Ця стаття була завершена за сприяння Gemini AI. Час читання: ~20 хв.

УФ-офсетна фарба

УФ-офсетне чорнило (ультрафіолетове офсетне друкарське чорнило) — це високов’язкий пастоподібний друкарський матеріал, виготовлений із фотополімеризаційних смол, мономерів і фотоініціаторів, які миттєво твердіють у тверду плівку під ультрафіолетовим випромінюванням. На відміну від звичайних офсетні фарби , не містять летких органічних розчинників, тому швидко висихають і друкують на непористих підкладках, таких як пластик, фольга та метал.

Це чорнило використовується для високошвидкісного комерційного пакування, видавництва та етикетування. Він забезпечує широку палітру кольорів, високий глянець і миттєву обробку після друку. Посилення законодавства про безпеку харчових продуктів і охорони навколишнього середовища змусило виробників чорнила розробити склади з низькою міграцією та світлодіодним УФ-променем.

Етимологія і термінологія

Термін 'УФ-офсетне чорнило' стосується інтеграції полімерної хімії, що твердіє ультрафіолетом, у непрямий планографічний процес офсетної літографії. Китайський переклад — UV胶印油墨 (UV jiāoyìn yóumò), де '胶印' означає гумовий циліндр, що використовується для перенесення чорнильної плівки, а '油墨' означає друкарську фарбу.

У технічній літературі воно описується як «офсетне чорнило, що затверджує УФ», «літографічне чорнило з ультрафіолетовим випромінюванням» або «чорнило для пасти, що затверджує УФ». Це хімічно відрізняється від чорнила, що затверджує під дією УФ, які використовуються у флексографії, трафаретному та струминному друку. У той час як флексографічні та глибокі УФ-чорнила є рідкими чорнилами з низькою в’язкістю, УФ-офсетне чорнило є «чорнилом-пастою» через їх високу в’язкість, тіло та липкість.

Історичний розвиток

Наука, що лежить в основі ультрафіолетової фотополімеризації, бере свій початок із ранніх патентів на полімери в 1940-х і 1950-х роках. Наприкінці 1960-х років компанії почали продавати чорнила для графічного мистецтва, що відверджуються ультрафіолетом.

• 1970-ті роки : УФ-офсетні чорнила отримали першу значну комерційну позицію, головним чином у сфері декорування металу та упаковки. Технологія вирішила важливе вузьке місце промисловості: для традиційного декорування металу потрібні були довгі газові термічні печі для висихання чорнил на основі розчинників, тоді як УФ-чорнила тверділи за частки секунди, скорочуючи площу виробничої лінії.

• 1990-ті роки : промисловість представила системи катіонного ультрафіолетового затвердіння поряд із традиційними вільнорадикальними акрилатними системами. Катіонні чорнила на основі циклоаліфатичних епоксидів забезпечують меншу усадку та чудову адгезію до металевої фольги та банок.

• 2000-ті роки : великі виробники пресів (такі як Коморі та Гейдельберг) представили високочутливі та низькоенергетичні УФ-системи (H-UV та LE-UV), що дозволяють швидко затвердіти за допомогою однієї безозонової ртутної лампи малої потужності. У той же час на ринок почали надходити твердотільні світлодіодні масиви УФ-затвердіння.

• 2010-ті роки – теперішній час : виробники чорнила розробили ультрафіолетові офсетні чорнила з низьким рівнем міграції (LM), щоб запобігти міграції непрореагованих фотоініціаторів у упаковані харчові продукти. Це була відповідь на суворі європейські закони про безпеку харчових продуктів.

  Ера	Віха	Технічний вплив
  1940-1950-ті роки	Ранні УФ патенти	Основа фотополімеризації
  Кінець 1960-х	Перші комерційні фарби	Миттєве затвердіння на непористому папері
  1970-ті роки	Комерційне усиновлення	Розширення на упаковку, пластик і метал
  1990-ті роки	Катіонні УФ системи	Мала усадка, металева упаковка
  2000-ті роки	H-UV / LE-UV & LED UV	Низькоенергетичні, безртутні лампові масиви
  2010-ті роки-тепер	УФ з низькою міграцією	Відповідність харчової упаковки

Склад і хімія

На відміну від звичайних листових офсетних чорнил (виготовлених з використанням мінеральних або рослинних оліф, які висихають протягом годин через поглинання та окислення), УФ-офсетні чорнила не містять летких розчинників або летких органічних сполук (ЛОС). Вони на 100% складаються з твердих речовин: кожен рідкий компонент у формулі чорнила вступає в хімічну реакцію, щоб стати частиною кінцевої твердої полімерної плівки.

