(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-11
(45)【発行日】2022-10-19
(54)【発明の名称】樹脂硬化方法、及び樹脂硬化装置
(51)【国際特許分類】
C08F 2/46 20060101AFI20221012BHJP
C08F 2/01 20060101ALI20221012BHJP
【FI】
C08F2/46
C08F2/01
(21)【出願番号】P 2018037763
(22)【出願日】2018-03-02
【審査請求日】2020-10-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000000192
【氏名又は名称】岩崎電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001081
【氏名又は名称】弁理士法人クシブチ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】木下 忍
(72)【発明者】
【氏名】井出 崇
(72)【発明者】
【氏名】堀口 雷太
【審査官】渡辺 陽子
(56)【参考文献】
【文献】欧州特許第02198981(EP,B1)
【文献】特開平09-053024(JP,A)
【文献】特開平06-312495(JP,A)
【文献】BAUER F. et al.,UV curing and matting of acrylate nanocomposite coatings by 172 nm excimer irradiation,Part 2,Progress in Organic Coatings,2010年,69,287-293
【文献】SCHUBERT R. et al.,VUV-induced micro-folding of acrylate-based coatings 1.Real-time methods for the determination of the micro-folding kinetics,Surface & Coatings Technology,2009年,203,1844-1849
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C08F2、C09D11、B41J2、B41F23
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂に紫外線又は電子線を照射して硬化する硬化工程を有する樹脂硬化方法において、
前記紫外線は、波長が254nmであり、
前記硬化工程では、
光重合開始剤を含有しない前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の表層が所定の厚さを硬化するように
、300ppm以下の酸素阻害を生じさせない酸素濃度である酸素雰囲気下において前記紫外線又は前記電子線を照射することで前記表層の表面に凹凸を形成した後、
前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の深部が硬化するように前記紫外線又は前記電子線を照射する
ことを特徴とする樹脂硬化方法。
【請求項2】
前記表層の所定の厚さは、前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の全体の厚さの25%以上55%以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の樹脂硬化方法。
【請求項3】
紫外線、又は電子線を照射する照射装置を有し、
光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂に前記紫外線、又は前記電子線を照射して硬化する樹脂硬化装置において、
前記紫外線は、波長が254nmであり、
前記紫外線、又は前記電子線の照射を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
光重合開始剤を含有しない前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の表層が所定の厚さを硬化するように
、300ppm以下の酸素阻害を生じさせない酸素濃度である酸素雰囲気下において前記紫外線又は前記電子線の強度を調整して照射することで前記表層の表面に凹凸を形成した後、
前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の深部が硬化するように前記紫外線又は前記電子線の強度を調整して照射する
