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aNIR-最先進的近紅外光塗料乾燥科技



重點摘要


根據 Persistence Market Research 預估,全球表面塗料市場規模約 2兆美元。塗料乾燥的限制很大程度影響了其應用,乾燥速度是製程中的限制因素。一種新的乾燥快速解決方案 – aNIR 超快速近紅外光乾燥技術,用於處理對溫度敏感的基材乾燥,可大幅度縮短乾燥時間,且設備相當輕巧,可省去乾燥時多餘的預熱時間。


圖一:先進 aNIR 近紅外光技術 - adphos


 


簡介

當今塗料應用領域非常廣泛。除此之外,塗層的化學特性、反應以及功能皆存在差異;

一般而言,塗層類別區分為:


● 塗料稠度

1、液體:水或溶劑。

2、固體:蠟或粉末塗料;或相關的裝置,如: 滾軸、狹縫、噴霧或注塑(濕式)、

預熱的注塑、噴霧(蠟)、噴塗應用


● 塗層厚度

1、薄膜厚(10 µm

2、中等塗膜厚(100 µm)

3、厚塗膜(100 µm 甚至到 500 µm)

4、固含量達 10% 至 60%


● 所需要的塗層前/後製程

1、一般物理性處理,如透過熱(IR、熱空氣、熱板/熱鼓)或電磁能(高頻、微波、

aNIR)或真空乾燥法進行汽化去除水或溶劑

2、在熔化熱塑性粉末前,先進行加熱,以對蠟基塗料進行預熱

3、透過額外的化學過程,如:活化、交聯、聚合、燒結、固化…等處理,如:使用

IR、熱空氣、熱鼓/熱板、感應、aNIR或電磁/輻射方式,如: UV、電子束、aNIR


● 塗層相關應用

1、印刷前或印刷後處理,如:primer 底塗、OPV

2、用於印刷或非印刷之功能性塗料,像是結構性塗料,如:Expancell、防滑、

阻擋層,導電/絕緣膠、接著劑、保護漆、透氣漆…等


此外,亦須評估塗層應用的基材特性,如:

● 多孔或吸收性基材(尤其是纖維素基材)

● 非吸收性或預塗材料

● 對溫度敏感的基材,特別是非吸收性的基材


藉由上列所提供的分類評估彼此相互影響因素來客製,標準型設備並不一定適合於所有

應用場域。


 


現今的印刷乾燥方案及其限制


現今大多數的應用多使用 " 瓦斯加熱 " 或者 " 加熱驅使空氣對流 " 的方式來進行塗層乾燥。這兩種乾燥的尺寸和大小取決於所需要的乾燥能力、速度以及乾燥過程的塗佈製程參數,適合一般乾燥以及額外的塗層熱處理。為了提高生產速度並減少乾燥設備佔地空間,氣體驅動的熱烘箱對流系統會整合紅外光燈管來輔助加熱。對於生產速度較慢或較薄的基材,可使用滾筒或熱板來加熱。即使有幾種主要的電熱乾燥方式可選擇,到了 2020年,與電費相形之下,天然氣(每 kWh)價格便宜的顯著優勢促使化石燃料乾燥仍占據主要地位。除此之外,在熱敏感性基材上的應用,如:熱感應紙、紡織纖維、塑料薄膜…等。以及在光滑厚膜上的應用,如: 粘合劑、導電圖案、鋰電極塗層…等,因熱風乾燥所造成的 " 起泡 " 或 " 開裂 ",乾燥速率的限制對上述應用造成很大的影響。當今多使用 " 低溫蒸發溶劑塗料 " 或 " UV 固化塗料 " 來解決熱敏感基材乾燥的限制。然而乾燥時需要非常強的乾燥能力,以及極大設備空間,導致二氧化碳(CO2)大量排放。隨著社會、政治與經濟發展要求,未來將持續發展具生態平衡和環境保護的乾燥技術。根據零碳排放與無毒環境行動計劃,在不久的將來,歐盟綠色交易委員會正在推動改變塗佈製程的技術。採用化石燃燒 / CO2燃料之烤箱,必須改用水性塗料代替溶劑型塗料或 UV 塗料;未來也可預見替代性基材以及在環保基材上的特殊塗料開發。


