UV-metaalinkt

3.12.1 Metalen verpakkingen bedrukken

Metalen verpakkingsmaterialen, als een belangrijk verpakkingsmateriaal op het gebied van verpakkingen, hebben veel voordelen ten opzichte van andere verpakkingsmaterialen, zoals recyclebaarheid, goede bescherming van de inhoud, divers uiterlijk en vormen, en heldere kleuren. Ze hebben een groot ontwikkelingspotentieel en worden erkend door consumenten. Tegenwoordig heeft de groene milieubeschermingstrend zijn intrede gedaan in de verpakkings- en drukindustrie, en "groene verpakking" is een hot topic geworden in de drukindustrie en een van de ontwikkelingstrends in de procestechnologie van de drukindustrie. Het hoge energieverbruik en de grote uitstoot van uitlaatgassen tijdens het productieproces van de metaalverpakkingsdrukindustrie zijn belangrijke factoren geworden die de ontwikkeling en groei van metaalverpakkingsbedrijven beperken, en hebben ook obstakels opgeworpen voor de groene ontwikkeling van metaalverpakkingen.

De laatste jaren is het UV-drukproces steeds populairder geworden in de drukindustrie voor metalen verpakkingen vanwege de duidelijke voordelen op het gebied van energiebesparing en milieubescherming. In combinatie met de enorme kostenvoordelen is het een innovatieve manier van energiebesparing en milieubescherming geworden, die steeds meer in trek is bij metaalverpakkingsbedrijven.

3.12.1.1 Traditioneel blikdrukproces

Vertind blik wordt aan de binnen- en buitenkant gecoat en is dan klaar om in kleur te worden bedrukt. Voor het bedrukken van blik wordt meestal offsetdruk gebruikt. Vertind blik heeft een glad oppervlak en is niet absorberend, wat heel anders is dan papier. Daarom worden voor het drukken op blik warmtehardende inkten gebruikt, die op hoge temperatuur moeten drogen. Met andere woorden, het drukproces vereist het gebruik van een speciaal droogapparaat om de inkt te drogen. De droogtemperatuur is meestal ongeveer 150°C en de droogtijd wordt geregeld op 10 tot 12 minuten. Momenteel gebruikt de binnenlandse blikdrukindustrie meestal tunnelovens (hierna droogkamers genoemd) om de inkt te drogen. De droogkamer is ongeveer 30 meter lang en 6 meter hoog en is verbonden met de achterkant van de drukpers om de gedrukte producten te drogen. In het traditionele blikdrukproces maakt het niet uit hoeveel drukgangen nodig zijn om een product te voltooien, na elke drukgang moet het bedrukte vel door de droogoven om de inkt te drogen. Elk gedrukt product moet meerdere keren door de droogoven, wat niet alleen veel energie kost, maar ook veel VOC's uitstoot. Daarom zijn veel bedrijven gaan nadenken over andere methoden om de traditionele verwarmings- en uithardingsmethode te vervangen, en UV-uitharding springt eruit vanwege de voordelen: zeer efficiënt en energiebesparend.

3.12.1.2 UV vertind drukproces

De technologie om UV toe te passen in het drukproces bestaat uit het gebruik van UV-inkt die snel uithardt onder ultraviolet licht en uitstekende fysische en chemische eigenschappen en een hoge oppervlaktehelderheid heeft. Omdat de inkt in het UV-drukproces snel kan drogen onder ultraviolet licht, is na de invoering van de UV-technologie elke drukeenheid uitgerust met een UV-droogapparaat, dat verantwoordelijk is voor het snel drogen van elke kleur inkt. De tunneloven van de traditionele apparatuur is niet langer nodig. Vergeleken met het traditionele drukproces zijn de belangrijkste voordelen van het UV-drukproces: snelle uithardingssnelheid, korte uithardingstijd, geen oven nodig, wat niet alleen de productie-efficiëntie verbetert en energie bespaart, maar ook de VOC-uitstoot vermindert en goed is voor het milieu.