ことを特徴とする樹脂硬化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、樹脂硬化方法、及び樹脂硬化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、紫外線や電子線といった活性エネルギー線を、光硬化性樹脂や電子線硬化性樹脂といった硬化性樹脂に照射して硬化させる硬化技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、硬化した状態の硬化性樹脂に対し、表面の艶を消す処理技術を施して、意匠性の向上を図る技術も知られている(例えば、特許文献2、及び特許文献3参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2017-132895号公報
【文献】特開2008-238482号公報
【文献】特開2014-69507号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の処理技術では、硬化性樹脂の硬化処理に加え、艶を消して意匠性を持たせる処理を別に行っており、処理が煩雑であり、また設備等のコストの増加を招く。
【0005】
本発明は、光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂の表面に意匠性を低コストに持たせることができる樹脂硬化方法、及び樹脂硬化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂に紫外線又は電子線を照射して硬化する硬化工程を有する樹脂硬化方法において、前記紫外線は、波長が254nmであり、前記硬化工程では、光重合開始剤を含有しない前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の表層が所定の厚さを硬化するように、300ppm以下の酸素阻害を生じさせない酸素濃度である酸素雰囲気下において前記紫外線又は前記電子線を照射することで前記表層の表面に凹凸を形成した後、前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の深部が硬化するように前記紫外線又は前記電子線を照射することを特徴とする。
【0007】
本発明は、上記樹脂硬化方法において、前記表層の所定の厚さは、前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の全体の厚さの25%以上55%以下であることを特徴とする。
【0008】
本発明は、紫外線、又は電子線を照射する照射装置を有し、光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂に前記紫外線、又は前記電子線を照射して硬化する樹脂硬化装置において、前記紫外線は、波長が254nmであり、前記紫外線、又は前記電子線の照射を制御する制御部を備え、前記制御部は、光重合開始剤を含有しない前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の表層が所定の厚さを硬化するように、300ppm以下の酸素阻害を生じさせない酸素濃度である酸素雰囲気下において前記紫外線又は前記電子線の強度を調整して照射することで前記表層の表面に凹凸を形成した後、前記光硬化性樹脂、又は前記電子線硬化性樹脂の深部が硬化するように前記紫外線又は前記電子線の強度を調整して照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂に紫外線又は電子線を照射して、その表面に凹凸が生じて意匠性を有するようになる。これにより、硬化工程とは別に、意匠性を持たせる工程を有する必要がなく、光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂の表面に意匠性を低コストに持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】本発明の実施形態に係る樹脂硬化システムの構成を示す模式図である。
【
図2】光重合性オリゴマーの種類ごとに、光硬化性樹脂に用いたときの長所、及び短所と、光重合性オリゴマーの構造を示す図である。
【
図3】硬化工程における光硬化性樹脂の紫外線照射処理の説明図である。
【
図6】電子線が照射される対象物の密度と、当該対象物の電子線の吸収線量の割合との関係を示す図である。
【
図8】厚さが10μm相当のTMPTAについての透過率の波長依存性を示す図である。
【
図9】厚さが10μm相当、100μm相当、1000μm相当の各TMPTAについて、透過率の波長依存性を比較した図である。
【
図10】光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂の表面に凹凸を形成し、意匠性を持たせることができる光源と光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂との組み合わせを示したものである。
【
図11】本発明の変形例に係る樹脂硬化システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