Пігменти (від 10% до 25% за вагою)

Органічні та неорганічні пігменти вибираються за їх високу чистоту, стійкість кольору та світлостійкість. Оскільки пігменти діють як світлоблокуючі фільтри, які поглинають або розсіюють УФ-випромінювання, що твердіє, їхнє навантаження, хімічний склад і прозорість ретельно оптимізовані. Пігменти, які використовуються в чорнилі з низькою міграцією, також повинні мати надзвичайно низький рівень первинних ароматичних амінів (PAA).

Преполімери та олігомери (від 25% до 45% за вагою)

Це первинні плівкоутворюючі основи, які визначають остаточний блиск, еластичність, хімічну стійкість і стійкість до стирання чорнила. Звичайні матеріали включають епоксидні акрилати, поліефірні акрилати та поліуретанові акрилати. Гіперрозгалужені поліефірні акрилові смоли часто вибирають для досягнення високої щільності зшивання без підвищення в'язкості.

Мономери та реактивні розріджувачі (від 25% до 40% за вагою)

Це багатофункціональні акрилати з низькою в’язкістю (такі як трипропіленглікольдіакрилат, TPGDA або триметилолпропантриакрилат, TMPTA), які діють як фаза розчинника під час виробництва. Після затвердіння вони беруть участь у реакції зшивання, щоб стати частиною полімерної матриці, тобто розчинник не випаровується в атмосферу.

Фотоініціатори (від 3% до 10% за вагою)

Це дуже чутливі сполуки, які піддаються хімічному розщепленню або відриву водню під впливом УФ-променів певної довжини хвилі, утворюючи вільні радикали або катіони, необхідні для початку полімеризації. Приклади включають бензофенон, тіоксантони та ацилфосфіноксиди (часто вибираються для світлодіодних УФ-систем).

Добавки та стабілізатори (від 1% до 5% за вагою)

До них належать інгібітори полімеризації в бані (такі як монометиловий ефір гідрохінону, MEHQ) для запобігання передчасному гелеутворенню під час зберігання, піногасники, антиковзаючі агенти (такі як поліетилен або PTFE віск) для покращення стійкості до стирання та модифікатори реології.

Класифікація та види

УФ-офсетні фарби класифікуються на основі механізму хімічної полімеризації, вимог до лампи для затвердіння та параметрів безпеки застосування.

Вільно-радикальні УФ-чорнила

Це найпоширеніший клас УФ-офсетних чорнил на основі акрилатної хімії. Вони висихають надзвичайно швидко, але піддаються пригніченню кисню на поверхні. Зазвичай вони полімеризуються за допомогою стандартних дугових ртутних ламп середнього тиску та мають високий блиск і хорошу механічну стійкість.

Катіонні УФ-чорнила

На основі мономерів епоксиду та вінілового ефіру ці чорнила твердіють за допомогою полімеризації з розкриттям кільця, ініційованої фотогенерованими кислотами. Вони не пригнічують кисень, мають дуже низьку усадку та чудову адгезію до непористих металів, що робить їх стандартним вибором для декорування металу з трьох частин і друку на трубах. Однак вони твердіють повільніше, ніж чорнила з вільними радикалами, і дуже чутливі до вологості в друкарні.

Світлодіодні УФ-чорнила

Світлодіодні УФ-чорнила спеціально розроблені для узгодження вузького спектру випромінювання УФ-світлодіодних ламп (зазвичай монохроматичних при 385 нм або 395 нм). Вони містять високоспеціалізовані фотоініціатори, які поглинають енергію у цьому вузькому діапазоні. Ці фарби твердіють під «холодними» світлодіодними лампами, що робить їх ідеальними для тонких термочутливих пластикових плівок.

