有望其他波段？UV LED固化機(jī)會(huì)及阻礙分析

說到UV LED固化系統(tǒng)，其主要光源為紫外光發(fā)光二極管（UV LED）。紫外光固化的硬質(zhì)涂層、面漆、重涂層和清漆等都有許多不同的用途。一般來說，這些涂層是透明的，但它們可以被著色或使用其他視覺效果添加劑制成，為所制作的東西提供了大量的物理保護(hù)和美學(xué)吸引力。

首先，UV涂料可以使輕質(zhì)塑料部件具有堅(jiān)硬耐用的外部飾面，從而可以承受灌裝、組裝、運(yùn)輸、長(zhǎng)期使用和惡劣的天氣。這也意味著廉價(jià)的塑料材料可以制作成視覺上極具吸引力的物品，讓人們認(rèn)為這些物品的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于它們的實(shí)際價(jià)值。

由于印刷和裝飾工藝已經(jīng)非常完善，現(xiàn)在是有可能使用機(jī)器讓塑料表面看起來像金屬、木頭或者其他自然材料，或者讓塑料表面顯現(xiàn)出多姿多彩的印刷圖案、LOGO、紋理和符號(hào)。

但通過UV固化涂料，你甚至可以為產(chǎn)品增加額外的特性，如讓表面更易清潔、讓表面耐摩擦、耐磨損、耐污、耐水和耐化學(xué)品；讓表面更閃亮或更不刺眼；讓表面更耐風(fēng)化。

而且許多塑料品的制造都是用于汽車、房屋，和其他一些需要能在陽光下固化的硬質(zhì)涂層的商品。比如你在加油站泵面板上看到的薄膜開關(guān)、觸摸屏、電子簽名墊，還有自然光和背光廣告板、太陽能電池板、汽車內(nèi)飾和汽車外部組件、硬質(zhì)化妝品包裝、五金裝飾、采光百葉窗、極化太陽鏡和電視機(jī)用的液晶顯示屏等。

因?yàn)閁V固化的聚合物涂料的涂裝通常使用液態(tài)涂料，當(dāng)將其接受紫外光照射時(shí)，開始變成交聯(lián)固體。光聚合過程中，紫外光能量在特制的材料中驅(qū)動(dòng)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)。UV固化是這些流程中的一種。

另外液態(tài)的聚合物樹脂暴露在紫外光能量下，在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)形成固體分子鍵。在使硬質(zhì)涂層具備獨(dú)一無二的表面特性方面，這些分子鍵起到了至關(guān)重要的作用。UV固化適合塑料件的加工，因?yàn)樗o予涂料進(jìn)行交聯(lián)固化的能量，而沒有過量的熱量傳遞（過量的熱量傳遞將導(dǎo)致涂層下的塑料工件融化或扭曲）。

UVC在固化有效區(qū)間220nm到260nm

UV固化還具備可以粘附在許多不同基材上的優(yōu)勢(shì)，中壓汞蒸氣燈，包括電極電弧燈和微波燈，已經(jīng)在固化UV硬質(zhì)涂料領(lǐng)域使用了很長(zhǎng)時(shí)間了。UV LED固化讓硬質(zhì)涂料產(chǎn)生了巨大的變化，像結(jié)構(gòu)膠粘劑和光纖涂料。

對(duì)硬質(zhì)涂料有需求的人一直在密切關(guān)注著UV LED。UV LED固化的表面涂料可以用在他們的生產(chǎn)流程中，這一發(fā)現(xiàn)讓塑膠制造商們很是興奮。他們也越來越多地向原材料和設(shè)備供應(yīng)商咨詢關(guān)于UV LED硬化涂層的更多最新信息。

對(duì)于大多數(shù)核心應(yīng)用來說，UV LED固化技術(shù)尚不完備，因?yàn)闆]有足夠的UVC 短波LEDs，漆膜表面的氧阻聚效應(yīng)、稍遠(yuǎn)工作距離時(shí)輻照強(qiáng)度不足等。但是，這一領(lǐng)域的研發(fā)正在持續(xù)推進(jìn)，這會(huì)讓UV LED固化技術(shù)在未來具備更多的可行性，也將更為知名。

UVC是波長(zhǎng)最短而能量最強(qiáng)的紫外光，而UVV則是波長(zhǎng)最長(zhǎng)而能量最弱的紫外光。人們注意到油漆或涂料在表面吸收UVC波段，而UVA和UVV波段則可以穿透至涂層更深處。這種類型的燈（汞燈）的發(fā)射光譜很寬。它發(fā)射所有四個(gè)波段的紫外光，以及可見光和紅外能量。如今的UV LED固化燈則可以只發(fā)射UVA和UVV在365nm和405nm波段區(qū)間的紫外光。在UVC波段最新的進(jìn)展是275和285nm波段

不管使用哪種類型的光引發(fā)劑，它應(yīng)該可以在很寬的波段區(qū)間內(nèi)吸收紫外光能量。應(yīng)用于高性能工業(yè)涂料的光引發(fā)劑，在最初設(shè)計(jì)時(shí)，其最其最有效吸收紫外線的波段區(qū)間在220nm到260nm。不過，它們也可以與稍長(zhǎng)的UVC和UVB波段的紫外光發(fā)生反應(yīng)。這些光引發(fā)劑通常不會(huì)吸收任何UVA光線，用UV LED對(duì)硬質(zhì)涂層進(jìn)行固化的一個(gè)大問題，就是商用LED發(fā)射的長(zhǎng)波UVA波段和硬質(zhì)涂層固化所需的短波UVC波段的兼容性不足。

在非硬質(zhì)涂層市場(chǎng)上，UV LED燈可以用于固化油墨、涂料和粘合劑，配方設(shè)計(jì)師們只能使用那些可以與更長(zhǎng)波長(zhǎng)的UVA波段配伍的光引發(fā)劑。與顏料配伍的光引發(fā)劑所導(dǎo)致的黃變是很難遮蓋的，或者可以與其他化學(xué)性質(zhì)不同的非黃變光引發(fā)劑混合。

目前已有新的研究開發(fā)出可以用LED固化，具有競(jìng)爭(zhēng)性的線速度，用于圖片涂層的透明罩光清漆（OPVs），這種罩光清漆具有可接受的非黃變性，可用于保護(hù)許多印刷標(biāo)簽和包裝品。不幸的是，這種罩光清漆不能使用可與UVC反應(yīng)的更好的光引發(fā)劑，這就意味著，我們不可能使用現(xiàn)在的長(zhǎng)波LED燈來得到更具耐久性的硬質(zhì)涂層。

當(dāng)光引發(fā)劑吸收紫外光，它們將產(chǎn)生自由基（R自由基與樹脂分子進(jìn)行鍵合，形成連續(xù)的聚合物長(zhǎng)鏈）。

當(dāng)空氣中的氧氣分子（O2）進(jìn)入到UV交聯(lián)過程時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)被稱為“氧阻聚”的過程。在大多數(shù)情況下，氧阻聚只是發(fā)生在涂層表面，會(huì)削弱自由基并降低了自由基的總體濃度。對(duì)氧阻聚敏感的配方往往表面聚合反應(yīng)不完全，從而使其表面發(fā)粘、黏連或油膩。

如果有足夠的UVC波段來去除空氣中的氧氣，許多采用汞蒸氣燈固化的涂裝應(yīng)用都可以隔絕氧阻聚的影響。人們經(jīng)常使用UVC光源，因?yàn)樗N(yùn)含大量能量，能很容易在涂層表面，就被光引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基所吸收。這就可以讓引發(fā)劑產(chǎn)生足夠多的自由基來置換哪些被氧氣猝滅的（淬滅）或被氧氣所削弱的（清掃）的自由基。如果沒有UVC波段或者能量太低，那么改變涂裝環(huán)境、調(diào)整配方或燈頭的配置都可以改善涂層的表面固化。

例如，假如你用非反應(yīng)性的氣體，如氮?dú)?，淹沒涂層表面。這種情況下，非反應(yīng)性的氣體就將氧氣從該區(qū)域移除，進(jìn)而阻止了氧氣對(duì)反應(yīng)的阻礙?；蛘撸瑢⑼繉釉龊窕蜃屚繉痈吵?，使氧氣更難進(jìn)入涂層，從而使自由基更易搭建涂層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這就可以實(shí)現(xiàn)涂層從底部到最上表面的完全固化。也可以提高光敏劑和其他反應(yīng)性化學(xué)品的濃度來得到更多的自由基。紫外光系統(tǒng)的輻照度和光密度的提升也可以產(chǎn)生更多的自由基。

UV LED比汞燈更容易提供輻照度

通常UV LED比汞燈更容易提高輻照度。表面硬質(zhì)涂層也必須處理帶有很陡峭或很深輪廓的立體部件；這是它本身的另一個(gè)問題。在燈頭和所有的工件之間必須是視線可直達(dá)，才能固化；對(duì)于網(wǎng)狀和平面輪廓部件，這不是大問題，但在某些情況下，就不同了。

由于工件的形狀變得越來越復(fù)雜，燈頭必須從工件表面搬離一定距離以提供足夠的間隙。這時(shí)候，就需要在不同角度的多燈頭設(shè)置來對(duì)3D部件進(jìn)行全面的UV覆蓋。在固化燈之前的、具有網(wǎng)式抖動(dòng)與反彈的部件涂裝和網(wǎng)式涂裝，通常有50毫米（2英寸）的焦距。通過這種方式，燈頭前的紫外光能量就集聚到你所設(shè)置的焦距上

UV LED固化系統(tǒng)組成了一個(gè)發(fā)光二極管的平面矩陣，所有二極管的最強(qiáng)光照都在燈具發(fā)射窗附近。對(duì)于web應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)系統(tǒng)，卷筒紙的張力和對(duì)滾輪的固化消除了顫振，GEW電極弧光燈系統(tǒng)使用3毫米（0.12英寸）的焦距。

UV LED燈產(chǎn)生的光線以一個(gè)120°的波束角從平面發(fā)射窗射出。當(dāng)光線離開LED燈頭時(shí)，它們會(huì)分裂。射線的擴(kuò)散降低了紫外線的濃度，從而降低了到達(dá)需要固化的表面的輻照度。

該配方需要一定的輻照度才能產(chǎn)生自由基并引起交聯(lián)。市售的UV LED燈和汞蒸氣燈相比，具有高得多的輻照峰值。不過，隨著距離增加，輻照量級(jí)迅速降低。一般來說，市售UV LED燈具生產(chǎn)時(shí)，都要保證燈頭盡可能地接近網(wǎng)或工件表面，就是由于這個(gè)原因。在某些情況下，一些制造的化學(xué)品需要較少的光以得到更好的效果，或者采用反射鏡和光學(xué)組件來在更遠(yuǎn)的距離上對(duì)光線進(jìn)行校準(zhǔn)。

目前固化最佳方式

從電子學(xué)的角度看，在UVC范圍內(nèi)，最好的LED波長(zhǎng)在275-285nm之間。如果想要使用硬質(zhì)涂層化學(xué)品，就應(yīng)該遠(yuǎn)離220nm到260nm的波段。但是原型固化系統(tǒng)的輻射已經(jīng)達(dá)到了4瓦/cm2。

我們應(yīng)該考慮到，雖然UV LED具有比汞燈更高的UVC輻射。但如果離開燈頭25到100mm，其輻照峰值將會(huì)降低到非常低的水平（1-4英寸）。

因此，短波的UVC-LED燈并不能滿足所有的成本、可靠性和生活需要。許多人沒有意識(shí)到UVA-LED燈在15年之前也有同樣的問題，但隨著人們的努力和創(chuàng)新，這些問題都解決了。再過5到10年，UVC-LED有望將會(huì)沿著與UVA-LED過去15年相似的道路前進(jìn)。

隨著UV LED固化系統(tǒng)和UV LED化學(xué)品的持續(xù)創(chuàng)優(yōu)，它們將會(huì)與表面硬質(zhì)涂層和塑料裝飾涂層越來越兼容。這就意味著現(xiàn)在使用硬質(zhì)涂層的人們，很快就可以享受到UV LED固化技術(shù)的許多好處，如更長(zhǎng)的光源壽命、更好的過程控制，以及更少的熱量轉(zhuǎn)移到工件。

在那之前，汞蒸氣燈和弧光/LED的雜化混合方案仍然是固化UV硬質(zhì)涂層的最佳方式，因?yàn)樗鼈冞\(yùn)作得最好。另一方面，現(xiàn)有的用戶應(yīng)該持續(xù)與供應(yīng)商談?wù)撍麄儗?duì)UV LED技術(shù)的興趣，因?yàn)?，市?chǎng)需求是影響管理團(tuán)隊(duì)將資金放在研究和開發(fā)上的一個(gè)重要因素。

銀月光科技深耕健康智慧光源，向市場(chǎng)提供全品類紫外UVA UVB UVC LED，紅外，IR LED VCSEL產(chǎn)品和方案服務(wù)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)擁有數(shù)百家優(yōu)質(zhì)合作伙伴，共同推動(dòng)用光科技創(chuàng)造健康智慧生活的事業(yè)。

審核編輯 黃昊宇