ترکیب جوهرهای قابل پخت با اشعه ماوراء بنفش (UV)، عمدتاً شامل پیش‌پلیمرها (اليگومر ها)، مونومرهای واکنشي، آغازگرهای نوري، رنگدانه‌های آلی(Organic pigments) و مواد افزودنی می‌شود. آغازگرها در این جوهرها ترکیباتی هستند که نسبت به نور حساس می‌باشند و پس از جذب انرژی نوری (معمولاً در محدوده ماوراء بنفش)، رادیکال‌های آزاد تولید می‌کنند. این رادیکال‌ها سپس انرژی خود را به مونومرها یا پیش‌پلیمرهای حساس به نور منتقل می‌کنند و واکنش زنجیره‌ای پلیمریزاسیون را آغاز می‌کنند. این فرآیند منجر به پخت سریع جوهر تحت تابش UV و تشکیل لایه خشک و پایدار می‌گردد.
رنگدانه‌ها (pigments) هرکدام بخش خاصی از نور را جذب یا بازتاب می‌کنند و به همین دلیل، میزان عبور نور UV از میان آنها متفاوت است. این تفاوت‌ها مستقیماً روی کیفیت و سرعت عمل‌آوری (پخت) با اشعه UV تأثیر می‌گذارد. هر رنگدانه یک «پنجره طیفی» دارد؛ یعنی ناحیه‌ای از طول‌موج که در آن جذب کمتری دارد و اجازه می‌دهد نور عبور کند. آغازگر نوری باید طوری انتخاب شود که دقیقاً در همین ناحیه کم‌جذبِ رنگدانه فعال شود. به بیان ساده‌تر، اگر طول‌موج جذب آغازگر با طول‌موجی که رنگدانه کمتر جذب می‌کند هماهنگ نباشد، رنگدانه جلوی نور را می‌گیرد و آغازگر به‌خوبی فعال نمی‌شود؛ در نتیجه، پخت UV ناقص یا کند خواهد بود.
پس هنگام استفاده از جوهر UV، باید مطمئن شد که «طول‌موج جذب آغازگر» و «پنجره طیفی رنگدانه» با هم سازگار باشند تا نور کافی به آغازگر برسد و عمل‌آوری به‌درستی انجام شود.
1.فرمولاسیون جوهر UV Cure
پیش پلیمر (اليگومر)
پیش پلیمر مهمترین جزء جوهر UV است، عملکرد آن در ماهیت فرآیند پخت و تشکيل فيلم نقش تعیین کننده ای دارد. متداول ترین الیگومرهای مورد استفاده در جوهرهای فرآوری شده با اشعه ماوراء بنفش عبارتند از اپوکسی اکریلات، يورتان اکريلات، پلی استر اکریلات و سيليکون اکريلات.
اطلاعات بیشتر در مقاله “فرمولاسیون رزین UV: راهنمای جامع مکانیسم پخت و انتخاب رزین”
مونومر هاي واکنشی (Reactive Monomers)
مونومر هاي واکنشي، ترکیبات مولکولی کوچک دارای گروه‌های غیر اشباع (مانند پیوند دوگانه) هستند. این مواد هنگام پخت نوری می‌توانند با الیگومرها واکنش داده و در شبکه پلیمری نهایی شرکت کنند و وزن مولکولی ساختار حاصل را تا چند صد هزار افزایش دهند.
همچنين افزودن رقیق‌کننده واکنشی به پیش‌پلیمرهای ویسکوز برای اهداف زیر انجام می‌شود:
- تنظیم ویسکوزیته جوهر یا رزین‌های UV-curable
- کنترل ميزان اتصالات عرضی در جوهر های قابل پخت با UV
- بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی لایه پخت‌شده مانند انعطاف‌پذیری، سختی، چسبندگی و مقاومت سایشی.