УФ-чорнило з низьким рівнем міграції

Чорнило з низьким рівнем міграції розроблено для усунення ризику міграції хімічних речовин в упаковці харчових продуктів, напоїв і фармацевтичних препаратів. Вони повністю виключають невеликі, летючі мономери та фотоініціатори на користь високомолекулярних олігомерів і полімерних фотоініціаторів (таких як Omnipol BP або Omnipol TX), які перевищують 1000 Дальтон. Це запобігає їх міграції через картонні або пластикові підкладки.

Механізм затвердіння: фотополімеризація

Процес висихання УФ-офсетних чорнил — це фізично-хімічний фазовий перехід, що здійснюється за допомогою фотополімеризації, що замінює повільніше випаровування розчинника або окисне зшивання традиційних чорнил.

Коли чорнильна плівка проходить під ультрафіолетовою лампою, фотоініціатори поглинають ультрафіолетові фотони та переходять у збуджений стан. Вони швидко піддаються гомолітичному розщепленню (фотоініціатори типу I) або відриву водню від співініціатора (фотоініціатори типу II) з утворенням активних вільних радикалів. Потім ці радикали атакують подвійні зв’язки акрилатних мономерів і олігомерів, створюючи активні мономерні радикали, які поширюються через шар чорнила.

Рівняння швидкості полімеризації цього процесу можна змоделювати як:

• Rₚ являє собою швидкість полімеризації.

• [M] являє собою концентрацію мономеру.

• kₚ і kₜ константи швидкості розповсюдження та завершення відповідно.

• φ – квантовий вихід ініціюючих радикалів.

• Iₐ – інтенсивність поглиненого світла.

За частку секунди ці реакційноздатні речовини утворюють високозшиту тривимірну полімерну мережу.

Інгібування кисню

Ключовою хімічною проблемою вільнорадикального УФ-затвердіння є інгібування кисню. Атмосферний кисень O₂ діє як поглинач радикалів. Він реагує з ініціюючими або розповсюджуваними радикалами, утворюючи неактивні пероксидні радикали, які зупиняють твердіння на поверхні чорнила. Щоб подолати це, хіміки чорнила додають синергісти амінів, щоб споживати кисень, або принтери очищають зону затвердіння азотом (азотні ковдри).

Цей механізм миттєвого затвердіння дає принтеру явну перевагу: УФ-офсетні чорнила можуть перебувати на чорнильному валику нескінченно довго, не висихаючи та не здираючись. Немає необхідності змивати чорнило після зупинки преса.

Основні технічні властивості та випробування

Оскільки УФ-офсетні чорнила повинні працювати на високошвидкісних пресах і непористих підкладках, їх фізичні та хімічні властивості строго визначені та виміряні.

Реологія та в'язкість

УФ-офсетні фарби є високоструктурованими, неньютонівськими, тиксотропними рідинами. Їх в’язкість падає під високими швидкостями зсуву прес-валків (до 10 000 с⁻⊃1;), щоб забезпечити плавне перенесення чорнила, але миттєво відновлюється на пластині, щоб запобігти появі крапок і витоку. В'язкість вимірюється за допомогою віскозиметрів з падаючим стрижнем (відповідно до ISO 12644) або ротаційних віскозиметрів, що дає динамічний діапазон від 15 до 40 Па·с.

прихватка

Клейкість — це міра внутрішньої когезії чорнила та сили, необхідної для розщеплення чорнильної плівки між обертовими роликами або між ковдрою та підкладкою. Клейкість вимірюється відповідно до ISO 12634 за допомогою TackOscope або Inkometer при стабільній температурі 30°C або 32°C. Якщо прихватка занадто висока, вона буде витягувати волокна з паперу (збирання); якщо надто низький рівень, чорнило стане емульсійним, спричиняючи появу нальоту або відтінку.

Порівняння зі звичайним офсетним чорнилом

Технічні та робочі відмінності між УФ-офсетними та звичайними офсетними фарбами на масляній основі пояснюють, чому друкарні переходять на УФ-технологію.

Сумісність підкладки та застосування

УФ-офсетні чорнила тверднуть за допомогою світлового випромінювання, а не випаровування або поглинання розчинника, тому вони добре працюють на непористих і невбираючих основах.

• Пластмаси та плівки : широко використовуються для друку на аркушах з полівінілхлориду (ПВХ), поліетилентерефталату (ПЕТ), поліпропілену (ПП) і поліетилену (ПЕ) для карток постійного клієнта, прозорих складних коробок і промислових етикеток. Перед друком пластикова поверхня повинна пройти коронну або плазмову обробку, щоб підвищити поверхневий натяг вище 38 дин/см, щоб забезпечити належне зчеплення чорнила.

• Металізована дошка та метал : використовується для елітної косметики, високоякісних алкогольних напоїв та аерозольних балонів. Катіонні чорнила або високогнучкі вільнорадикальні чорнила вибираються таким чином, щоб витримувати згинання після затвердіння, тиснення або тиснення без тріщин.

• Синтетичний папір : ідеально підходить для невбираючих синтетичних підкладок (таких як Yupo або Teslin), які використовуються в відкритих картах, тегах і етикетках промислової безпеки.

• Крейдований і некрейдований папір : у високоякісному комерційному друку УФ-затвердіння запобігає потраплянню чорнила у волокна паперу (вигорання), зберігаючи чіткість точок і створюючи яскраві кольори, високу контрастність і темно-чорні суцільні ділянки.

Обладнання для затвердіння

Для інтеграції УФ-офсетного чорнила потрібні спеціальні системи затвердіння, встановлені в кінці друкарської машини або між друкарськими блоками.

Ртутні дугові лампи середнього тиску

Це традиційні ультрафіолетові лампи, які використовують електричну дугу, що розряджається через випаровану ртуть, для випромінювання широкого спектру ультрафіолетового випромінювання, переважно від 200 нм до 450 нм. Вони часто леговані залізом або галієм, щоб зсунути спектральний вихід у бік більшої довжини хвилі для глибшого проникнення чорнила. Ртутні лампи споживають велику кількість енергії, виробляють надзвичайно високу температуру (потрібні охолоджуючі ролики з водяним охолодженням або повітряне охолодження), виробляють озон (який потрібно вентилювати) і мають короткий термін служби – близько 1500 годин.

Світлодіодні УФ-матриці

Світлодіодні УФ-матриці використовують твердотільні світловипромінювальні діоди для випромінювання вузькосмугового монохроматичного ультрафіолетового світла, зазвичай при 365 нм, 385 нм, 395 нм або 405 нм. Вони споживають на 70% менше енергії, ніж ртутні лампи, не виділяють озону, мають термін служби понад 20 000 годин і працюють «на холоді». Така низька тепловіддача запобігає викривленню тонких пластикових плівок під час високошвидкісного друку.

до 1:00

Міжпалубні конфігурації проти кінцевих конфігурацій

Принтери використовують дві основні конфігурації:

• Interdeck Curing : УФ-лампи встановлені між окремими кольоровими станціями. Це критично важливо під час друку на непористому пластику, щоб миттєво заморозити крапку фарби, запобігаючи розпливу кольору (обмеження вологого захоплення) до нанесення наступного кольору.

• Затвердіння наприкінці друку : лампи високої інтенсивності повністю затверджують всю багатоколірну чорнильну плівку до того, як аркуші потраплять у стос доставки, запобігаючи блокуванню.

Стандарти якості та відповідність

Розробка, використання та тестування УФ-офсетних чорнил мають відповідати суворим міжнародним промисловим і нормативним стандартам.

ISO 12647-2 та ISO 2846-1

Відповідно до стандарту ISO 12647-2 відбитки, створені за допомогою УФ-офсетних чорнил, повинні відповідати цільовим суцільним колориметричним координатам CIELAB і стандартним кривим підвищення значення тону (TVI). ISO 2846-1 визначає точні координати кольору та прозорості для оброблених чорнил (CMYK), виміряні під стандартним джерелом освітлення D50 із кутом спостереження 2° на еталонному папері Phönix Imperial APCO II/II.