3.12.2 Bereiding van UV-metaalinkten

UV-metaalinkten zijn lichtuithardende inkten die rechtstreeks kunnen worden afgedrukt op het oppervlak van metalen materialen (inclusief metalen substraten met oppervlaktebehandelingen en metalen materialen met oppervlakteafwerkingen). Veel gebruikte metalen bij het drukken zijn koper, aluminium, ijzer, roestvrij staal en titaniumplaten met spiegelafwerking, evenals metalen met een oppervlaktebehandeling zoals geanodiseerde poreuze aluminiumplaten, ijzerfosfateringsplaten, gegalvaniseerde ijzeren platen, vernikkeld ijzer en verchroomd ijzer, en metalen met een oppervlakteafwerking zoals metalen platen bedekt met poederverf of gebakken email.

Verschillende metalen hebben verschillende oppervlakte-eigenschappen en het type UV-inkt dat wordt gebruikt moet ook verschillend zijn, anders kunnen er problemen ontstaan zoals slechte hechting en brosse scheuren van de inktlaag wanneer het metaal buigt.

UV-metaalinkten zijn onderverdeeld in de volgende types: algemene metalen UV-inkten, speciale metalen UV-inkten, elastische metalen UV-inkten, UV-metaalinkten die bestand zijn tegen hoge temperaturen, metalen UV-inkten met speciale decoratieve effecten, roestwerende UV-inkten voor het etsen van metaal en UV-metaalvernissen.

Elke UV-metallic inkt heeft een optimale volgorde van drukkleuren. De lichtuithardingssnelheid van UV-inkten van verschillende kleuren varieert, waarbij sommige langzaam uitharden en andere snel. Het is niet mogelijk om elke kleur eerst te printen, zoals je kunt met zelfdrogende solventinkten. Bij zeefdrukken met UV-metallic inkten, vooral bij het drukken in meerdere kleuren, wordt over het algemeen het principe gevolgd dat donkere kleuren eerst worden gedrukt en lichte kleuren als laatste.

UV-metallic inkten van verschillende kleuren hebben een optimale uithardingsvolgorde. De uithardingsvolgorde van UV-metallic inkten is:

goud, zilver → zwart → blauw → rood → geel → kleurloze transparante lak

Donkere inkten hebben meer UV-energie nodig, drogen langzamer en UV-licht dringt niet gemakkelijk door de inktlaag heen, waardoor de onderliggende laag moeilijker uithardt. Daarom moeten donkere inkten eerst worden geprint; lichte inkten harden gemakkelijk uit en hebben maar één blootstelling aan licht nodig. Als lichte inkten eerst worden gedrukt, wordt de lichtgekleurde inkt onvermijdelijk overgehard, wordt de inktlaag broos en is de hechting slecht, terwijl de donkere inktlaag niet voldoende wordt uitgehard, de oppervlaktehardheid laag is en de slijtvastheid en oplosmiddelbestendigheid slecht zijn. UV-metallic inkten kunnen onmiddellijk na het drukken worden uitgehard en de inktlaag wordt één keer uitgehard nadat elke kleur is gedrukt. Wanneer de tweede kleur inkt is uitgehard, is de eerste kleur inkt al twee keer blootgesteld aan licht. Als het een vierkleurenpatroon is, is de onderliggende inkt al vier keer blootgesteld aan licht en uitgehard wanneer de vierde kleur inkt is uitgehard.