چندین رقیق کننده رایج وجود دارد: تری‌اتیلن گلیکول دی‌آکریلات (TEGDA)، هگزان‌دی‌ال دی‌آکریلات (HDDA)، ایزوبورنیل آکریلات (IBOA)، تری‌متیلول‌پروپان تری‌آکریلات (TMPTA) ، تري پروپيلن گليکول دي اکريلات (TPGDA)، دی پروپيلن گلیکول دی‌اکریلات (DPGDA)، هیدروکسی‌اتیل متاکریلات (HEMA)
اطلاعات بیشتر در مقاله “رقیق کننده واکنش پذیر(Reactive Diluents): تنظیم خواص رزین UV با مواد اولیه”
آغازگر نوری
ترکیباتی که با جذب نور UV واکنش داده و فرآیند پلیمریزاسیون را آغاز می‌کنند. به طور کلي به دو دسته تقسيم بندي ميشوند:
-
1. آغازگر هاي رادیکالی (Radical Photoinitiators)
این نوع آغازگرها تحت تابش نور UV، رادیکال‌های آزاد تولید کرده و واکنش پلیمریزاسیون را شروع می‌کنند.
-
2. آغازگرهای کاتیونی (Cationic Photoinitiators)
این نوع آغازگرها پس از جذب UV، یون هیدروژن فعال (H+) آزاد کرده و پلیمریزاسیون کاتیونی را آغاز می‌کنند.
اطلاعات بیشتر در مقاله “نقش آغازگرنوری (Photoinitiators)| خرید مواد اولیه رزین UV”
رنگدانه ها و افزودنی های آلی (Organic pigments and filers)
رنگدانه‌ها (pigments) نقش مهمی در جوهر UV دارند و به‌طور مستقیم بر ویژگی‌های فیزیکی و ظاهری جوهر تأثیر می‌گذارند. بر اساس منشأ و ترکیب شیمیایی، رنگدانه‌ها به دو دسته آلی و معدنی تقسیم می‌شوند.
برای تنظیم ویژگی‌های جوهر و سازگار کردن آن با شرایط مختلف چاپ، از مواد کمکی موسوم به افزودنی‌های جوهر استفاده می‌شود. این افزودنی‌ها در بهبود رفتار رئولوژیکی، افزایش چسبندگی، پایداری و کیفیت کلی چاپ نقش مهمی دارند. به‌عنوان نمونه، در فرمولاسیون جوهر ميتواند از افزودنی‌های رئولوژی‌ساز برای کنترل ویسکوزیته و جریان‌پذیری استفاده شود.
همچنین از ترکننده‌ها و پخش‌کننده‌ها (ديسپرس کننده ها) برای توزیع بهتر رنگدانه‌ها و افزایش چسبندگی جوهر بر سطح بهره گرفته می‌شود. برای جلوگیری از ایجاد کف در فرایند تولید و چاپ، افزودنی‌های ضدکف مانند سیلیکون‌های ضدکف و پلی‌اترهای اصلاح‌شده به کار می‌روند.
افزون بر این، برای افزایش مقاومت سطح چاپ‌شده در برابر سایش و خط‌وخش، معمولاً از واکس‌های پلی‌اتیلن یا واکس‌های PTFE استفاده می‌شود. در نهایت، به منظور افزایش پایداری نوری و جلوگیری از محو شدن رنگ در اثر تابش UV، پایدارکننده‌های نوری نيز ميتواند در فرمولاسیون جوهر اضافه شوند..
در ادامه، انواع رنگدانه‌ها، «پنجره طیفی» آنها، و عوامل مؤثر در انتخاب رنگدانه در فرمولاسیون جوهرهای UV‑Cure ارائه شده است.
-
انواع رنگدانه‌ها و پنجره طیفی آنها
2.1 رنگدانه‌های آلی (Organic Pigments)
این گروه شامل فتالوسیانین‌ها، آزوها، کوئیناکریدون‌ها، پریلن‌ها و … است. ویژگی غالب آنها شدت رنگ بالا، شفافیت و بازده نوری مناسب است.
2.1.1 فتالوسیانین‌ها (Phthalocyanines)
– محدوده جذب قوی: nm 600–700
– جذب در ناحيه UV: در nm 350–400 کم تا متوسط
– نتیجه: مناسب برای جوهر LED‑UV در محدوده تابش nm 385–405 چون جذب تداخلی کمی ایجاد می‌کند.
2.1.2 رنگدانه‌های آزو (Azo Pigments)
– تنوع بالا، اما بسیاری از آنها داراي جذب بین nm 300–450 هستند.
– برای پخت LED‑UV در ناحيه nm 365–385 گاهی مشکل‌زا، به‌خصوص در رنگ‌های زرد آزو، خصوصاً زردهای آزو (PY74, PY12, PY14)
– نتیجه: در پخت UV، برای افزایش عمق پخت و پخت کامل در صورت استفاده از رنگدانه هاي آزو، ضروری است که رنگدانه هايي با جذب پایین انتخاب شوند تا در فرآيند پخت مشکلي ايجاد نشود.
