UV硬化:技術資料>UVインキ(紫外線硬化型インキ)・UV樹脂の硬化・UV照射装置・UV印刷

UVインキ用紫外線照射装置のマリオネットワーク


UVインキの硬化・乾燥

UV(紫外線)を照射して、UV樹脂・UVインキ・UV塗料を硬化させる技術は
硬化させる対象物の違いだけで、UVで硬化するしくみなどは共通です。
UV硬化によるメリットとして、主に以下があげられます。



(1) 瞬間硬化
紫外線を照射して硬化するまでの時間は数秒ですので、作業工程時間を大幅に短縮できます。

(2) 省スペース
設備がコンパクトにでき、乾燥棚や熱処理設備などのスペースは必要ありません。

(3) 歩留まり、品質の向上に役立ちます
UVインキやUV樹脂は、表面皮膜がきれいで硬度も高く、また剥がれにくいため、品質向上に役立ちます。

また硬化時間の速さにより、硬化・乾燥中のゴミ付着などのリスクが減ります。

(4) 熱ダメージが少ない
数秒で硬化するためワークへの熱ダメージが少ないため、熱に弱い材料にも使用できます。

(5) 環境にやさしい
有機溶剤は必要としませんので、職場の空気や周辺環境への汚染などがありません。



UV硬化をご理解いただく参考として、以下、UV印刷を例に解説させていただきます。



  特集 UV印刷

 1:UV印刷のニーズ(市場)

 2:UV印刷に必要なもの(UVインキ・UV照射装置)

  >UVインキ
   ・
UVインキの濃度調整方法
   ・UVインキの安全性
   ・UVインキの貯蔵について

  >UV照射装置
   ・UV照射用灯具で使われるランプの種類
   ・UVインキとUV照射のマッチング・テスト方法
   ・照射条件

 3:UV印刷でのトラブルと解決法

   ・内部/中央未硬化
   ・インキ膜厚/印刷濃度
   ・印刷素材の紫外線吸収率と表面反射率
   ・硬化以外の接着不良要因と、その改善策

 4 :その他注意ポイントなど

 

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1:UV印刷のニーズ(市場)



UV印刷とは「UVインキ」を使った印刷で、UVインキとUV照射装置を使用します。
UVインキには、塗膜品質のよさ・脱溶剤・速乾性(版上では乾かず、印刷後は速乾)
といったメリットがあるため、従来印刷からUV印刷への移行は各方面で進んでいます。
導入は比較的簡単で、従来の印刷設備のままUV照射装置を付け足すだけでもスタートできます。

・スクリーン印刷、グラフィック、ポリ素材にも利用が拡がっています。

・ペットボトル印刷では、すでに主流になっています。

・耐久性が強いので工業パーツへの品番印刷、名板などへの印刷、マーキングにも導入されています。

・プリント・サーキット印刷でも、そのメリットが大いに有効活用されています。

・クリアータイプのものは、シボ加工やエッチング風などの特殊効果や接着・コーティングなど広く応用できます。

・UVインキは原則的に無溶剤なので揮発性がなく安全、環境クリーンにも貢献します。



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2:UV印刷に必要なもの(UVインキ・UV照射装置)


UV印刷にはUVインキと、それを硬化乾燥させるUV照射装置が必要です。

 

[UVインキ(=紫外線硬化型インキ)]

UVインキとは、紫外線(UV)を照射すると秒速で硬化する無溶剤型インキです。
一液型(一般的UVインキ)、二液型、熱併用型、水性型、その他、仕上がり状態から
グロス(艶あり)とマット(艶消し)、塗膜性質からソフトタイプ(追従型)/ハードタイプ(剛性型)、
黄変/無黄変形と分類することもでき、社会ニーズにあわせて様々に工夫されています。

UVインキの基本となる樹脂は、「オリゴマー(プレポリマー)」といわれるもので、 低粘度な液状
から半固体状まであり、代表種としてポリエステルアクリレート、エポキシアクリレート、ウレタン
アクリレートなどがあります。そのため、基本的にウレタンアクリレート等には「くいつきがいい」
のも特徴です。