Oppervlakken van vers metaal hebben een hoge vrije oppervlakte-energie (500 tot 5000 mN/m), die veel hoger is dan die van organische polymeermaterialen (<100 mN/m). Deze hoge vrije oppervlakte-energie is zeer gunstig voor de hechting van inkt. In feite zijn veel metalen gevoelig voor oxidatie in de lucht, waarbij een oxidelaag op het oppervlak wordt gevormd die de vrije oppervlakte-energie vermindert en de hechting van de inkt beïnvloedt. De vrije oppervlakte-energie van de meeste metaaloxidefilms is echter nog steeds hoger dan die van UV-inkten, dus UV-inkten hebben een goed bevochtigingseffect op metalen substraten. Een veel voorkomend probleem met UV-inkten op metalen substraten is echter dat de hechting van de inkt op het metaal niet goed is. Zonder toevoeging van een adhesiebevorderend additief is het moeilijk voor UV-inkten om een ideale hechting op metaal te bereiken. Dit kan komen doordat het oppervlak van het metalen substraat dicht is, waardoor UV-inkten moeilijk kunnen doordringen en absorberen. Het effectieve contactoppervlak is klein, in tegenstelling tot papier en hout, die ruwe oppervlakken met poriën hebben, en kunststoffen, die kunnen opzwellen door olie om een doorlaatbare verankeringsstructuur te vormen. Bovendien kan, omdat UV-inkten snel uitharden, de interne spanning veroorzaakt door volumekrimp niet worden losgelaten en werkt de reactie in op de hechting van de inktlaag aan het metalen substraat, waardoor de hechting vermindert. Metalen oppervlakken worden vaak gemakkelijk vervuild met vet, wat ook niet bevorderlijk is voor de hechting van coatings en de bescherming tegen metaalcorrosie.

Om een goede hechting, corrosiebescherming en een schoon oppervlak op metalen oppervlakken te krijgen, worden meestal reiniging, fysische behandeling en chemische behandeling uitgevoerd voordat er met inkt wordt afgedrukt. De eenvoudigste manier om schoon te maken is door het metalen oppervlak af te vegen met een katoenen doek gedrenkt in oplosmiddel, of door de metalen onderdelen direct in het oplosmiddel te dompelen om ze te wassen. Een effectievere methode is ontvetten met damp, waarbij de metalen onderdelen aan een transportband worden gehangen en over een kokend gehalogeneerd oplosmiddel in een tank worden getransporteerd, zodat het oplosmiddel condenseert op het oppervlak van de metalen onderdelen en het vet oplost, waardoor het doel van reinigen wordt bereikt. Fysieke behandeling, zoals zandstralen van het metaaloppervlak, verwijdert het aangetaste oppervlak en vormt een nieuw ruw oppervlak. Dit wordt voornamelijk gebruikt voor sommige ruwe industriële onderdelen, zoals bruggen, tanks, enz. Daarnaast worden ook vacuüm alumina stralen, staalgrit of in water oplosbare kleefstofreiniging, kunststof korrelstralen en soms hogedrukwaterstralen gebruikt voor oppervlaktereiniging. Bij chemische behandeling wordt meestal fosforzuur of fosfaat gebruikt om het metaaloppervlak voorzichtig te etsen met een zuur, waarbij een laag ijzer/ijzerhoudende fosfaatzouten van een bepaalde vorm wordt gevormd om de hechting van de coating te verbeteren, maar de corrosieweerstand wordt slechts licht verbeterd. Het behandelde metaaloppervlak moet grondig worden gereinigd om oplosbare zouten te verwijderen. Aluminiumoppervlakken zijn bedekt met een dunne, dichte laag aluminiumoxide, dus over het algemeen hoeft alleen het oppervlak te worden gereinigd.

Het kernprobleem bij UV-metaalinkten is ook het oplossen van de hechting tussen de inktlaag en het metaal. Oligomeren en reactieve verdunningsmiddelen in de inktformulering kunnen waterstofbruggen of chemische bindingen vormen met het metaaloppervlak, wat de hechting tussen de coating en het metaal sterk kan verbeteren. Over het algemeen hebben oligomeren en reactieve verdunningsmiddelen die carboxylgroepen en hydroxylgroepen bevatten, vooral degene die carboxylgroepen bevatten, een significanter effect op metalen substraten en hebben ze een significant effect op het verbeteren van de hechting (tabel 3-48). Tegelijkertijd helpt het gebruik van oligomeren en reactieve verdunningsmiddelen met lage volumekrimp ook om de hechting te verbeteren. Sommige reactieve verdunningsmiddelen hebben een bepaalde permeabiliteit voor metalen, wat ook helpt om de hechting te verbeteren (zie Tabel 3-49).