Швейцарський Ордонанс SR 817.023.21 (SIO)

Це світовий еталон чорнила для упаковки харчових продуктів. У Додатку 10 до SIO перераховані повністю оцінені речовини (частина A, з обмеженнями специфічної міграції) та речовини, які не входять до списку (NLS, частина B). NLS не повинні проникати в упаковану їжу вище межі виявлення 10 ppb (0,01 мг/кг), а канцерогени, мутагени або репродуктивні токсини (CMR) повністю заборонені.

ЄС № 10/2011 та ЄС № 1935/2004

Ці нормативи Європейського Союзу регулюють матеріали, що контактують з харчовими продуктами, встановлюючи обмеження загальної міграції (OML) 60 частин на мільйон (10 мг/дм⊃2;) з кінцевого пакувального матеріалу в харчові продукти.

TPCH (CONEG) і RoHS

Обмежує вміст свинцю, кадмію, ртуті та шестивалентного хрому в чорнилі для упаковки менш ніж 100 ppm.

Екологічні аспекти та аспекти охорони здоров'я

У той час як УФ-офсетне чорнило забезпечує суттєві переваги для навколишнього середовища, їх реактивна хімічна природа пред’являє унікальні вимоги до поводження та безпеки.

Переваги прес-центру

УФ-офсетні чорнила не містять летких органічних розчинників, тому вони усувають викиди летких органічних сполук у прес-центрі. Вони також скорочують потребу в порошках для розпилення проти відкладень, зберігаючи робоче середовище чистішим і здоровішим.

Вона зосереджена на хімічному механізмі затвердіння УФ-чорнила, щоб популяризувати знання про відповідність друку пластикової харчової упаковки та як мінімізувати міграцію незатверділих мономерів.

Ризики міграції фотоініціатора

У 2005 році ізопропілтіоксантон (ITX) — фотоініціатор, який використовується у зовнішній картонній фарбі — перейшов у дитяче молоко Nestlé в Італії. Під час намотування на котушку надрукована зовнішня сторона притиснулася до ненадрукованої внутрішньої сторони, що контактує з їжею, і ITX перемістився, забруднюючи рідке молоко. Ця криза змінила галузь. Це підштовхнуло до прийняття суворих інструкцій щодо чорнила з низьким рівнем міграції, включно з рекомендаціями Nestlé і політикою виключення EuPIA.

Він детально демонструє та пояснює механізм міграції компонентів чорнила в харчовій упаковці, а також те, як чорнильна промисловість розробляє продукти з низькою міграцією шляхом вдосконалення формул для забезпечення безпеки харчових продуктів.

Охорона праці та перша медична допомога

Незатверділі акрилатні мономери та олігомери в УФ-чорнилах підвищують чутливість шкіри та можуть викликати подразнення, почервоніння, хімічні опіки та пухирі.

• Контакт зі шкірою : Оператори повинні негайно промити уражену шкіру великою кількістю води з милом. Попередження: ніколи не використовуйте нафтові розчинники або розріджувачі чорнила для очищення шкіри від УФ-чорнила, оскільки вони прискорюють проникнення через шкіру.

• Вплив на очі : Негайно промийте очі прохолодною водою протягом щонайменше 15 хвилин і зверніться за професійною медичною допомогою з Паспортом безпеки (SDS).

• ЗІЗ : Оператори повинні носити нітрилові або бутилові захисні рукавички та захисні окуляри під час роботи з незатверділими чорнилом або розчинниками для УФ-промивання.

Поширені проблеми та усунення несправностей

Складний хімічний склад УФ-офсетних чорнил і їх взаємодія з системою зволоження можуть спричинити явні дефекти друку.

FAQ

Що таке УФ-офсетне чорнило?

УФ-офсетне чорнило — це високов’язкий, пастоподібний витратний матеріал для друку, виготовлений із фотополімеризаційних акрилових смол, мономерів і фотоініціаторів. На відміну від звичайних чорнил на основі розчинників, воно миттєво твердне в тверду полімерну плівку під дією ультрафіолетового світла, не вивільняючи летких органічних сполук.

Як сохне УФ-офсетне чорнило?

На відміну від звичайних чорнил, які повільно висихають протягом годин через поглинання та окислення, УФ-офсетне чорнило твердне миттєво. Під впливом ультрафіолетового світла його фотоініціатори викликають швидку реакцію фотополімеризації, яка менш ніж за секунду зшиває мономери та олігомери в суху тверду пластикову плівку.