2.1.3 کوئیناکریدون‌ها (Quinacridones)
– جذب اصلی: در ناحيه nm 500–580
– جذب در ناحيه UV: جذب پایین در ناحيه nm 350–400
– نتیجه: انتخاب بسیار مناسب برای جوهرهای UV‑Cure، خصوصاً برای طیف LED‑405 nm.
2.1.4 پریلن‌ها (Perylenes)
– جذب قوی: در ناحيه nm 450–550
– جذب در ناحيه UV: متوسط
– نتیجه: برای فرمولاسیون‌هایی که نیاز به کنتراست و پایداری نوری بالا دارند، مناسب اما باید اثر جذب UV کنترل شود.
2.2 رنگدانه‌های معدنی (Inorganic Pigments)
این رنگدانه‌ها معمولاً جذب در ناحيه UV بسیار بالایی دارند و می‌توانند پخت را مختل کنند، اما از نظر مقاومت نوری و پایداری حرارتی بی‌نظیرند.
2.2.1 TiO₂ (دی‌اکسید تیتانیوم)
– جذب قوی: nm 280–400
– قوی‌ترین مانع UV (UV‑screening)
– اثر: کاهش شدید شدت نور UV در لایه جوهر ← پخت سطحی بالا، پخت عمقی پایین
– راهکار: استفاده از پارتیکل‌های پوشش‌دار یا کاهش پیگمنت (رنگدانه) در فرمولاسيون
2.2.2 اکسیدهای آهن (Iron Oxides)
– جذب گسترده در UV و مرئی
– رنگ‌های قهوه‌ای، قرمز، زرد
– نتیجه: در فرمولاسیون‌های UV معمولاً مشکل‌زا هستند مگر در لایه‌های نازک
2.2.3 اولترامارین‌ها (Ultramarines)
– جذب کم در UV
– گزینه مناسب برای آبی و بنفش در UV‑Cure
2.3 کربن بلک (Carbon Black)
– جذب بسیار بالا در کل طیف UV و مرئی
– سخت‌ترین رنگدانه برای پخت UV
– راهکار: استفاده از آغازگر هاي نوري با بازده بالا یا کاهش ضخامت فیلم
-
مفهوم «پنجره طیفی رنگدانه» در جوهر UV‑Cure
«پنجره طیفی رنگدانه» به بازه‌ای از طول‌موج‌های نور گفته می‌شود که رفتار نوری رنگدانه در آن تعیین‌کننده کارایی پخت UV است. این مفهوم شامل موارد زیر است:
– طول موج‌های جذب حداکثری رنگدانه
– طول موج‌هایی که جذب رنگدانه در آنها بسیار کم است و نور می‌تواند از میان لایه عبور کند (transmission window)
– عمق نفوذ نور در لایه جوهر حاوی رنگدانه، که به میزان جذب و پراکندگی وابسته است
– چگونگی همپوشانی یا تداخل طیف جذب رنگدانه با طیف جذبی آغازگر نوری و اثر آن بر کارایی پخت.
اگر طیف LED با ناحیه جذب رنگدانه همپوشانی داشته باشد:
– سرعت پخت کاهش می‌یابد
– tack باقی‌مانده افزایش می‌یابد (پخت ناقص)
– پخت عمقی ناقص می‌شود
– بوی مونومر آزاد افزايش مي يابد
بنابراین باید رنگدانه‌هایی انتخاب شوند که در طول موج LED (معمولاً nm 385–405) شفافیت طیفی داشته باشند. یعنی تقریباً جذب در ناحيه UV نداشته باشد، اگر شفاف نباشد، رنگدانه نور را جذب ميکند و پخت ناقص می‌شود.