Tabel 3-48 Effect van carboxylhoudende monomeren op de hechting van UV-inkten aan metaal

Tabel 3-49: Reactieve verdunningsmiddelen die gemakkelijk doordringbaar zijn op metalen substraten

Adhesiepromotoren toevoegen is een belangrijk middel om de adhesie van UV-metaalinkten te verbeteren. Vaak gebruikt zijn harsen met carboxylgroepen, acrylaten met carboxylgroepen, acrylaatfosfaten, siloxaankoppelmiddelen, titanaatkoppelmiddelen, enz. Mercaptanen kunnen niet worden gebruikt omdat ze te stinken, maar ze hebben een sterk effect op gouden oppervlakken, die extreem inert zijn. Zie Tabel 3-50 voor metaalhechtingsbevorderaars die geschikt zijn voor UV-metaalinkten. Zure monomeren of harsen bevatten zure groepen die metaaloppervlakken licht kunnen aantasten en complexen vormen met metaalatomen of -ionen aan het oppervlak, waardoor de hechting tussen de inktlaag en het metaaloppervlak wordt versterkt. Over het algemeen is de hoeveelheid fosfaatester adhesiepromotors in de formule laag, niet hoger dan 1%. Siliconen-koppelingsmiddelen bevorderen de hechting aan metalen substraten omdat ze na hydrolyse kunnen condenseren met de oxiden of hydroxylgroepen op het metaaloppervlak om een chemische verbinding tussen de oppervlakken te vormen en de hechting te verbeteren. Geschikte siliconen-koppelingsmiddelen zijn onder andere KH550, KH560, KH570 en sommige UV-harsen met siliconenmodificatie. Titanaat-koppelingsstoffen worden gebruikt in UV-metaalinkten om de hechting op metalen substraten te verbeteren. Geschikte titanaatkoppelmiddelen zijn tetraisooctyltitanaat, tetraisopropyltitanaat en n-butyltitanaat.

Tabel 3-50 Hechtingsbevorderaars voor UV-metaalinkten

Vergeleken met radicale fotopolymerisatiesystemen hebben kationische fotopolymerisatie-inkten meer kans op een goede hechting op metaal. Kationische uitharding heeft een lage krimp en een groot aantal etherbindingen gevormd na polymerisatie die kunnen inwerken op het metaaloppervlak, wat allemaal de hechting kan verbeteren. Het supersterke protonzuur dat wordt geproduceerd door de fotolyse van kationische fotoinitiatoren initieert echter niet alleen kationische polymerisatie en verknoping, maar tast ook het metalen substraat aan, wat duidelijk schadelijk is voor de hechting van coatings en niet helpt om de hechting te verbeteren. Alleen door de concentratie van de kationische fotoinitiator te verlagen kan de hechting worden verbeterd. Bovendien hebben de veelgebruikte kationische fotoinitiatoren, zoals thioureumzouten of jodidezouten, een ultravioletabsorptie <300 nm, wat niet compatibel is met UV-lichtbronnen. Hun fotoinitiatie-efficiëntie is extreem laag. Er moet een kleine hoeveelheid van een vrije radicale fotoinitiator zoals ITX worden toegevoegd, die lichtenergie kan absorberen in het langegolfgebied van het violette spectrum en energie kan overdragen aan het thioureumzout, waardoor de fotoinitiator indirect wordt geprikkeld en de fotoinitiatie-efficiëntie wordt verbeterd.