まず、本発明の樹脂硬化方法を用いた本実施形態にかかわる樹脂硬化システム1を説明する。
図1は、本実施形態に係る樹脂硬化システム1の構成を模式的に示す図である。
この樹脂硬化システム1は、長い帯状に形成された軟包装材をワークWとし、そのワークWの表面に光硬化性樹脂2(
図3)を含むインク22をインクジェット印刷により塗布し、それを硬化することで画像形成するシステムである。この樹脂硬化システム1は、
図1に示すように、搬送装置4と、インクジェット印刷装置6と、を備えている。
搬送装置4は、ワークWを搬送する装置であり、ワークWが巻き回された一対のローラー4A、4Bを備え、これらローラー4A、4Bの回転によりワークWが搬送方向Pへと搬送される。
【0012】
インクジェット印刷装置6は、酸素濃度を酸素阻害抑制濃度まで低下させた雰囲気下で、光硬化性樹脂2を含むインク22を塗布し、インク22に所定の波長帯の紫外線24を照射して高分子化させることで当該インク22を硬化させる装置である。酸素阻害抑制濃度については後述する。
本実施形態で用いる紫外線24は、波長域が10nm~200nm付近の真空紫外線と、波長域が100nm~280nm付近のUV-Cと、波長域が280nm~315nm付近のUV-Bである。インク22は、光硬化性樹脂2に、各色に対応した顔料などの添加剤を混ぜ、また光重合性モノマーが約80%以上を占めるように希釈することで、液滴として噴射できるように粘度を下げたものである。
このインクジェット印刷装置6は、
図1に示すように、窒素パージボックス9と、3つのインクヘッド10(吐出手段)と、3つの照射装置12と、印刷制御部14と、光源制御部16と、雰囲気制御部18と、を備えている。
【0013】
上記酸素阻害抑制濃度は、雰囲気中の酸素と、紫外線24の照射によって光硬化性樹脂2の中に発生したラジカルとの反応により光硬化性樹脂2の光重合反応が阻害される現象(いわゆる酸素阻害)を生じさせない酸素濃度である。この酸素阻害抑制濃度の酸素雰囲気下で紫外線照射を行うことで、光重合開始剤を含有しない光硬化性樹脂2であっても硬化するようにしている。
【0014】
かかる紫外線照射で硬化可能な光硬化性樹脂は、光吸収特性において少なくとも紫外線の波長領域の中に吸収を有する樹脂材料である。また、この光硬化性樹脂は、光重合性オリゴマー、及び光重合性モノマーを含有し、光重合開始剤を含有していない樹脂組成物であり、用途に応じた粘度の液状体である。なお、光硬化性樹脂には、安定剤、フィラー、着色剤(顔料)等の各種の添加剤を、用途に応じて添加してもよい。
【0015】
光重合性オリゴマーは、光重合性モノマーを予め反応させて、いわゆるプレポリマーとした有機材料であり、紫外線照射によって重合反応を生じ、高分子化する。
光重合性オリゴマーには、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、或いは、ポリエステルアクリレートなどのアクリレート、又は、イソボルニルメタクリレート(IBXMA)、テトラヒドロフルフリルメタクリレート(THFMA)、2-ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)、シクロヘキシルメタクリレート(CHMA)、ラウリルメタクリレート(LMA)などのメタクリレートを用いることができる。
一般に、光重合性オリゴマーは、光硬化性樹脂の硬化物性を支配しており、用途に応じて適宜の種類の光重合性オリゴマーが用いられる。
図2には、光重合性オリゴマーとして、幾つかのアクリレートオリゴマーごとに、それを光硬化性樹脂に用いたときの長所、及び短所と、そのアクリレートオリゴマーの構造を例示している。
酸素阻害抑制濃度の酸素雰囲気下での紫外線照射においては、
図2のいずれの光重合性オリゴマーであっても、光硬化性樹脂が光重合開始剤を含有することなく、硬化させることができる。
【0016】
光重合性モノマーは、上述の通り、光重合性モノマーの希釈剤として用いられるものであり、光重合性オリゴマーと同様に、紫外線照射によって重合反応を生じ、高分子化する有機材料である。光重合性モノマーは、1官能アクリレート、2官能アクリレート、又は多官能アクリレートを用いることができる。
【0017】
紫外線は、少なくとも光硬化性樹脂が光を吸収する波長域にピークを有する発光スペクトルを有した光である。なお、ここで言う発光スペクトルのピークは、必ずしも全波長域における最大のピークである必要はない。また、発光スペクトルのピークは、光硬化性樹脂2が光を吸収する波長域の中に位置し、或いは、ピークの幅の中に当該波長域の全部又は一部を含んでいればよい。
【0018】
図1に戻り、窒素パージボックス9は、ワークWが内部を通って搬送される箱体であり、不活性ガスの一例たる窒素ガスが内部に送り込まれることで、内部の酸素濃度が酸素阻害抑制濃度以下の雰囲気に維持されている。本実施形態においては、酸素阻害抑制濃度は300ppmであり、内部の雰囲気は、この300ppm以下の酸素濃度となっている。なお、窒素ガスに替えて、他の不活性ガスを用いてもよいことは勿論である。また、窒素パージボックス9に替えて、チャンバー内を真空ポンプで真空に(酸素濃度が酸素阻害抑制濃度以下の雰囲気に維持)した真空チャンバーを用いて、当該真空チャンバー内部を通してワークWを搬送する構成であっても良い。