-
پارامترهای کلیدی در انتخاب رنگدانه برای جوهر UV‑Cure
4.1 سازگاری طیفی با LED / UV Lamp
– عدم همپوشانی ناحيه جذب رنگدانه با nm 385–405 برای UV‑LED
– انتخاب رنگدانه‌هایی با جذب حداقلی در ناحيه UV
– استفاده از دیتاشیت جذب (Diffuse Reflectance Spectroscopy)
4.2 اندازه ذرات و توزیع اندازه (D50, D90)
– ذرات ریزتر ← جذب بیشتر و scattering بیشتر ← پخت کندتر
– ذرات بزرگ‌تر ← شفافیت UV بیشتر
– تعادل لازم است برای حفظ رنگ (ميزان رنگدانه) و پخت قابل قبول
4.3 بارگذاری (ميزان) رنگدانه (Pigment loading)
– بارگذاری بالا ← افزایش opacity ← کاهش انتقال نور
– بارگذاری پایین ← شفافیت بهتر اما کاهش شدت رنگ
– مقدار بهینه برای جوهرهاي UV : 3–15% بسته به نوع رنگدانه
4.4 اصلاح سطحي (Surface treatment)
استفاده از پوشش‌هایی مانند آلومینا (Al₂O₃)، سیلیکا (SiO₂) یا ترکیبی از آنها بر سطح رنگدانه‌ها، برای جوهرهای UV‑Cure اهمیت زیادی دارد. اين اصلاحات ميتواند:
– بهبود پراکندگی رنگدانه و افزایش wetting در رزین‌های اکریلاتی را فراهم کنند
– کاهش تمایل رنگدانه به ایجاد تجمع (agglomeration) و بهبود پایداری دیسپرسیون
– کنترل میزان scattering در ناحیه UV و کمک به عبور نور برای پخت بهتر
4.5 شکل و ساختار مولکولی
رنگدانه‌های آلی کریستالی با ساختارهای مسطح معمولاً جذب شدید دارند اما ضریب عبور در UV‑A(بخش بلندموج‌تر فرابنفش) مناسب‌تر از معدنی‌هاست.
4.6 مقاومت نوری و پایداری حرارتی
مقاومت نوری و پایداری حرارتی مناسب در رنگدانه‌ها برای جلوگیری از زردشدگی، کاهش شدت رنگ یا تخریب ساختار پس از فرایندهای حرارتی (مانند پخت) ضروری است. رنگدانه‌هایی که در برابر نور و دمای بالا پایدارند، تغییر رنگ کمتری نشان می‌دهند و دوام ظاهری و عملکردی پوشش یا محصول را حفظ می‌کنند.
4.7 سازگاری با رزین و آغازگر نوري
سازگاری مناسب رنگدانه با رزین و آغازگر نوری برای اطمینان از پخت کامل و یکنواخت سامانه ضروری است. رنگدانه باید به‌گونه‌ای انتخاب یا اصلاح سطح شود که:
- از جذب سطحی بیش از حد آغازگر نوری روی سطح رنگدانه جلوگیری شود
- از برهم‌کنش‌های نامطلوب بین رنگدانه و آغازگر نوری (Pigment–PI Interaction) که می‌تواند منجر به مهار یا کندشدن واکنش پخت شود، پیشگیری گردد.
-
انتخاب رنگدانه پیشنهاد شده برای سیستم‌های UV‑LED
برای LED‑405 nm
– بهترین رنگدانه ها: فتالوسیانین‌ها، کوئیناکریدون‌ها
– قابل استفاده: رنگدانه هاي پریلن‌ها
– نامناسب: پیگمنت زرد آزو
برای LED‑385 nm
– کم‌جذب: کوئیناکریدون‌ها
– نیازمند بررسی: پریلن‌ها و برخی آزوها
– مشکل‌زا: TiO₂، کربن بلک
برای سیستم‌های پرسرعت (single‑pass)
– رنگدانه آلی با جذب UV حداقلی
– بارگذاری پایین (مقدار پايين رنگدانه در فرمولاسيون)
– آغازگرهای نوري با بازده بالا مانند TPO-L یا BAPO
-
نتیجه‌گیری
کنترل پنجره طیفی رنگدانه‌ها یکی از معیارهای اصلی در طراحی فرمولاسيون جوهرهای UV‑Cure است. انتخاب صحیح رنگدانه باید بر اساس جذب در UV‑A، سازگاری با رزین، اندازه ذرات، و بارگذاری (مقدار) بهینه انجام شود. استفاده از رنگدانه‌های آلی با جذب پایین در محدوده nm 385–405 امکان پخت کامل و سرعت بالا را فراهم می‌کند، در حالی که رنگدانه‌های معدنی و کربن بلک به دلیل جذب وسیع، نیازمند طراحی دقیق‌تر سیستم پخت و استفاده از آغازگر های قوی‌تر هستند.
WOW,Very wonderful