯酸酯或三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，光引发剂为184、369 、1173；广州尤特新材料有限公司申报的发明专利“一种LED-UV 光固化的丝印无卤玻璃油墨”，其采用的也是常规预聚物聚酯丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯，光引剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮（1173）等，与传统UV 油墨中的预聚物与引发剂相同；铜陵方正塑业科技有限公司申报的发明专利“一种以LED 为光源的光固化油墨及其制备方法”，其特征是通过助剂提高油墨韧性，使油墨分散均匀，维持油墨稳定性等；除此之外，中钞油墨有限公司公开了发明专利“以LED 为光源的UV 固化号码油墨”、杭华油墨化学有限公司公开了发明专利“一种UV-LED 低能固化油墨”；上海超彩油墨有限公司也开发出一套UV-LED 印铁油墨，在胶印印铁工艺中成功应用，并取得了卓越的成果。

UV-LED 光源发射波段365nm，385nm，长波段紫外线穿透能力强，特别适合于油墨层的底部干燥，而UV 高压汞灯，短波段的穿透力不足，底部干燥以及固化速度均不如LED 体系。其次，LED 光引发剂比常规的传统光引发剂更加环保，从生产现场气味到版面光引发剂迁移，都更安全。数据见表1。

LED 灯管利用二极管芯片中电子空穴复合，自发辐射，产生光源，而传统高压汞灯采用汞蒸气高压电离激发光源，LED 光源避免汞的生产制造。LED 产生长波段单一型或者复合的365，385nm 光源，而高压汞灯从低于200nm 到高于400nm 的范围都有辐射，辐射范围广，其中小于280nm 的波段是产生臭氧的来源，LED 光源则很好的摒弃了这个缺点，所以LED 油墨在环保上的突出优点是UV 汞灯油墨无法媲美的。

UV-LED固化系统在生产应用过程中，成本控制方面相比传统UV固化设备具有明显的优势。走访多家印刷厂和设备厂后，我司与上海臻辉光电技术有限公司共同合作，对这两种固化设备在硬件方面进行工业化应用比较，具体结果见表2。

从表2可以看出，UV-LED固化方式明显优于传统UV固化方式，具体如下：

1.使用UV-LED 印铁工艺，可以提高生产效率。传统UV 印铁工艺的开关机需要预热和降温等待，而UV-LED 固化设备即使低温条件下，开启也不困难，灯源即开即关，生产效率可显著提高10-20%。

2.LED 与UV 灯固化方式相比，只需要UV 灯源1 /4 的电能消耗，不仅节省了能耗，也大大减少了CO2 的排放量，更加环保。

3.固化过程中不产生臭氧。UV-LED 光源不会产生短波紫外光，因此在固化过程中不会产生臭氧，无需安装除味装置或排风管道等辅助装置，能够保持清洁的工作环境，这使得UV-LED 固化装置在周围建筑物密集的工厂也可采用。

4.使用寿命长。UV-LED光源使用寿命可高达2万小时～3万小时，是现有高压汞灯和金属卤素灯（1500小时）的十几倍，可大幅减少光源更换次数。

5.发热量小。UV-LED光源的光电转换效率高，灯管表面温度仅为60℃左右，能有效防止印品因过热而产生收缩变形，从而达到较高的套印精度。

UV-LED印铁油墨在配方设计中颜料与光引发剂的选择要想使UV-LED油墨在LED光源下能够充分固化，在UV-LED油墨开发过程中必须严格筛选原材料，注意光引发剂与颜料的合理搭配。

UV-LED 油墨在LED 光源照射下，光引发剂吸收能量从基态跃迁到活泼的激发单线态或继续跃迁至激发三线态，进而引发预聚物和单体等发生交联聚合反应。各光引发剂的光谱吸收峰见表3。

UV-LED油墨的光引发剂不仅需要对UV-LED光源发出的窄波段紫外光能具有很强的吸收力，而且必须实现墨层表面和内部同时固化。因此，在选择UV-LED油墨的光引发剂时，应保证光引发剂在UV-LED光源的特定波长下具有最佳的吸收特性，同时还应开发出配比最佳的光引发剂组合，以尽可能地吸收有限的紫外光能。特别是对于透明类光油而言，必须在有限种类的光引发剂范围内，找到能使光油黄变性和固化性达到平衡的光引发剂。

在胶印生产中，我们通常采用“黑→青→品红→黄”的色序进行叠印，最先印上的黑墨只能通过穿过青、品红、黄墨之后已经变弱的紫外光进行固化，而颜料对紫外光又有一定的吸收、反射和散射，因此紫外光通常难以到达墨层内部，从而导致油墨固化不彻底。而多数颜料在紫外光谱范围内都存在一定的可透射区，即不同颜料在紫外区吸收较弱的波段，称为颜料的“透光窗口”，理论上选择在颜料的透光窗口范围内具有较高吸收性的光引发剂能够有效提高油墨的固化速率。同时，使用着色能力较好的颜料，提高油墨色浓度，减少印刷上墨量（以免因墨层过厚而影响固化效果），也是提高UV-LED油墨固化性能的有效手段。

在国外，UV-LED技术在铁盒包装印刷中的应用已经逐步展开，在美国、欧盟、日本一些发达国家和地区，UV-LED固化技术产业的平均占有率每年都有很大的提高。在国内，UV-LED油墨技术也已经成熟，且随着国产UV-LED印刷设备性能的日趋稳定，越来越多的中小型铁盒包装印刷企业开始采用或者考虑采用国产UV-LED设备，再加上其巨大的成本优势，UV-LED技术即将大放溢彩，必将成为一种创新的节能与环保方式。相信在不远的将来，UV-LED印铁技术在我国铁盒包装行业中必将大放异彩。