UV a EB zářením vytvrzované tiskové barvy

1. UV a EB zářením vytvrzované tiskové barvy Licenční studium 2006/2007

2. Podíl UV a EB barev na evropském trhu

3. Spotřeba energie na vytvrzení vytvrzení barev = vytvoření polymerní sítě, v níž jsou zabudovány pigmentové částice

4. infračervené a mikrovlnné záření (tepelné) vln. délka 105 –107 nm ultrafialové záření (UV) vln. délka 200 – 400 nm elektronový svazek (EB) vln. délka 10-3–10-2 nm EEB ~ 10 7 až 1010Emikrovlny Pro vytvrzování barev, laků nebo lepidel se využívá vlnová délka , frekvence , energie záření E= h = c T= c/ 1 nm= 10-9 m= 10Ăngström

5. Spektrum elektromagnetického záření

6. UV záření – aktinické záření UV CUV BUV A 100 nm 280 nm 315 nm 400 nm

7. Postup vytvrzování UV zářením polymerace prostorová síť h + fotoiniciátor absorbuje foton UV záření rozpad fotoiniciátoru na radikály, které reagují s monomery přejde do excitovaného stavu

8. Vytvrzování UV zářením Absorpce fotonů UV zářenífotoiniciátorem Fotochemická reakce fotoiniciátoru radikály nebo kationty radikálová nebo kationtová polymerace polymerní síť

9. Kapalné pojivo: monomery, prepolymery a fotoiniciátory monomery prepolymery fotoiniciátory Fotoiniciátory se po absorpci UV záření rozpadnou na radikály radikály Radikály reakcí s monomery a polymery vyvolají vytvoření nekonečné síťové struktury

11. oligomery pryskyřic reaktivní monomery nereaktivní monomery fotoiniciátory pigmenty aditiva oligomery pryskyřic reaktivní monomery nereaktivní monomery pigmenty aditiva Složení UV a EB barev

12. Podmínky úspěšného vytvrzení UV barev a laků • optimální složení barvy (koncentrace fotoiniciátorů, monomerů, viskozita…) • optimální zdroj UV záření (emisní spektrum, intenzita záření s ohledem na absorpční spektrum fotoiniciátoru, tloušťku barvové vrstvy, typ pigmentu…) • potlačení konkurenčních procesů (zhášení kyslíkem, koncentrační zhášení)

13. Zdroje záření • tepelné zdroje • Hg, Xe, deuteriové výbojky, halogenové výbojky • lasery • excimerové zdroje záření

14. Zdroje UV záření

15. Tepelné zdroje záření Záření absolutně černého tělesa Planckův vyzařovací zákon [] = nm, [ T ] = K c1= 3,7 415 . 10-16 Jm2s-1, c2= 1,4 388.10-12 K.m Wienův posunovací zákon max T = konst= 2,898.10-3 K.m čím vyšší teplota, tím blíže je záření viditelnému spektru křemenné halogenové lampy – jen malá část v UV oblasti barevná teplota: žárovka  3 000 K, halogenová lampa  3 300 K slunce 6 500 K

17. Hg výbojky • nízkotlaké • střednětlaké • vysokotlaké Obecné vlastnosti: • jen 22 % energie v UV oblasti, zbytek teplo a viditelné záření • povrchová teplota lampy asi 900 °C, nutné chlazení • trubice s délkou od 60 do 250 cm, výkon 0,1 kW až 25 kW • životnost asi 1000 hodin • reflektory (eliptické, parabolické, sklopné, dichroické)

18. Spektrum střednětlaké Hg výbojky

19. Střednětlaké Hg výbojky • povrchová teplota lampy asi 900 °C • jen 22 % energie využitelné, zbývající je teplo nutnost chlazení lamp, reflektoru i substrátu • vznik ozónu  nutnost ventilace • životnost asi 1 000 hod • klesající užitečný výkon

20. Halogenové výbojky Hg Hg,Ga Hg, Fe

21. Reflektory eliptické, parabolické

22. Hliníkový překlápěcí reflektor IR záření Odražené UV záření Přímo dopadající UV záření Dichroitický reflektor

23. Fotoiniciátorya fotochemické procesy

24. Fotochemické zákony • Grotthus-Draper (1817, 1843) • Stark-Einstein - zákon fotochemické ekvivalence (1912) • Bunsen-Roscoe, zákon reciprocity (1862)