雰囲気制御部18は、窒素パージボックス9への窒素ガスの導入量を制御し、内部の酸素濃度を制御する。
これら窒素パージボックス9、及び雰囲気制御部18によって、雰囲気の酸素濃度を酸素阻害抑制濃度以下にする酸素濃度抑制手段が構成されている。雰囲気の酸素濃度は、雰囲気中の酸素と、紫外線24の照射によって光硬化性樹脂2の中に発生したラジカルとが反応して光重合反応が阻害(酸素阻害)されてしまう濃度よりも小さな濃度であればよい。
なお、雰囲気の酸素濃度が光硬化性樹脂2の重合への酸素阻害を生じさせない酸素濃度まで低めることができれば、当該酸素濃度抑制手段としては、任意の手段を用いることができる。
【0019】
インクヘッド10は、赤(R)のインク22、緑(G)のインク22、及び青(B)のインク22ごとに設けられており、インク22の液滴を吐出してワークWに塗布するものである。これら3つのインクヘッド10は、窒素パージボックス9の中に、搬送方向Pに沿って所定の間隔で配置されており、ワークWの搬送に伴って、赤(R)、緑(G)、及び青(B)のインク22が順にワークWに塗布される。
印刷制御部14は、ワークWの表面にインク22により形成する画像に基づいて、各インクヘッド10のインク22の吐出を制御する。
【0020】
なお、インクジェット印刷装置6には、黒のインクや透明樹脂の液滴を吐出してワークWに塗布するインクヘッドをさらに設けることもできる。
また、各色のインク22を塗布する順番は適宜に変更できる。
【0021】
照射装置12は、窒素パージボックス9の内部において、インクヘッド10ごとに、その下流側に隣接して配置され、ワークWに所定波長の紫外線24を照射する。この照射装置12の光源には、光硬化性樹脂2が上述の紫外域において吸収を示す波長域の光を放射するランプ光源が用いられる。ランプ光源には、例えば、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、エキシマランプ、キセノンランプ等の放電ランプ、LED光源、及び、レーザー光を用いることができる。
光源制御部16は、照射装置12のそれぞれの点滅を制御するものである。
【0022】
このインクジェット印刷装置6では、各インクヘッド10で塗布されたインク22は、それぞれ下流側に配置された各照射装置12の紫外線24の照射によって速やかに高分子化されて硬化し、固定化される(硬化工程)。このため、それぞれのインクヘッド10で塗布されたインク22が混ざり合うことがなく、高品質な画像がワークWの表面上に形成される。
【0023】
なお、本実施形態では、窒素パージボックス9の内部に複数のインクヘッド10と、インクヘッド10ごとに、その下流側に隣接して配置された照射装置12とが配設されている構成であるが、これに限られるものではない。例えば、窒素パージボックス9は、各インクヘッド10と照射装置12との対ごとに設けられている構成であっても良い。また、いくつかのインクヘッド10と照射装置12との対が内部に備えられた窒素パージボックス9が複数設けられている構成であっても良い。
【0024】
本実施形態では、インクジェット印刷装置6は、紫外線照射によってインク22を硬化させる硬化工程において、インク22の表層22A(
図3)に凹凸による皺が形成されるように紫外線24を照射しており、このような照射について、以下に説明する。
【0025】
図3は、硬化工程における光硬化性樹脂2の紫外線照射処理の説明図である。
光硬化性樹脂2を含有するインク22に紫外線24が照射されると、光硬化性樹脂2が紫外線24を吸収することで光硬化性樹脂2の内部にラジカルが発生する。これにより光硬化性樹脂2の内部で光重合反応が生じ、光硬化性樹脂2が高分子化されて硬化する。上述の通り、光硬化性樹脂2への紫外線24の照射は、酸素濃度が酸素阻害抑制濃度以下の雰囲気で行われるため、雰囲気中の酸素と光硬化性樹脂2の中のラジカルとの反応が抑制されることで、光重合反応が阻害されることがない。このため、光硬化性樹脂2が光重合開始剤を含有せずとも光重合反応が生じ、光硬化性樹脂2が硬化することとなる。
【0026】
本実施形態の硬化工程では、光硬化性樹脂2に紫外線24が少なくとも2回に分けて照射される。すなわち、1回目の紫外線照射では、
図3(B)に示すように、光硬化性樹脂2の深部22Bを低分子状態である未硬化状態に維持しつつ表層22Aのみを高分子化して硬化し(表層硬化処理)、2回目の紫外線照射によって光硬化性樹脂2の深部22Bを硬化する(深部硬化処理)。
表層硬化処理においては、光硬化性樹脂2の深部22Bが未硬化状態で表層22Aのみが硬化するため、表層22Aの表面22A1の側で深部22Bの側よりも大きな収縮が生じ、これにより表層22Aの表面22A1に、皺やクラックといった凹凸が生じる。この凹凸がエンボス加工やヘアピン加工等による模様を呈することで、表面22A1に意匠性が付与されることとなる。
このように、硬化工程においては、紫外線照射によって光硬化性樹脂2の深部22Bを未硬化状態に維持しつつ表層22Aのみを硬化して表面22A1に凹凸による意匠性を付与する処理(表層硬化処理)を行った後、次の紫外線照射によって光硬化性樹脂2の深部22Bを硬化する処理(深部硬化処理)を行うことで、光硬化性樹脂2の全体を硬化している。
これにより、表面22A1への凹凸による意匠性を付与する処理を、硬化工程と別途に設ける必要がなく、処理が容易となる。
【0027】
ここで、発明者らは、後述する実験等を通じて、表層硬化処理における表層22Aの厚さDbと、その表面22A1の凹凸の程度の関係について次のような知見を得た。
すなわち、表層22Aの厚さDbによっては、表面22A1の凹凸が殆ど生じないことがあり、表層22Aの厚さDbが、光硬化性樹脂2の全体の厚さDaの38%以上55%以下である場合に、当該表層22Aの表面22A1に十分な凹凸が生じる、という知見である。
【0028】
したがって、表層硬化処理においては、硬化される表層22Aの厚さDbが、光硬化性樹脂2の全体の厚さDaの38%以上55%以下に制限されるように紫外線24が照射され、これにより、十分な凹凸を表面22A1に生じさせるようにしている。
【0029】
表層硬化処理における表層22Aの厚さDbは、紫外線24の強度を調整することで制御される。
詳述すると、Aを光硬化性樹脂2の吸光度、I0を入射光強度、I1を光硬化性樹脂2を透過する透過光強度、Eを比吸光度、Cを光硬化性樹脂2の質量パーセント濃度、Lを光路長、εをモル吸光係数、cを光硬化性樹脂2のモル濃度とすると、ランバート・ベールの法則により、次式(1)が成立する。
A=-log10(I1/I0)=ECL=εcL (1)
【0030】
光硬化性樹脂2が硬化する紫外線強度の閾値を透過光強度I1とし、表層22Aの厚さDbを光路長Lとすることで、上記式(1)に基づいて、表層22Aの厚さDbだけ硬化させるために必要な入射光強度I0が求められる。
【0031】
深部硬化処理においては、紫外線24が光硬化性樹脂2の全体の厚さDaに亘って浸透する入射光強度I
0で照射される。これによって、
図3(C)に示すように、深部22Bが高分子化されて硬化される。
【0032】
なお、発明者らは、光硬化性樹脂2の柔軟性が高いほど、表層22Aの表面22A1に皺による凹凸が形成される傾向にあり、光硬化性樹脂2の柔軟性が低くなると、表面22A1にクラックによる凹凸が形成される傾向にあるとの知見も得ている。
【0033】
次いで、発明者らが行った実験について説明する。
なお、以下の実験は、光硬化性樹脂2に加え、電子線硬化性樹脂についても行われている。
【0034】
[実験1]
発明者らは、まず、光硬化性樹脂として墨インクを用い、当該墨インクに紫外線を照射する実験を行った。
この実験において、岩崎電気株式会社製のメタルハライドランプを備えたコールドミラー集光高圧UV装置(型番号UE061-301)と、低圧水銀灯を備えた低圧UV装置(型番号OC2506)と、の2つの光源を照射装置に用いた。雰囲気の酸素濃度の調節には、窒素パージを用いた。また岩崎電気株式会社製のアイ紫外線積算照度計(型番号UVPF-A1)を用いて、波長254nmにおける照射強度を計測した。酸素濃度は、東レエンジニアリング株式会社製のジルコニア式酸素濃度計(型番号LC-750)を用いて計測した。
墨インクは、開封した容器から取り出してそのまま使用し、又はエタノールで10倍に希釈して用いた。これらの墨インクに対しては、窒素置換を行わなかった。
【0035】
これらの墨インクを、厚さ100μmの易接着PETフィルムに濃度や厚さを変えて塗布することによって複数のサンプルを作成した。希釈していない墨インクは、アプリケータで塗布し、希釈した墨インクは、易接着PETフィルムを斜めにし、スポイトで垂らして塗布し自然乾燥させた。
そして、各サンプルに上記2つの光源の光を順番や回数を変えて照射して墨インクの硬化状態を観察した。
【0036】
図4は、実験1の結果を示す図である。なお、同図において、tは塗布された墨インクが乾燥したときの厚さであり、単位はμmである。
同図によれば、クラックの有無が、複数回の紫外線照射における最初の紫外線照射時の照射強度によって異なることが分かる。
すなわち、同図条件(1)~(4)、(6)に示すように、低圧水銀灯により10mW/cm
2の照射強度で初回の紫外線照射を行った場合、表面に多少なりともクラックが生じた。一方、同図条件(5)に示すように、高圧水銀灯により340mW/cm
2の照射強度で初回の紫外線照射を行うと、表面にはクラックが発生しなかった。
【0037】
同実験1において、黒インクは光重合開始剤を含有していないが、雰囲気の酸素濃度が大気と同等の濃度でも紫外線照射によって黒インクの表層が硬化するようになっている。
