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UV固化

发布者:海宁万华 发布时间: 阅读:641

UV固化材料的物理性能实质上是受用来固化它们的烘干系统的影响的。预期性能的获得,不管是保护胶、油墨、还是粘合剂,将依赖于这些灯管的参数、设计和控制的方法。UV灯四个关键的参数是:1.UV辐射度(或密度)
2.光谱分布(波长)
3.辐射量(或UV能量) 4.红外辐射。
相对于最大辐射度或辐射量,以及不同的UV光谱,油墨和保护胶将会展现出很大不同的特性。鉴别不同的UV灯管特性并使它们与可固化材料的光学特性相匹配的能力,扩展了把UV固化作为一种快速、高效的生产过程的范围。
有许多固化系统的光学和物理性能(除它本身的组成之外)影响固化效果,从而导致了UV固化材料外观特性(performance)的不同。
被固化材料的特性
一只UV灯管的效率,决定于发射光子进入可固化材料以启动光可触发分子的难易程度。UV固化决定于光子—分子的碰撞。光可触发分子通过材料均匀地扩散,但光子却不同。除UV光源的特质外,被固化的薄膜还有光学及热动力学特性。它们与辐射能量互相作用,对固化的过程产生了重大影响。
光谱吸收率:能量是物质在逐渐增加的厚度内吸收进波长的作用。表面附近吸收的能量越多,意味着深层得到的能量越少。但这种情况随波长的不同而不同。总的光谱吸收率包括所有来自于光触发剂,单分子物质,齐聚体以及添加剂包括颜料的影响作用。
反射和散射:相对与吸收,光能更多地是被物质(或在物质内)改变方向;这一般是由于可固化材料中的基质材料和/或色素引起的。这些因素减少了到达深层的UV能量,但却改进了在反应之处的固化效率。
光学密度:与吸收相似,它由“不透明度”和薄膜的厚度两个因素构成;包括吸收和散射的光稀释作用;用一个单独的数字来表示,而不是作为光谱的分布。
扩散性:一个热动力学特性包含特定的热量,传导性和密度;材料“扩散”、接受热量的能力;影响由表面骤然进入的红外能量而导致的薄膜和基质的温度的升高。
红外吸收率:温度对固化反应的速率有着重大的影响;尽管反应中的温升也对温度有作用,但来自于UV灯管的辐射(radiant
IR)才是表面热量的根本源头(不是从周围的空气或大气中传输的热量)。过大的温度升高是影响固化过程的重要限制因素之一。
光学厚度涂层和油墨
由于不透明度或色彩强度是我们需要的特性这一事实,油墨和颜料涂层提出了特殊的问题。粘合剂通常也提供相对厚的薄膜。不同于一个薄膜的物理厚度,它的光学厚度是非常重要的。当光能穿进或穿过一种材料时,它的减少是由Beer—Lambert来描述的—在薄膜的上层没有被吸收也没有被反射的光能将穿送并到达薄膜的底层。
光谱吸收性的意义
物质的吸收性随波长的不同而不同。很显然,短的UV波长(200~300nm)会在表面被吸收而根本达不到底层。一般地说,薄膜的厚度是被限制的,对于基质,粘合力才是应具有的首要特性。
即使是光可触发剂也会吸收它所敏感的波长能量,从而阻碍该波长到达深层的光可触发分子。一种光可触发剂对于清漆涂层适用,但对于油墨也许并不是合适的选择。对于油墨,对应于较长波长的光触发剂才是较好的选择。除物理厚度外,光谱吸收性的另一个作用是光学厚度。一个薄膜不可能在一种波长下其光学厚度是厚的,而在另一种波长下是薄的。即使清漆涂层短波长(200~300nm)下的光学厚度也是倾向于较厚的。
