کاربرد تکنولوژی فرابنفش در پوشش ها

بر خلاف گذشته که پخت با استفاده از پرتو فرا بنفش تنها برای زیرآیندهای حساس به دما (مانند چوب، کاغذ و پلاستیک) مورد توجه قرار می گرفت، امروزه این فرآیند جایگزین سخت شدن گرمایی شده است. در این روش، با جذب انرژی فوتون های منابع تابشی در طول موج های کوتاه از طیف الکترومغناطیس، گونه های واکنشگری تشکیل می شوند که قادر هستند تا یک واکنش پخت رشد زنجیری سریع را شروع کنند.

طیف امواج الکترومغناطیس شامل محدوده ی فروسرخ نزدیک (NIR)، مرئی و فرابنفش تا پرتو الکترونی و پرتو ایکس است. در این بین، ناحیه ی فرابنفش (که عمدتا ً در این فناوری استفاده می شود) خود به سه محدوده ی UV-A، UV-B، UV-C طبقه بندی می شود.

شکل 1- گستره انرژی امواج الکترومغناطیس

مقدار انرژی یک فوتون با استفاده از رابطه زیر تعریف می شود:

که در این رابطه، v نشان دهنده ی بسامد (هرتز) و l نیز طول موج (نانومتر) است. این رابطه نشان می دهد که طول موج های کوتاه تر دارای انرژی فوتون بالاتری هستند. مطابق با شکل 2 پرتو فرابنفش در محدوده ی طول موج 300 تا 400 نانومتر قرار دارد و از این رو باید به شکست پیوندهای C-C منجر شود. این در حالی است که فوتون های با انرژی بالای پرتو الکترونی و پرتو ایکس می توانند شکست پیوندهای C-C یا C-H را به همراه داشته باشند. بنابراین دیگر به یک آغازگر نوری خاص به منظور تشکیل گونه های رادیکالی لازم برای پلیمریزاسیون نیاز ندارد. اما در ارتباط با پرتو فرابنفش، فرآیندهای شکست مستقیم به اندازه ی کافی مؤثر نیستند. از این رو معمولا ً در استفاده از آن ها از آغازگرهای نوری استفاده می شود. در این حالت، آغازگرها تهییج شده و گونه های واکنشی فعال مورد نظر را پس از انجام یک سری واکنش های متوالی تشکیل می دهند در صورت استفاده از طول موج های بلندتر، واکنش های انتقال انرژی پیچیده تری مورد نیاز خواهد بود.

شکل 2- محدوده انرژی پیوندهای مختلف به عنوان تابعی از طول موج 

در میان طیف منابع انرژی تابشی مورد استفاده، فناوری فرابنفش به مراتب یکی از رایج ترین این منابع است. از میان منابع تابشی پرانرژی تر، فناوری پرتو الکترونی به صورت گسترده برای پوشش ها مورد بررسی قرار گرفته است که همچنان مقرون به صرفه ترین فناوری برای کاربردهای صنعتی با حجم بسیار بالا محسوب می شود. اما الزام های ایمنی و هزینه های بالای سرمایه گذاری برای استفاده از فناوری پرتو الکترونی، مانع از گسترش آن شده است. در همایشی که در ارتباط با فناوری تابشی در سال 2005 و در شهر بارسلونا برگزار شد، تمایل های زیادی به بخش فناوری پرتو الکترونی برای استفاده از آن در چاپ، براق کردن و لمینیت در صنعت بسته بندی دیده شد. پیشرفت های جدیدی در زمینه ی تجهیزات پرتو الکترونی ارزان تر و کم حجم تر و همچنین توسعه ی فرمولاسیون های جدید جوهرهای چاپ فلکسوگرافی، پوشش ها و چسب ها، از دلایل این علاقه مندی ها محسوب می شوند. استفاده از فناوری پرتو الکترونی به ویژه در چاپ بر روی بسته بندی هایی که در تماس با موادغذایی هستند، نسبت به پرتو فرابنفش ترجیح داده می شود. زیرا در فناوری پرتو الکترونی نیازی به استفاده از آغازگری که در شرایط پخت ناکامل پوشش بتواند به محتویات بسته بندی مهاجرت کند، نیست.

همانطور که از برخی از کاربردهای نشان داده شده در شکل 3 مشاهده می شود، پوشش های تابش پز فرابنفش به صورت رایج برای زیرآیندهای حساس به دما (مانند چوب، کاغذ و پلاستیک) استفاده می شوند. به عنوان نمونه، می توان به شفاف پوشه های مورد استفاده در کف پوش های چوبی، مبلمان و کف پوش های وینیلی و همچنین برای زیرآیندهای پلاستیکی (کلاه ایمنی و تابلوها)، لوح های فشرده، عدسی های چراغ جلوی خودرو و یا ورنی های براق چاپ رویه (پوسترها و بسته بندی های براق) اشاره نمود. از آن جایی که از پوشش ها تقریبا ً در همه ی زمینه ها استفاده می شوند، بازار پوشش های تلبش پز فرابنفش نیز در حال گسترش به کاربردهای جدیدتری است که پیش تر در اختیار سیستم های پخت شونده ی گرمایی قرار داشته اند. استفاده از پوشش های تابش پز فرابنفش برای اعمال بر روی زیرآیندهای فلزی (پوشش های خودویی و کلاف پوشانی) و همچنین کاربردهای بیرونی ( نظیر پنجره، شیشه، دوچرخه، وسایل خانگی مانند یخچال، ماشین های ظرف شویی و مهم تر از همه وسایل نقلیه) مثالهای خوبی در این زمینه هستند. این در حالی است که تعدادی از کاربردها اغلب کمتر مورد توجه هستند، مانند چسب ها و پوشش های حفاظتی برای CD و DVDها، پوششهای حفاظتی مورد استفاده در سیم های الیاف شیشه ای، جداره داخلی و بیرونی قوطی های نوشیدنی، قطعات خودرویی مانند قابهای انعکاسی چراغ جلوی خودرو و قطعات چند کاره ی الکترونیکی. این موارد می توانند حتی به کاربردهای بیشتری نیز تعمیم داده شوند.