その他UVインキの主成分は、光重合性樹脂(=速硬化のアクリレート系オリゴマー/モノマーが主流)、
光重合開始剤、顔料、重合禁止剤、消泡剤、帯電防止剤などで、原則的に有機溶剤は含まず、
低粘度のオリゴマー・モノマーなど反応性希釈剤=レジューサーで粘度を調整します。



UVインキの濃度調整方法

一般のUVインキはそのまま印刷することを前提とした粘度で出荷されていますが、
粘度を下げたい場合は各専用のレジューサーを10%以内で添加します。
粘度を上げたい場合は高粘度のメジウム(マットクリアーなど)を添加します。
 


UVインキの安全性

UVインキは、蒸発物や溶剤がないので吸入による心配はありません。
付着すると皮膚刺激性があるので保護手袋を着用し、皮膚に付着したときは洗い落とします。



UVインキの貯蔵について

UVインキは、貯蔵中に光が当たらなくても、熱によりゲル化して固まることがありますので
冷暗所に保管します。また時々インキを攪拌して空気を混入してやります。
(インキ中に発生する『反応活性』は、空気中の酸素により非活性化する)


きちんと管理すれば2年は貯蔵可能といわれていますが、半年を目処にするのが無難です。






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[UV照射装置]

UVインキを乾かすためにはUV照射装置が必要ですので、
UV照射装置を 今の印刷設備に付け足します。

予算がある場合はコンベア一体型などの専用照射装置を使います。

導入経費を抑えるためにはUV照射用灯具と電源をセットで用意します。

灯具にシャッター機能やコールドミラーなど、すぐ使うための機能を組み込んだ
クリップオン型装置や、[卓上バッチ/コンベア搭載]の、2種類の使い方を選べる
装置もあります。

弊社は、お客様のご要望にあわせたUV硬化装置・UV硬化ラインの設計・製造を
得意としておりますので、大型の製造ラインから小型のユニットまで、最適の製品を
リーズナブルに御提案させていただきます。


内蔵型光源    卓上型UV硬化装置


*耐熱性の低い印刷素材はUVランプからの熱で変形を起こすので、
この熱を減らす工夫を装備に足します。
その代表が開閉シャッター機能とコールドミラーです。
コールドミラーは紫外線のみを反射、可視光線や赤外線の殆どは透過させて、
印刷素材への直接的な熱の影響を抑えます。

その他熱対策としてはコールドフィルターをランプ下に置く、
本体ボードを冷却する水冷ボードなど様々な方法があります。

 

 

UV照射用灯具で使われるランプの種類
ランプは、高圧水銀灯とメタルハライドランプが主で、超高圧水銀灯や
キセノンランプはランプ寿命や紫外線量、ランプ長の点であまり選ばれません。

インキの硬化性に大きな影響を及ぼすのは、ランプの発光波長の分布です。
UVランプは紫外線の他に可視光線や赤外線も発光しており、その中でUVインキの
硬化に有効な波長域は300〜400nmと考えられています。
これは長波長の方が透過性に勝っていることと、UVインキに使用される顔料が
365nm近くに最大透過率を示すものが多用されていることによります。
そのため膜厚の厚い印刷の場合には、長波長の発光量が多いメタルハライドランプが
内部硬化性に優れているため有利です。




UVインキとUV照射のマッチング・テスト方法
UVインキへの照射条件を決定するためには必ず実際に近い条件下でテストをします。
印刷素材も本生産に使われるものを使用し、所定の照射条件で硬化させた後、
印刷面のアフタータック(指触による)、
接着性(碁盤目テープ法)、
耐引掻性(爪、鉛筆)
折曲げ耐性
などの試験を行い、照射条件や印刷膜厚を調整します。

 

照射条件
1. 前提条件(プロダクツ特有のUV波長特性・熱対策の必要性など)