У чому різниця між УФ-офсетним чорнилом і звичайним офсетним чорнилом?

Звичайні офсетні фарби покладаються на органічні розчинники або рослинні олії та висихають повільно протягом годин. УФ-офсетні чорнила — це 100% тверді системи без розчинників, які миттєво твердіють під УФ-лампами, що дозволяє друкувати на непористому пластику, фользі та металі, водночас не створюючи викидів летких органічних сполук.

Чому УФ-офсетне чорнило коштує дорожче, ніж звичайне?

УФ-офсетне чорнило значно дорожче, оскільки воно базується на високоефективних синтетичних матеріалах, у тому числі спеціальних акрилових олігомерах, реакційноздатних мономерних розріджувачах і вдосконалених фотоініціаторах, а не на дешевших мінеральних або рослинних оліях, виробництво яких потребує складної хімічної обробки.

Чи безпечні УФ-офсетні чорнила для упаковки харчових продуктів?

Стандартні УФ-чорнила створюють ризик міграції, але спеціалізовані УФ-офсетні чорнила з низькою міграцією безпечні для непрямого контакту з харчовими продуктами. Вони містять великі полімерні фотоініціатори та олігомери з високою молекулярною вагою, які протистоять дифузії, повністю відповідають суворим обмеженням додатку 10 Постанови Швейцарії SR 817.023.21.

Що таке світлодіодний УФ-офсетний друк?

Світлодіодний УФ-офсетний друк використовує енергоефективні світлодіодні матриці замість традиційних ртутних ламп для затвердіння УФ-чорнила. Він працює на певних монохроматичних довжинах хвиль, не випромінює озон і охолоджується, захищаючи чутливі до тепла підкладки з пластикової плівки від деформації під час високошвидкісного виробництва.

Чи містить УФ-офсетне чорнило ЛОС?

Ні, стандартні УФ-офсетні чорнила не містять або майже не містять летких органічних сполук. Оскільки вони не містять мінеральних розчинників, що випаровуються, або спиртів, які змішуються з водою, 100% вологої чорнильної плівки, нанесеної на прес-пластину, вступає в хімічну реакцію, щоб стати частиною затверділого шару твердого друку.

Посилання та цитати

ISO 2846-1:2017 , Графічна технологія. Колір і прозорість наборів друкарських фарб для чотириколірного друку. Частина 1. Рулонний офсетний друк із листовою подачею та термофіксацією..

ISO 12647-2:2013 , Графічна технологія. Контроль процесу виробництва напівтонових кольороподілів, пробних і робочих відбитків. Частина 2. Офсетні літографічні процеси.

ISO 12634:2017 , Графічна технологія. Визначення клейкості пастоподібних чорнил і носіїв за допомогою ротаційного такметра.

ISO 12644:1996 , Графічна технологія. Визначення реологічних властивостей пастоподібних чорнил і носіїв за допомогою віскозиметра з падаючим стержнем.

Швейцарське федеральне відомство з безпеки харчових продуктів і ветеринарії (FSVO), розпорядження FDHA - SR 817.023.21 про матеріали та предмети, призначені для контакту з харчовими продуктами (розділ 12 і додаток 10).

Європейська асоціація друкарських чорнил (EuPIA), Належна виробнича практика (GMP) для друкарських фарб, розроблених для матеріалів, що контактують з харчовими продуктами.

Nestlé, інструкція Nestlé щодо чорнил для упаковки (політика виключень і списки мінімізації).

Німецький федеральний інститут оцінки ризиків (BfR), Рекомендація IX : барвники для пластмас і споживчих товарів (обмеження міграції PAA).

Кіпфан, Х. (2001). Довідник з друкованих ЗМІ: Технології та методи виробництва , Springer-Verlag.

Монографії IARC щодо оцінки канцерогенних ризиків для людини, Том 65, Друкарські фарби та процеси.

Bassemir, R. (1995). The Physical Chemistry of Radiation Curable Offset Inks , Journal of Imaging Science and Technology.

Toyo Ink Group, технічна документація : рецептура акрилатних мономерів і гіперрозгалужених поліефірних акрилових смол в УФ-пастових чорнилах.