当被固化的产品在UV可固化材料之上包含一层“透明”材料时,其吸收性便阻碍了光能。这是层压法、透镜粘合、药品装配,当然,还有DVD粘合,所常用的。
了解“透明”材料的光谱传播特性,以选择穿过它们进行固化的最有效的光谱是很重要的。一般情况下,长波长UV灯的选用,结合长波长的光触发剂,是通过象PC这样的材料进行成功固化的关键。
波长的重要作用
大多的UV固化包含了两种范围的波长同时工作(假如包含IR,3个)。短波长工作于表层,长波长工作于油墨或涂层的深层。这个定理是由于短波长在表层被吸收而不能到达深层的结果。短波曝光的不足会导致表面发粘;长波能量的不足则会导致粘附不良。每一个配方和薄膜的厚度都会从一个恰当的短、长波长能量速率中得到益处。
最基本的汞灯在这两个范围内发射能量,但它在短波长下的强烈发射使它特别适合于涂层和薄油墨层。高吸收性的材料,比如粘合剂和丝网油墨,它们的配方更适合于使用长波光触发剂的长波固化。用来固化这些材料的灯管,包含了添加剂以及汞,这种灯在长波UV下发射的UV更多一些。这些长波灯管也辐射一些短波能量,从而足以应付表层的固化。
许多极特殊的应用,比如对大量含有氧化钛这种颜料添加剂的材料进行固化,或需要穿过塑料或玻璃进行固化,就必须长波固化,因为这些材料几乎完全阻碍了短波。
UV灯的参数特性
影响固化的UV灯性能,可以完全准确地用四个特性联系起来:UV光谱分布,辐射度,辐射量和红外辐射。
1. 光谱分布 它描述作为灯管发射波长功能之一的相辐射能
量或到达表层的辐射能量的波长分布。它常用一个相关标准化的术语来表达。为了显示UV能量的分布,可以把光谱能量合并为10nm的频谱带以形成一个分布表。这样便允许不同UV灯之间的对比以及更易于光谱能量和功率的计算。灯管生产商们公布它们产品的光谱分布数据。
在线检测使用多谱带射线探测仪来使光谱辐射度或辐射量特
性化。他们通过对在相对狭窄(20~60nm)的频带中的辐射能量的采样以获得对光谱分布有用的相对信息。由于不同厂商的射线探测仪的构造不同,对它们做相互比较是有可能的,但很困难。现在还没有这样的标准以使型号、厂家之间进行比较。
2.UV辐射度(Irradiance):辐射度是到达表面单位面积内的辐射功率。辐射度,以每平方厘米瓦特或豪瓦来表示。它随灯管的输出功率、效率、反射系统的聚焦以及到表面的距离不同而不同。(它是灯管及几何形状的特性,故与速度无关。)直接置于UV灯下的高强度、峰值聚焦功率参考为“峰值辐射度”。辐射度包括了所有有关电源功率,效率,辐射输出,反射率,聚焦灯泡尺寸及几何形状的因素。
由于UV可固化材料的吸收特性,到达表层以下的光能量要比表层的要少。在这些区域的固化条件可能有显著不同。光学厚度厚的材料(或者高吸收性,或者物理结构厚,或者两者有之)可能会减少光效率,从而导致材料深层的固化不充分。在油墨或涂层里,表面较高的辐射度会提供相对觉高的光能量。固化的深度更多地是被辐射度影响而不是较长的曝光时间(辐射量)。辐射度的影响对于高吸收性(高不透明度)的薄膜更重要。
高辐射度允许使用较少的光触发剂。光子密度的增加增多了光子—光触发剂的碰撞,从而补偿了光触发剂浓度的减少。这对于较厚的涂层会有效,因为表层的光触发剂吸收和阻碍了同一波长到达深层的光触发剂分子。
3.UV辐射量
到达表面单位面积的辐射能量。辐射量表示到达表面的光子总量(而辐射度则是到达的速率)。在任一给定光源下,辐射量与速度成反比而与曝光的数量成正比。辐射量是辐射度的时间累积,以每平方厘米Joules或转miliJoules表示,(遗憾的是,没有有关辐射度或光谱内容换为以辐射量测量的信息,它仅仅是被曝光表面能量的累积。)它的意义在于它是唯一包括了速度参数和曝光时间参数的特性显现。
