徐崇桓 / 工研院材化所
節能減碳已是印刷產業刻不容緩的目標，部分高汙染的溶劑型油墨漸被環保型UV噴印油墨給取代。織物用高撓曲油墨以往亦多是以溶劑型油墨為大宗，面對轉換卻因噴印油墨的黏度限制，使其無法具備高撓曲的特性。近年來，UV樹脂不斷推陳出新，如新型高柔韌性低黏度超支化壓克力樹脂的開發，促使UV噴印油墨的性能提升，足以滿足高撓曲性的規格需求。本文介紹印刷油墨減碳的環保趨勢及柔性UV噴印油墨配方中的常用材料，以作為提供研製新UV油墨的參考應用。
【內文精選】
光硬化油墨技術發展
1. 光硬化技術背景介紹
光硬化油墨是一種藉由紫外光(UV)曝光後而硬化成膜的技術，大約於1960年代左右世界大廠陸續推出新穎光硬化材料後，逐漸發展應用於油墨產業。其與傳統熱溶劑型油墨最大的不同是無需風乾或加熱蒸發溶劑，僅需短短幾秒曝光後，即能迅速硬化成膜。UV油墨曝光硬化的燈源，現今多使用UV LED，其具有省電、高效能等優點。當油墨於紫外線下曝光後，油墨中的光起始劑接收能量後斷鍵裂解，釋放自由基後啟動聚合反應，迅速地將液態油墨轉變為固態墨膜，如圖三所示。
圖三、油墨硬化成墨膜
3. 光硬化技術的燈源介紹
光硬化技術所使用的紫外線光源，一般大多使用汞燈、無極燈與發光二極體(LED)等。
發光二極體(LED)是一種半導體光源，能直接將電能轉化為光能，其內電子與電子空穴復合(Recombination)，以光子形式釋放能量。LED是由p型半導體與n型半導體之間形成p-n結，當p-n結通順向電流時，兩者復合而釋放出能量，放出的發射波長取決於不同材料的摻雜，可得到不同波長的光。早期的LED僅有單色光，近年來，半導體材料發展迅速，能產生短波長的氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、銦鎵氮化物(InGaN)、鋁鎵氮化物(AlGaN)、鋁銦鎵氮化物(AlInGaN)及其他陸續開發出的新材料，所製成的LED UV波長包括405 nm、395 nm、385 nm、365 nm與280 nm等。LED UV具有其他燈源沒有的優勢，如體積小、重量輕、壽命長、效率高、低耗能與不會產生臭氧等；但其發射光譜窄，大多集中於UVA區段，無UVB與UVC波長輸出，使LED UV不能克服油墨塗層表面的氧阻聚作用，致使LED UV硬化油墨的配方需要特別調整來突破硬體限制。然而半導體材料依照一般的規律而言，約每三年成本會下降一倍，且半導體材料不斷推陳出新，使能產生UVB波長的LED UV設備成本大幅降低。
織物用高撓曲UV噴印油墨的組成
2. 樹脂
UV油墨成膜後的物性表現主要是由UV樹脂而定，如油墨的黏度、軟硬性、密著性與反應性等。新型樹脂的發展趨勢，主要會朝低黏度、高反應性、高密著性、低收縮性與高韌性等複合高功能樹脂之方向開發，當有複合型高功能UV樹脂推出時，定會替UV油墨的應用帶來大革新。
軟性UV油墨常選用的UV樹脂會參考樹脂體系、官能基數、Tg與黏度等，並搭配配方設計。常選用的UV樹脂體系有聚氨酯壓克力樹脂(PUA)、聚醚壓克力樹脂與近年來發展迅速的超支化樹脂等。
聚氨酯壓克力樹脂(PUA)能產生多種氫鍵，使油墨交聯成膜後，具有多種良好的性能。其中由脂肪族和脂環族異氰酸酯合成的PUA樹脂，主鏈帶有飽和烷烴，油墨硬化成膜後的柔韌性佳，適合應用於柔韌性油墨中；但因其黏度仍較高，能導入噴印油墨的量少，使其性能無法於噴印油墨中充分表現出來。
柔性超支化壓克力樹脂的研究發展與油墨應用
若要開發織物用高撓曲UV噴印油墨，僅以市售樹脂來進行配方研製是十分困難的，一般墨膜要有良好附著性且能通過耐撓曲試驗(SATRA TM55) > 10萬次，是頗具矛盾性的。因一般UV油墨的墨膜要保有高耐撓曲性時，油墨硬化程度不會很高；然而，硬化程度不足時，會導致墨膜對於織物基材的附著性降低，故若要克服此困境，勢必要有樹脂能兼具反應交聯性與柔韌性。
因此，工研院材化所數位印刷材料研究室（以下稱本研究室）近年來積極投入低黏度高柔韌性的壓克力樹脂開發，經數年研究，成功合成出一系列的新型超支化壓克力樹脂(MCL-SD16A, MCL-BP5CA8)，不僅具低黏度、軟韌與高耐撓/彎曲性，且樹脂的官能基種類與數目可依照墨膜所需特性來調整合成結構。該新型超支化壓克力樹脂及其油墨配方應用已獲證國內外專利，樹脂相關特性與結構示意圖如圖十一所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一、MCL新型樹脂性能與結構示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》436期，更多資料請見下方附檔。