そして同図条件(1)~(4)のように、酸素濃度が大気と同等の濃度の場合でも、条件(6)のように、酸素濃度が酸素阻害抑制濃度以下である300ppm以下の場合でも、2回目以降の紫外線照射を340mW/cm2の照射強度で行うことで、黒インクの深部まで硬化することが分かる。
【0038】
[実験2]
次いで、発明者らは、電子線硬化性樹脂に電子線を照射する実験を行った。
本実験では、株式会社アイ・エレクトロンビーム製のアイ・コンパクトEB(型番号EC90/10/50L)を光源に用いた。
電子線硬化性樹脂には、実験1と同様に墨インクを用いた。この墨インクは、開封した容器からそのまま使用し、窒素置換を行わなかった。
この墨インクを、厚さ100μmの易接着PETフィルムにバーコータを用いて60から80μm程度の厚さとなるように塗布することによってサンプルを作成した。
そして、酸素濃度が300ppm以下となった雰囲気下で、各サンプルに電子線を複数回照射し、墨インクの硬化状態を観察した。なお、酸素濃度は、実験1と同様に東レエンジニアリング株式会社製のジルコニア式酸素濃度計(型番号LC-750)を用いて計測した。
【0039】
図5は、実験2の結果を示す図である。なお、同図において、tは塗布された墨インクが乾燥したときの厚さであり、単位はμmである。
同図によれば、クラックの有無が、複数回の電子線照射における最初の電子線照射時の加速電圧、及び搬送速度によって異なることが分かる。
すなわち、同図条件(1)に示すように、最初の電子線照射時の加速電圧が50kVであり搬送速度2m/minである場合には、墨インクの表面に皺が形成された。これに対して同図条件(2)に示すように、最初の電子線照射時の加速電圧が90kVであり搬送速度10m/minである場合には、黒インクの表面に皺が形成されなかった。
【0040】
図6は、電子線が照射される対象物の密度と、当該対象物の電子線の吸収線量の割合との関係を示す図である。
比重1の物質は、密度をそのまま厚さ(μm)に置き換えられるので、
図6のグラフにより、加速電圧が50kVの場合、表面からの厚さが約15μm(すなわち、
図5に示すサンプルの1/4の厚さ)で吸収線量が0%となる。一方、加速電圧が90kVの場合、表面からの厚さが30μm(すなわち、
図5に示すサンプルの1/2の厚さ)で吸収線量が60%となる。
【0041】
したがって、
図5のサンプルにおいては、墨インクの厚さtが60μmなので、最初の電子線照射により表面から厚さが最大でも約15μm(厚さtの25%)が硬化したと推測される。
【0042】
[実験3]
発明者らは、光硬化性樹脂に紫外線、及び電子線を順に照射する実験を行った。この実験3に用いた光硬化性樹脂は、いずれも光重合開始剤を含有しないものを用いている。
本実験では、厚さが10μmの墨インクに、酸素濃度300ppm以下の雰囲気下で、180Wの出力の低圧水銀ランプを用いて紫外線を10秒間照射した。その後、酸素濃度1000ppm以下の雰囲気下で、加速電圧が100kVで吸収線量が50kGyの電子線を照射した。
この結果、墨インクの表面には、2mmサイズのひび割れ構造が確認された。
【0043】
また発明者らは、条件を変えて実験を行った。
すなわち、厚さが10μmの墨インクに、酸素濃度300ppm以下の雰囲気下で、6kWの出力の高圧水銀ランプを用いて紫外線を搬送速度3m/minで照射した。その後、酸素濃度1000ppm以下の雰囲気下で加速電圧が100kVで吸収線量が50kGyの電子線を照射した。
この結果、墨インクの表面には多数の凹凸が形成され、表面が艶消しされた状態となっていることが確認された。
【0044】
また発明者らは、他の条件でも実験を行った。
すなわち、厚さが15μmの白色インクに、酸素濃度300ppm以下の雰囲気下で、200Jの出力のキセノンフラッシュランプを用いて紫外線を10ppsの照射速度で200ショット照射した。その後、酸素濃度200ppm以下の雰囲気下で加速電圧が160kVで吸収線量が200kGyの電子線を照射した。
この結果、白色インクの表面には多数の凹凸が形成され、表面が艶消しされた状態となっていることが確認された。
【0045】
発明者らは、比較実験として、厚さが10μmの透明樹脂に、酸素濃度300ppm以下の雰囲気下で、180Wの出力の低圧水銀ランプを用いて紫外線を10秒間照射した。
この結果、透明樹脂の表面には目立った凹凸が形成されず、艶消し状態とはならなかった。この理由は、透明樹脂の深部にまで紫外線が到達し、10秒間の紫外線照射の間に透明樹脂の全体が硬化されたためと推測される。
【0046】
[実験4]
発明者らは、TMPTA(Trimethylolpropane triacrylate)を用い、紫外線を照射して実験を行った。
本実験では、岩崎電気株式会社製の低圧水銀灯を備えた低圧UV装置(型番号OC2506)を光源に用いた。雰囲気の酸素濃度の調節には窒素パージを用いた。