25. intenzita záření  Grotthus-Draperův zákon Fotochemickou reakci může vyvolat jen takové záření, které látka absorbuje emisní spektrumzdroje záření se musí překrývat s absorpčním spektrem absorbující látky intenzita záření akční spektra – závislost účinnosti fotochemické reakce na vlnové délce zdroje záření 

26. Zákon fotochemické ekvivalence (Stark- Einstein) Každý foton způsobí fotochemickou změnu (reakci) jen jedné molekuly (atomu), tj. počet aktivovaných molekul je nejvýše roven počtu absorbovaných fotonů kvantový výtěžek reakce (účinnost záření) nemůže být větší než 1, tj.   1

27. Zákon reciprocity (Bunsen – Roscoe) Množství reakčních produktů je úměrné součinu intenzity světla I a doby ozáření t ~I t • Odchylky: • Schwartzschildův jev - účinek ~I tp , • konkurenční nefotochemické procesy • reakční produkt absorbuje v téže spektrální oblasti („vnitřní filtr“)

28. Odchylky od zákona reciprocity • Schwartzschildův jev - účinek ~I tp při velmi nízkých intenzitách světla jsou třeba expoziční doby větší než by odpovídalo B-R zákonu • konkurenční nefotochemické procesy • inhibice kyslíkem • anihilace radikálů • malá pohyblivost monomerů • stínění pigmenty, které absorbují záření • reakční produkt absorbuje v téže spektrální oblasti („vnitřní filtr“)

29. Měření intenzity záření • radiometrické jednotky energie 6.1023 fotonů = 1 einstein 1 einstein = 1,196.108 / []= nm = 365 nm...... 1 einstein = 3,27 .105 J = 650 nm...... 1 einstein = 1,84.105 J • svítivost 1 kandela: svítivost 1/600 000 m2povrchu absolutně černého tělesa ve směru kolmém k tomuto povrchu při teplotě tuhnutí platiny 1 769 °C a tlaku 1,01325.105 N/m2

30. Měření intenzity záření • světelný tok  účinek části energie, kterou světelný zdroj vyzáří za 1 s do určitého prostorového úhlu na normální oko 1 lumen:světelný tok ze zdroje o svítivosti 1 kandely do prostorového úhlu 1 steradiánu • intenzita osvětlení podíl světelného toku, dopadajícího na určitou plochu 1 lux: osvětlení plochy, na jejíž každý m2 dopadá rovnoměrně rozložený světelný tok 1 lumenu

31. Výhody UV vytvrzování • krátká doba vytvrzení barvy (0,1-1 s) • nízké koncentrace VOC • vyšší dosažitelné tloušťky barvové/lakové vrstvy • vysoká produkční rychlost • malý provozní prostor pro sušení tisku

32. EB barvy

33. Vytvrzování elektronovými paprsky (EB) Absorpce záření monomery a oligomery Fotochemické reakce  radikály nebo kationty radikálová nebo kationtová polymerace polymerní síť

34. epoxy akryláty = tvrdost vrstvy, rychlost vytvrzení polyuretanové akryláty = pružnost, odolnost vůči oděru polyester akryláty = smáčení pigmentů polyether akryláty = pružnost, nízká cena oligomery pryskyřic 25–35 % monomery 35–55 % pigmenty 12–20 % aditiva 0,1–2 % (vosky, silikon, stabilizátory, odpěňovače, smáčedla) Složení EB barev

35. Vytvrzování barev iniciované proudem urychlených elektronů • zařízení na tomto principu využíváno už více než 30 let v některých průmyslových odvětvích • pro polygrafický průmysl po roce 1970 zdroje s urychlujícím napětím 150 až 300 kV: • EB zařízení velká a drahá • hloubka penetrace větší než je potřeba pro vytvrzení tenké barvové vrstvy na povrchu tisku  destrukce potiskovaného substrátu • v letech 1970-2000 intenzivní výzkum se zaměřením na aplikaci EB vytvrzování v polygrafickém průmyslu. Centrum výzkumu: severoamerická firma Energy Sciences Incorporation (ESI)

36. Situace v roce 2004 • dramatický pokles ceny EB zdroje z asi 1 mil. $ na 285 000 $ • snížení urychlujícího napětí a tím i podstatné zmenšení celého zařízení • růst obratu EB barev – 13 % z celkového objemu energeticky vytvrzovaných barev V roce 1999 vyvinula ESI zařízení EZCure pro urychlovací napětí 80 až 110 kV

37. Relativní dávka energie EB pronikající do různé hloubky závisle na urychlujícím napětí

38. Jsou UV/EB materiály nebezpečné pro člověka? • mají velmi vysoký bod vznícení • uvolňují jen málo nebo žádné VOC • většinou nejsou mutagenní • nejsou karcinogenní • nepatří k nebezpečným odpadům NE !