Omdat het bindmiddel van UV-drukinkten bestaat uit onverzadigde acrylmonomeren of prepolymeren, heeft het andere oplosbaarheideigenschappen dan het bindmiddel van traditionele warmteuithardende inkten (voornamelijk alkyds). Onverzadigde acrylmonomeren zijn zeer agressief, waardoor het synthetische rubber in de rollen en matten uitzet en de lichtgevoelige laag op het oppervlak van de PS-drukplaat beschadigt, waardoor het beeld loslaat. Daarom is het bij het drukken met UV-drukinkten noodzakelijk om rollen, dekens en waswater te gebruiken die speciaal ontworpen zijn voor UV-drukinkten. De PS-plaat moet op hoge temperatuur gebakken worden om de corrosieweerstand van de beeldlaag te verbeteren.

3.12.3 UV-metaal etsinkt

Metalen etsen is een technisch middel waarbij een chemische behandeling (chemisch etsen, chemisch schuren) of mechanische behandeling (mechanisch zandstralen, reliëfdruk, enz.) wordt gebruikt om een glanzend metalen oppervlak te bewerken tot een concaaf en convex ruw kristaloppervlak. Lichtverstrooiing zorgt voor een speciaal visueel effect, waardoor het product een unieke artistieke stijl krijgt. Als precieze en wetenschappelijke chemische verwerkingstechnologie wordt chemisch etsen veel gebruikt op verschillende metalen materialen. De sleutel tot het etsen van metalen materialen is tweeledig: bescherm het deel dat geëtst moet worden en etst het deel dat niet geëtst moet worden volledig weg om het gewenste beeld te verkrijgen.

Het wordt geclassificeerd volgens het type chemische reactie tijdens het etsen:

① Chemisch etsen. Proces: vooretsen → etsen → spoelen → zuur onderdompelen → spoelen → weerstand strippen → spoelen → drogen.

Elektrolytisch etsen. Proces: laden → stroom aan → etsen → spoelen → zuur onderdompelen → spoelen → weerstand strippen → spoelen → drogen.

Chemisch etsen kan als volgt worden ingedeeld op basis van het type materiaal dat moet worden geëtst:

Koper etsen. Het proces: reinig het oppervlak van de gepolijste of geborstelde koperen plaat → zeefdruk UV-bestendige resistente inkt → UV uitharding → etsen → spoelen → verwijder zeefdruk resistente inktlaag → spoelen → nabehandeling → drogen → eindproduct.

In dit proces wordt UV-bestendige inkt gebruikt om de afbeelding direct af te drukken, zodat het gewenste onderdeel wordt beschermd tegen corrosie. Het onbedrukte deel wordt weg geëtst tijdens het etsen. Daarom moet de gebruikte UV-bestendige inkt sterk hechten aan het metaal, bestand zijn tegen zuren (of alkali) en galvaniseren.

② Roestvrij staal etsen. Proces: reinigen van het oppervlak van de plaat → zeefdrukken van vloeibare lichtgevoelige inkt → drogen → belichten met een film → ontwikkelen → wassen → drogen → inspecteren en repareren van de plaat → uitharden van de film → etsen → verwijderen van de beschermlaag → wassen → nabehandeling → drogen → eindproduct.

Dit proces bestaat uit het coaten van de plaat met fotopolymeerbare resistieve inkt, het blootstellen aan licht, het ontwikkelen om een resistief patroon te vormen en vervolgens het etsen.

Spuiten, borstelen, rollen of dompelen kunnen worden gebruikt om een gelijkmatige laag fotolithografische resistente inkt op het metaaloppervlak aan te brengen om een fotogevoelige film te vormen. Voor vlakke oppervlakken van klein formaat is zeefdrukken echter de handigste en betrouwbaarste methode. Fotolithografische resistente inkten moeten ook sterk aan het metaal hechten, bestand zijn tegen zuren (of alkali) en bestand zijn tegen galvaniseren.

Voor de bereiding van UV-bestendige en fotoafdrukbare harsen, zie hoofdstuk 4 over PCB-inkten.