この装置の照度の計測には、岩崎電気株式会社製のアイ紫外線積算照度計(型番号UVPF-A1)を用い、波長254nmにおける照射強度を計測した。また、酸素濃度は、東レエンジニアリング株式会社製のジルコニア式酸素濃度計(型番号LC-750)を用いて計測した。
TMPTAは、多官能アクリレートの一種であり、開封した容器からそのまま使用、又はエタノールで10倍に希釈して用いた。これらのTMPTAに対しては、窒素置換を行わなかった。
これらのTMPTAを、厚さ100μmの易接着PETフィルムに、濃度や厚さといった条件を変えて可変アプリケータで塗布することによって複数のサンプルを作成した。
そして、酸素濃度が300ppm以下となった雰囲気下で、各サンプルに上記の光源の光を30秒間照射し、各TMPTAの硬化状態を観察した。
【0047】
図7は、実験4の結果を表す図である。
同図によれば、TMPTAにあっては、全体の厚さ(
図7では膜厚と記載)によって、表面の皺の有無が異なることが分かる。
すなわち、同図条件(5)~(8)に示すように、全体の厚さが90μm以上のサンプルでは、深部が未硬化の状態のまま表層のみが硬化し、当該表層の表面に皺が形成された。一方で、同図条件(4)に示すように、全体の厚さが75μmのサンプルでは、深部が未硬化の状態で、表層の表面に皺が形成されなかった。また、全体の厚さが50μm以下のサンプルでは、同図条件(1)~(3)に示すように、深部まで硬化しており、なおかつ、表面には目立った皺が発生しなかった。
【0048】
図8は厚さが10μm相当のTMPTAについての透過率の波長依存性を示す図である。また、
図9は厚さが10μm相当、100μm相当、1000μm相当の各TMPTAについて、透過率の波長依存性を比較した図である。
発明者らは、TMPTAの厚さが5μmとなる条件でサンプルを作成し、このサンプルに、波長254nmの紫外線を40mW/cm
2の照射強度で照射したところ、このサンプルの表面に皺は形成されなかった。
一方、TMPTAの厚さが150μmとなる条件でサンプルを作成し、このサンプルに、波長254nmの紫外線を40mW/cm
2の照射強度で照射したところ、このサンプルの表面には皺が形成された。
これらの2つの結果の違いについて検討する。
【0049】
上述したランバート・ベールの法則を2つの結果に適用すると、
図8に示すように、TMPTAの厚さが10μm相当の場合、波長が254nmの紫外線の透過率は16.5%である。このことから、厚さが5μm相当のTMPTAの表面における紫外線の透過率を100%とした場合、当該TMPTAの表面からの厚さが5μmの個所では、当該紫外線の透過率が40.6%以上と見積もられる。また、5μmの1/2の厚さに相当する表面から2.5μmの箇所では、当該紫外線の透過率は63.7%となる。このため、10秒間の紫外線の照射により、厚さが5μm相当のTMPTAは、深部まで硬化し、これにより表面に皺が形成されなかったと推測される。
【0050】
一方、厚さが150μm相当のTMPTAの場合、波長が254nmの紫外線の透過率は、
図9に示すように、表面からの厚さが150μmの個所で0%となる。また、150μmの1/2の厚さに相当する表面からの厚さが75μmの箇所でも、当該紫外線の透過率がほぼ0%となる。このことから、厚さが150μm相当のTMPTAの場合は、深部が未硬化状態で表層のみが硬化し、表層の硬化の際に収縮が起こり、表面に皺ができたものと推測される。
【0051】
以上のことから、TMPTAにあっては、表面に皺等の凹凸を形成するには、全体の厚さが90μm以上の厚さであることが重要な要素であると推測される。
【0052】
ここで、
図7の条件6のサンプル(フィルタなし、膜厚100μm)において、TMPTAを剥離し、エタノール洗浄を行い、サンプルの表層に形成されている硬化膜の厚さをマイクロメータで複数回の測定を行ったところ、硬化膜の厚みは35μm~50μmであり、全体の厚み(100μm)に対して35%~50%であった。
【0053】
そして発明者らは、同様の実験を繰り返し行い、TMPTAにおいては、全体の厚さが90μm以上であり、かつ、複数回に亘る紫外線照射における最初の紫外線照射によって、全体の厚さの38%~55%の厚さの表層を硬化させることで、表層の表面に十分に皺が形成されることを確認した。
【0054】
さらに発明者らは、この傾向がTMPTA以外の多官能アクリレートでもみられるとの知見を得た。
【0055】
また、発明者らは、多官能アクリレートの光硬化性樹脂において、表面の皺やクラック等による凹凸の形成の有無に対し、全体の厚さの影響は殆どみられないこと、及び、複数回に亘る紫外線照射における最初の紫外線照射によって、全体の厚さの38%~55%の厚さの表層を硬化させることで、表層の表面に皺やクラック等による十分な凹凸が形成される、との知見を得た。
【0056】
ここで、実験4において紫外線照射の対象物として用いたTMPTAと、実験2において電子線照射の対象物として用いた墨インクとは密度が略同じ「1」である。また、