 


如何克服乾燥限制並進一步突破重圍


什麼是 advanced NIR(aNIR)乾燥,以及什麼讓其(aNIR)與眾不同?由 Adphos

開發並獲得許多專利的先進 aNIR 技術包括:

● 特殊光波長(主要是 820 nm 近紅外光譜)

● 聚焦式高能量,光子能

● 可高速加熱空氣,使熱空氣對流以及的快速溶劑或水移除

● 可隨時控制之乾燥功率


針對不同的製程與生產線有不同的 aNIR 配置。取決於塗層的厚度以及需幾秒內完成乾燥(< 0.1秒),完全去除水或溶劑,且溫度維持在 40至 45 ˚C下,故可用在熱敏感性基材之塗佈乾燥。即使 aNIR 相較於熱風烘箱或IR紅外線爐已將乾燥時間大幅縮短 5至 10倍,藉由調整適合的 aNIR 乾燥參數,來避免厚膜乾燥產生烘箱或IR紅外線系統中常見的 " 表皮效應 "。由於 aNIR 乾燥機可調整功率且非常小巧,可用於加速預乾步驟進一步提高生產線效率,從而取代溶劑型的塗料,實現水性塗料乾燥。作為一種電能乾燥系統, aNIR 設備不排放任何二氧化碳。借由再生電力供應,可實現整體零碳排的製程。


 


顛覆傳統塗層乾燥之範例


薄膜厚之 primer 底塗


在寬度 2800 mm和速度 300m/min下,使用 aNIR 配置乾燥總長為 1200 mm的水性primer 底塗塗料;濕重 5 gsm,乾重 1.5 gsm;最大 250 gsm。(見圖二),乾燥後的基材表面溫度介於 45°C至 60°C之間。由於溫度低且乾燥時間短,因此不需要額外冷卻裝置。既有的系統在乾燥機外部有熱/空氣屏蔽裝置,aNIR 之設計可阻絕熱逸散到外部,將光源限定在塗層上。如此一來,可實現緊密定位(<< 100 mm)和極短的乾燥過程(<0.24s),避免溶劑滲透至多孔基材內。因此,對於表面保護層,可使用較薄的濕塗層厚度來得到不起皺的平坦塗層。反觀傳統 IR 的乾燥長度需要約 3000 mm,而熱對流乾燥甚至需要 5000 mm。且紙材表面溫度容易上升至 80˚C-100˚C,且乾燥後紙張起伏強烈。亦可乾燥塑料薄膜(其厚度小於10 µm之PE、PP)上的溶劑塗層(濕膜 6.5 gsm,乾膜 2 gsm)或完全乾燥幅寬為 1000 mm,速度為 180 m/min,可控制溫度低於 80˚C,aNIR 佔地只要 1000 mm,且具有 ISO 1539

防爆設計。現今,熱對流烘箱是一種替代品,由於基材承受最高溫度之限制,烘箱的最大速度只有 120m/min,長度>16m,且必須限制低基材捲動張力,避免加工後的基材造成損壞。


圖二:幅寬為 2800 mm,速度為 300 m/min的

nNIR 水性底漆配置(濕重 5 g/m²,乾重 1.5 g/m²)

可應用於不同重量的紙材(最高 250 g/m²)

全長 1200mm,可在單側或雙側進行塗層


 


塗佈上漆應用


在今日的塗佈上漆生產線中,主要速度為 300 m/min,幅寬 2759 mm,主要是透明水性丙烯酸與 IC 底漆。使用石化燃料乾燥最小需要 20m至 25m,以確保乾燥 245 g/s的水。濕式底漆塗佈量為 35 g/m2,其固含量為 50%,因大量水滲到紙材內造成紙幅變長以及起皺,

需要特殊乾燥曲線以及紙幅控制。如圖三所示,若採用 aNIR 方案,佔地面積僅為 7米。由於長度大幅縮短,因此可實現柔版印刷和凹版印刷中通見的倒V型設計。將近紅外光乾燥設置在塗層入口,以增加塗層與基材附著,可避免近紅外乾燥引起紙張纖維乾燥後所產生的波浪紋。


圖三:aNIR 的乾燥方案總長度僅為 7米


 


結構塗層


除了乾燥液體外,某些功能性塗層還需要額外的熱誘導製程,例如 Expancell 塗層或抗滑塗層。對於在塑料薄膜上的 Expancell 應用,須了解其最大承受幅面溫度。但可允許的溫度越低,3D結構的 expancell 越低。借助 aNIR,可實現極短的塗佈後處理。在 PP 基材表面溫度低於 65˚C下實現 Expancell 塗層的結構乾燥。相較之下,傳統熱風乾燥僅能用一半的速度運行,乾燥過程增加 5倍。對於抗滑塗層,可採用 IR 紅外線加熱以 125°C來進行熱活化。而使用 aNIR 來進行抗滑塗層之乾燥時,大於 85°C的基板溫度下也可實現相當的抗滑效果。這是因為塗層在<0.1秒時間內受到近紅外光活化,塗層受到快速乾燥,反觀基材則尚未受光產生溫度差。以上範例顯示,須結合所預期的生產過程來確定塗層參數。


 


厚膜粘合劑塗層


現有用於彩色黏貼紙與 PP,PET(最大 400g/m2水性丙烯酸膠)薄膜的粘合劑塗層最大速度限制為 20 m/min,由 48m長的IR紅外線 /熱對流烘箱組合而成,確保無氣泡、無過熱的表面,最終使膠捲複捲。可取代約 3m的 IR 預熱,並將 aNIR 生產線出口紙幅表面控制在<100˚C,並達到完全乾燥,甚至可提高 50%的生產量(aNIR 升級後的生產速度> 30m/ min)。升級後的乾燥總功率不變,只是生產速度提升為 30 m/min。圖四示意了升級後的

生產線。若完全使用 aNIR 進行乾燥,可實現總長 6 米。而對於大尺寸生產,可以圖三的配置實現。


圖四:一條改善的粘合劑塗層生產線

完全使用 aNIR 技術,最大長度為 6米


 


結論


對眾多塗料乾燥的可能應用而言,印刷後乾燥會影響生產效率並造成生產限制。使用最先進的近紅外(aNIR)乾燥解決方案可以達到:

● 非常緊密的多層塗層

● 支援乾燥送動態控制

● 零二氧化碳排放量

● 容易於現有生產線升級,從而使製程可以從 UV 或溶劑型塗料改為水性塗料

● 可在溫度敏感的基材進行水性塗料乾燥


圖五:化石燃燒 / CO2燃料之烤箱,則必須

改用水性塗料代替溶劑型塗料或 UV

塗料;未來也可預見用於替代性基材

以及環保基材上的特殊塗料開發


 

※ 本文翻譯自德國期刊 Flexo+Tief-Druck Issue 1/2021

作者:Kai K. O. Bär 博士 (adphosNIR)

由「瀚笙科技股份有限公司」提供予「台灣柔版印刷協會」網站使用

瀚笙科技在新竹所建立的 adphosNIR 實驗室可進行一系列製程驗證

和生產線設備尺寸評估,並展示生產測試之特殊乾燥配置





















※ aNIR 為 adphos 的註冊商標且擁有超過 200項受保護或申請中的專利技術

adphos 提供了幾種模組化 aNIR 乾燥解決方案,針對客戶提供應用優化與 OEM 的配置




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