4.红外辐射密度:红外辐射主要是由UV源的石英泡发射出来的红外能量。红外能量和UV能量一起被收集并聚焦在工作表层。这决定于IR的反射率和反射器的效率。IR能量可以被转换为辐射量或辐射度单位。但通常,它所产生的表面温度才是被注意的重要之处。它所产生的热量可能有害也可能有益。
结合UV灯解决温度与IR之间关系的技术有许多。可以分为
减少发射,传送和控制热量移动。发射的减少通过使用小直径的灯泡来实现,因为正是hot
quartz的表面区域发射几乎所有的IR。传递的减少可通过在灯管后面使用分色的反射器(cold mirror)来实现;或在灯管与目标之间使用分色窗(hot
mirror)。热量移动降低了目标的温度—但仅仅是在IR已引起了温度升高之后—可使用冷气流或散热装置来控制热量的移动。IR能量的吸收由材料本身决定—油墨、涂层或基片。速度对由入射的IR能量及工作表面吸收的能量引起的温度有重大影响。过程越快,被吸收的IR能量越少,引起温度升高。可通过改进效率来加快生产的过程。
1.大部分的UV光线包含两种UV波长,这两种波长同时工作。短波工作在表面,较长的波作用于油墨或Lacquer深层。这是由于短波的能量被表面吸收而不能进入深层。短波曝光不足会引起表面发粘,而长波能量的不足则可能导致附着困难。
2.CD生产中的UV烘干用于两方面——即保护胶烘干和印刷油墨烘干。
a.
保护胶:保护胶的覆盖几乎都是通过喷射——旋转(spinning)这种方式进行的。然后在UV下曝光。曝光的方式有许多种,大致可分为:旋转或不旋转方式;聚焦、离焦或无焦点方式。
b. 旋转方式:

 

这种方式是把DISC固定在UV灯下进行旋转,置它的表面于在焦或离焦UV灯的一定距离内。尽管旋转方式好像是一个对DISC表面提供均匀曝光的好方式,但也不尽然。假如UV灯在焦点之内或焦点附近,一条强光线将会穿过CD的中心。当光盘旋转时,其中心持续曝光,而边缘只接受到两个短时的“闪照(burst)”UV光。这会导致边缘烘干不好

怎样正确地选用UV固化装置
UV固化装置是能够发出可利用的强紫外线的一种机械设备。它已被广泛应用于印刷、电子、建材、机械等行业。UV固化装置的种类和样式因其所光固的产品不同而有所不同,但其最终的目的是一致的,就是用来固化UV油墨或UV光油。UV固化装置由光源系统、通风系统、控制系统、传送系统和箱体几个部分构成。
一、光源系统
它由UV灯管、灯罩、变压器(镇流器)、电容器(触发器)组成。
1.UV灯管
目前市场上的UV灯分高压汞灯和金属卤素灯两种。国内设备普遍采用高压汞灯,进口设备有一部分采用金属卤素灯。
(1)UV灯功率的选择。UV灯的功率即UV灯光的辐射能量,也称穿透力。首先,它一定要满足UV油墨(光油)吸收的光谱波长及功率密度的要求。若UV灯的功率不够,即使光照时间再长,过UV固化装置的次数再多,产品也达不到完全固化。相反,还会使UV油墨(光油)表层老化、封闭、变脆等,同时油墨(光油)的附着力也不好,会使叠印的层间结合力差。因为低功率的UV灯光不能穿透墨层底部,使底部未固化或固化不充分。
(2)UV灯功率一般要满足80~120W/cm的要求,但功率越大热量也会越大,因此要根据固化物和固化速度不同来选择功率。