2. 照射幅

3. 積算光量(ランプ強度・コンベア速度との兼ね合い)

4. プレヒート等前後プロセスの有無

5. 設置スペース等

があり、特に前提条件への一致と、積算光量が重要です。

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3:UV印刷でのトラブルと解決法


UVインキは、温度による粘度変化が大きいので室温を調整する必要があります。
15〜25℃が適温で、印刷ラインや版の洗浄場所には、直射日光があたらないようにします。
蛍光灯は、よほど近づけない限り問題は出ません。

UVインキでは顔料が紫外線透過性を妨げると、インキの硬化性に大きな影響を及ぼすので、
インキメーカーもインキの硬化性をなるべく低下させない顔料を使用しますが、硬化に関する
トラブルはいろいろな要因で起こり、接着性にも大きく関与します。


接着不良と未硬化のファクター例を以下に挙げます。


内部/中央未硬化
紫外線強度はインキ皮膜の深部へ行くに従い弱くなり、皮膜深層部は接着界面部分でもあるので、
硬化不良になると接着不良も発生します。
従って接着を良くするには、ほどよく内部硬化性を良くすることが大切になります。
印刷皮膜の表層部の硬化は、光重合性樹脂や開始剤の進歩により、通常は問題ありません。
また印刷面の端は、サイドからの紫外線散乱光により硬化性が印刷面の中央部より良いため、
硬化確認(接着試験)は印刷面の中央で行うのが「プロの常識」になっています。



インキ膜厚/印刷濃度

印刷の濃さを向上させる等のために印刷膜厚を増加すると、皮膜深部への紫外線の透過強度が低減し、
紫外線硬化できる膜厚の限界を越すと未硬化(乾燥)や接着不良が発生します。
インキの膜厚を管理する簡単な方法として、ウェット状態での膜厚測定と、濃度計による印刷濃度測定があります。



印刷素材の紫外線吸収率と表面反射率

同じ照射条件でも印刷素材が異なると材質の紫外線吸収率と表面反射率が異なるため硬化性が変わってきます。
素材が濃色なほど、インキの硬化性は低下することになります。



硬化以外の接着不良要因と、その改善策

硬化性以外の接着不良の要因としては、
(1)インキの「濡れ性」の悪さ
(2)硬化による体積収縮  
が挙げられ、次のような改善方法があります。

1:印刷したインキを、紫外線照射の前に予備加熱(プレヒート)する。
これによりUVインキの、材質への濡れ性・接着性が向上します。

2:紫外線照射後の、後加熱(ポストヒート)も接着性を向上させます。

3:UV表面改質(素材によってはUV洗浄も)による濡れ性の向上。

4:接着の難しい材質にはUVインキをなじませるクリアーをアンダーコートする。

5:ポリエステルフィルムなど、易接着フィルムの使用。

6:接着付与剤(特殊樹脂やカップリング剤など)の、インキへの添加。

 

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4 :その他注意ポイントなど



多色印刷の重ね刷りでは、印刷素材が何回もUV照射されてオーバーキュアーしてしまい、
はじめの印刷皮膜が後から乗るインキの接着を阻害して層間剥離を生ずることがあります。
特に熱が加わると起こりやすい現象です。



また層部分の膜厚は厚くなるので皮膜の粘弾性が低下し、材質面から剥離する場合もあります。
これらの問題は、 重ね刷り適性の良いインキの選定や、照射条件の変更(熱を防ぐ/後の印刷色
ほど照射量を多くする、等)によって解決します。


ランプの紫外線強度が低下してくると、紫外線積算光量も低下します。
ランプの寿命は初期紫外線強度(UV照度)の70%が目安で、弊社製品では約2000〜5000時間です。
インキの硬化性の管理には、ランプ管理も合わせて行う必要があり、紫外線光量計で寿命をチェックします。


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・参考文献
スクリーン印刷技術 
椛麹技術センター(H5.4) 
十条ケミカル(株)(H11.8)
日本合成化学(株)資料
高分子化学学術論集
その他技術誌

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