39. Je provoz zařízení pro UV/EB vytvrzování nákladný? spotřeba energie tepelné sušiče spotřebují 2x více energie za rok než UV zdroje atmosféra vytvrzování EB paprsky musí probíhat v inertní atmosféře (N2, bez O2)

40. Zařízení pro EB vytvrzování • zdroj elektronů (elektronové dělo) • elektrooptická část, která tvaruje svazek • mechanické části • kontrolní počítač 4 hlavní součásti:

41. skenovací paprsek je fokusován a na ploše rozmítán tak, že exponuje pouze velmi malou plochu s rozšířeným svazkem exponuje najednou větší plochu xy dávka = It /xy (sprcha, záclona) Systémy pro EB vytvrzování

42. elektrooptické čočky katoda, elektronové dělo vychylovací systém, skener vysokonapěťový kabel inertní atmosféra, N2 okénko potiskovanýmateriál vysoké vakuum

43. Elektronové dělo • záporně nabitá elektroda (katoda) s přímým nebo nepřímým žhavením vlákna nebo plné plochy • materiál katody: wolfram, wolfram s příměsí hexaboridu thoria nebo lanthanu • maximální intenzita proudu elektronů vláknové katody v prostorovém úhlu 1 steradiánu je 1.105 až 3.105 A/cm2 • wolframový monokrystal jako katoda – až 109 A/cm2sr • elektrony jsou emitovány katodou zahřátou na asi 2 400 K ve vysokém vakuu. Termoemisí se kolem katody vytvoří oblak elektronů. Rozdíl napětí mezi urychlující mřížkou a katodou způsobí, že elektrony opouští katodu a jsou urychleny tímto napětím

44. Elektrooptický systém • elektrooptické čočky k definici a úpravě svazku elektronů + modulující paprsek + clony + vychylující destičky (skener) • modulace paprsku asi 100 MHz • urychlení elektronů: • elektrostatickým polem eU = ½ mv2, U – urychlující napětí • elektromagnetickým polem

45. Vlnová délka záření odpovídající urychlenému proudu elektronů je • při urychlujícím napětí 80 kV je tedy vlnová délka •   0,14 nm • při urychlujícím napětí 80 kV je energie tohoto fotonu 100 000krát vyšší než energie fotonu záření s vlnovou délkou 435 nm

46. Procesní zóna • urychlené elektrony prochází okénkem z kovové fólie doprocesní zóny, tj. z prostoru s vysokým vakuem do pracovního prostoru s inertní atmosférou • okénko: kovová fólie tloušťky 15 až 20 mikrometrů napnutá v rámu měděného tělesa okénka, chlazeného vodou • materiál okénka musí odolávat značnému tepelnému i mechanickému namáhání • problém: při urychlujícím napětí <150 kV vyšší ohřev  tepelná a mechanická destrukce okénka

47. Technické problémy EB zdrojů pro polygrafické aplikace(požadavek nižšího urychlovacího napětí než 150 kV) • nutnost snížení tloušťky kovové fólie ve výstupním okénku • zmenšení mezery v procesní zóně • zlepšení optiky paprsku tak, aby energie byla rovnoměrně rozložena i v příčném směru • zlepšení odvodu tepla z fólie modifikací tělesa okénka O.K. 10 m titanová fólie O.K. O.K. O.K. EZCure:110 kV, dokonale vytvrzeny vrstvy až do 30 g/m2 při rychlosti 330 m/min

48. Schéma uspořádání zdroje urychlených elektronů EZ Cure f. ESI

49. Přednosti EB technologie • zaručeno 100% vytvrzení bez reziduálních a nevytvrzených monomerů (ekologická přijatelnost) • EB vytvrdí i silnější vrstvu  u vícebarevného tisku vytvrzování až na konci linky • EB barvy neobsahují fotoiniciátory  levnější, bez zápachu • výstupní výkon se němění, tj. „neomezená“ životnost • nižší spotřeba energie • vysoká rychlost vytvrzení bez „dosušování“ rychlost až 600 m/min • pigment neovlivňuje účinnost vytvrzování • EB zářením vytvrzená vrstva jeví dobrou adhezi k substrátu • minimální ohřev potiskovaného materiálu („za studena“) • nižší náklady na údržbu

50. Děkuji za vaši pozornost