図6を参照して説明したように、電子線照射時に対象物の表層が硬化する厚みは、対象物の密度に依存する。したがって、これらのことから、実験4において、紫外線の代わりに電子線を照射した場合でも、紫外線照射の場合と同様に、全体の厚さの55%程度までの厚さの表層を硬化させることで、表層の表面に十分に皺が形成されると推測される。そして、実験2の結果と合わせて考えると、電子線照射の場合には全体の厚さの25%~55%の厚さの表層を硬化させれば、表層の表面に十分に皺が形成されると考えられる。
【0057】
また、実験1、3及び4により、紫外線照射でも、墨インクやTMPTAの表層の表面に十分な皺を形成できていることを考えると、紫外線、及び電子線のどちらを、対象物に照射した場合であっても、全体の厚さの25%~55%の厚さの表層を硬化させることで、その表層の表面に十分な皺を形成できると考えられる。
【0058】
なお、墨インクやTMPTAは紫外線照射で硬化する光硬化性樹脂であるが、電子線の照射で硬化する電子線硬化性樹脂でも、同様な結果が得られるものと推察される。すなわち、電子線硬化性樹脂に電子線を照射して硬化させる際に、全体の厚さの25%~55%の厚さの表層を硬化させることで、その表層の表面に十分な皺を形成できると考えられる。
また電子線硬化性樹脂は、紫外線の照射でも硬化できるので、紫外線を電子線硬化性樹脂に照射して硬化させる際に、全体の厚さの25%~55%の厚さの表層を硬化させることで、電子線照射時と同様に、その表層の表面に十分な皺を形成できると推察される。
【0059】
図10は、光硬化性樹脂、又は電子線硬化性樹脂の表面に凹凸を形成し、意匠性を持たせることができる光源と光硬化性樹脂又は電子線硬化性樹脂との組み合わせを示したものである。
同図に示すように、光硬化性樹脂又は電子線硬化性樹脂の種類に対して、光源の種類や組み合わせを変えることによって、多数の光硬化性樹脂や電子線硬化性樹脂の表面に凹凸を形成し、意匠性を持たせることが可能である。
【0060】
上述した実施形態によれば、次のような効果を奏する。
【0061】
本実施形態のインクジェット印刷装置6は、硬化工程では、光硬化性樹脂2(インク22)の表層22Aの厚さDbを硬化するように紫外線24を照射することで当該表層22の表面22A1に凹凸を形成した後、光硬化性樹脂2の深部22Bが硬化するように紫外線24を照射した。
これにより、光硬化性樹脂2(インク22)の表面22A1の艶を消す等して意匠性を持たせる工程を、光硬化性樹脂2の硬化工程と別途に設ける必要がなく、皺やクラック等の凹凸により表面22A1に意匠性を持たせることができる。
【0062】
本実施形態では、光硬化性樹脂2(インク22)の表層22Aを、当該インク22の全体の厚さDaの38%以上55%以下の表層22Aの厚さDbで硬化させた。
これにより、光硬化性樹脂2の表面22A1に皺やクラックによる顕著な凹凸を形成できる。
【0063】
なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様の例示であり、本発明の要旨の範囲において任意に変形、及び応用が可能である。
【0064】
上述した実施形態において、樹脂硬化システム1では、硬化工程において、光硬化性樹脂2(インク22)の深部22Bを硬化する際に紫外線24を照射したが、これに限らず、電子線を照射して深部22Bを硬化してもよい。
すなわち、例えば
図11に示すように、電子線を照射する電子線照射装置8を、インクジェット印刷装置6の下流側に設けた樹脂硬化システム100を構成する。そして、インクジェット印刷装置6が光硬化性樹脂2(インク22)の表層22Aの厚さDbを硬化させた後、ワークWが電子線照射装置8へと送り出され、この電子線照射装置8の電子線照射によって光硬化性樹脂2の深部22Bを硬化させる。
なお、この樹脂硬化システム100において、インクジェット印刷装置6に電子線照射装置8を設けてもよい。
【0065】
上述した実施形態において、光硬化性樹脂2として光重合開始剤を含有しない材料を例示したが、これに限らず、光重合開始剤を含有した材料であってもよい。
【0066】
上述した実施形態において、インクジェット印刷装置6は、紫外線24を照射する照射装置12を備えるとしたが、これに限らず、照射装置12が電子線を照射する装置であってもよい。この場合において、光硬化性樹脂2は電子線硬化性樹脂であってもよい。
【0067】
上述した実施形態において、樹脂硬化装置の一例として、インクジェット印刷装置6を備えるとしたが、これに限らず、オフセット印刷装置やフレキソ印刷装置、グラビア印刷装置であってもよい。
【符号の説明】
【0068】
1、100 樹脂硬化システム
2 光硬化性樹脂
6 インクジェット印刷装置(樹脂硬化装置)
8 電子線照射装置
9 窒素パージボックス
12 照射装置
14 印刷制御部
16 光源制御部(制御部)
18 雰囲気制御部
22 インク
22A 表層
22A1 表面
22B 深部
24 紫外線
Da 全体の厚さ
Db 表層の厚さ
W ワーク