شکل 3- پوشش های فرابنفش: از کاربردهای قدیمی تا کاربردهای جدید

درحال حاضر استفاده از سیستم های تابش پز فرابنفش بطور عمده به شفاف پوشه ها مربوط می شود. بنابراین انتظار می رود تا این لایه در سطح پوششی که در معرض تنش های مکانیکی و شیمیایی مانند خراش ها، مواد شیمیایی خانگی (شوینده ها، نوشیدنی ها و غیره)، آلاینده های جوی (اسیدها، آب و فضولات پرندگان) و همچنین پرتاب سنگریزه و یا سایر ضربات مکانیکی است، عملکرد قابل قبولی را از خود ارائه نماید. از این رو، فرمولاسیون پوشش های تابش پز به نیازهای عمکردی مورد انتظار و روشهای اعمال آن وابسته خواهد بود. فرمولاسیون های مرسوم پوشش های تابش پز فرابنفش هنوز هم صد در صد مایع هستند، این در حالی است که آن ها معمولا ً تحت عنوان صد در صد جامد نیز شناخته می شوند تا تأکید شود که حاوی حلال و یا سایر مواد فرار نیستند. لازم به ذکر است که به علت اهمیت پخت با پرتو فرابنفش به عنوان یک جایگزین برای سخت شدن گرمایی، از مقدار محدودی از حلالها برای کاهش گرانروی، بهبود فرمولاسیون سیستم های آب پایه تابش پز فرابنفش و همچنین پوشش های پودری تابش پز فرابنفش استفاده می شود.

تاکنون بازار پوشش های تابش پز فرابنفش به استفاده از آن ها به عنوان یک فناوری خاص محدود شده که این مسئله، ناشی از عوامل مختلفی است. یک دلیل اصلی برای آن به خود فناوری پخت مربوط می شود که همچنان به عنوان یک فرآیند پخت دو بعدی مطرح بوده است و در آن تنها امکان پخت برای زیرآیندهای مسطح وجود دارد. بطوری که امروزه پخت اشیای سه بعدی فقط برای تعداد محدودی از کاربردها امکان پذیر است.

همانطور که در شکل 4 و به صورت طرح واره نشان داده شده است، فرآیند عمدتا ً بر اساس اعمال صنعتی بر روی زیرآیندهای دو بعدی است. زیرآیند در ابتدا مشابه با یک خط ریخته گری پوشش داده می شود و سپس با عبور از واحدهای پرتو دهی، تحت تابش شدید قرار می گیرد. فیلم مایع با جرم مولکولی پایین به واسطه ی یک پلیمریزاسیون رادیکالی القا شده با نور، در کسری از ثانیه به یک فیلم شبکه شده ی جامد تبدیل می شود. در انتها خط نیز زیرآیندهای کاملا ً پخت و خشک شده می توانند جمع آوری شوند و بلافاصله تحت فرآیندهای بعدی قرار گیرند.

شکل 4- طرح واره ای از فرآیند پخت و تشکیل اتصال های عرضی با تحریک توسط پرتو فرابنفش

در جدول زیر یک فرمولاسیون رایج از پوشش های تابش پز ارائه شده است که حاوی تقریبا ً 25 تا 90 درصد از رزین های پیش پلیمری بوده که وظیفه ی تشکیل فیلم و خواص اصلی پوشش را بر عهده دارند. رقیق کننده های فعال، ترکیباتی با وزن مولکولی پایین هستند که در تشکیل شبکه ی پلیمری شرکت می کنند و به عنوان جایگزین حلال ها ( در رنگ های مرسوم) برای تنظیم گرانروی مورد نیاز در فرآیند اعمال استفاده می شوند. گرانروی های رایج برای فرآیند اعمال به روش غلتک و پاشش به ترتیب در محدوده ی 3 تا 5 هزار و 100 تا 200 میلی پاسکال.ثانیه است. در رنگ های تابش پز، در حدود  1 تا 8 درصد آغازگر نوری و همچنین بین 1 تا 50 درصد از افزودنی های دیگر (مانند عامل همتراز کننده، پایدار کننده، جاذب پرتو فرابنفش، رباینده های رادیکال، رنگدانه ها و غیره) به منظور طراحی فرمولاسیون برای فرآیند اعمال و خواص مورد نیاز پوشش استفاده می شوند.

جدول – اجزای کلی و نقش هریک از آن ها در یک شفاف پوشه ی فرابنفش

این فرمولاسیون عمومی از پوشش های تابش پز فرابنفش، برای پوشش های قابل پلیمریزه شدن رادیکالی و همچنین سیستم های قابل پخت کاتیونی و قابل پخت با استفاده از پرتو الکترونی (که نیازی به آغازگر نوری ندارند) نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد.