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