(3)UV灯的最大寿命一般为800— 1000小时,达到后即应更换,因为到此时段的UV灯所发射的紫外光线的强度变弱,会影响固化效果。同时建议在使用期内根据生产环境(空气的含尘量)不同,在适当时间用无水乙醇清洁灯管表面及反射罩表面的反射板,再将UV灯管转90°。这样有利于UV射线全部有效辐射到UV油墨或光油上,保证一定的穿透力。
2.反射罩
反射罩的类型有聚焦型、非聚焦型和多面反射型。一般采用的是聚焦型。这种反射罩的结构特点是反射的UV光线能量集中,光固化的效率高,有利于厚墨层的油墨固化,可使油墨的深层完全固化。
在这方面应注意的是反射罩的选材和形状。
(1)选材
一定要选用铝材,而不能为了节约成本而选用铁或不锈钢,因为不锈钢板在高温下会变成黑色,变黑后不但不会起到反光作用,还会吸光。反光效果最好的当属镜面氧化铝板,其反射率可达80%以上,从而大大提高紫外线的利用率。
(2)形状
反射罩的形状是要保证能够把 UV光聚集到一起,所以选用半圆弧的形状最佳。还要注意UV灯管的架设位置,以保证它在焦点上。另外,反射罩是UV灯散热的重要通道,因此要把铝罩的外侧加工成散热器,增大散热面积。
反射罩在UV固化装置中起到非常重要的作用。有些厂家往往忽视了它的作用,而采用一些替代品来充当反射罩,甚至不安装反射罩,这样使UV灯40%—50%的紫外线能量被白白浪费。而有些厂家的应对办法就是一味地提升UV灯的功率,这样做不但不能从根本上解决问题,还会造成更大的电能浪费。
3.变压器
变压器的选择必须与UV灯的功率相配,即变压器必须有足够的输出电压,以保证UV灯能全功率工作。如果输出电压过高会使灯管烧毁;而输出电压过低,灯管又不能全功率工作,从而使紫外线输出强度不足。
4.电容器
电容的选择应与灯管和变压器相配套,根据变压器的输出电压选择所用电容的耐压程度。如果选择不当则会使电容击穿,影响到UV固化装置的正常工作。
二、通风系统
它由风机、引风管、聚风罩组成。这里应注意的是风机的选择和风量的控制及排风的方式。
1.风机的选择要根据UV灯的功率及箱体空间的实际情况来确定。一般要配送风和引风两台风机,但也有只配备一台引风风机的。风机功率不足,排风量不够会导致机箱内温度过高,灯管寿命缩短,甚至熔化,也使固化产品的质量难以得到保障;风机功率如果过大,风量过大会使机箱内温度太低,UV灯不能全功率工作,固化物不易干燥。
2.风量的控制是指UV固化装置的风量应该是可调整的。这是因为要考虑到冬夏的温差很大,很多工厂不具备恒温车间,因此如果UV固化装置在冬季和夏季用同等的风量工作就一定会影响到产品的质量。一般是用温度控制的方法来控制两台风机,达到一定的温度就自动启动一台风机,再达到一定的温度再启动另一台风机,并在排风和进风口上设活口阀门来控制进风和排风的风量。
3.排风的方式是指采取上引风下送风或上送风下引风等方式。但无论何种方式,切勿把风直接吹到 UV灯管上,因为这样做的后果是使 UV灯因热量损失过大而不能全功率工作(灯光由白色变为不刺眼的蓝色),使油墨根本不能干燥。
三、控制系统
它是用来控制整个光固机工作的系统。这里值得注意的是:
1.风机的控制最好由温度自动控制(前节提过),因为由人来控制可能会有疏漏,也不够精确。
2.开机时应先开灯,2—3分钟后再开风机(风机不是温控时)。
3.关机后应当使风机继续运转,直至灯管和箱体冷却。
4.二次起动要等到灯管完全冷却再起动。
四、传送系统
它由调速电机(或变频调速)、传送网带、链条(或传送辊)组成。这里应注意的是速度的调节问题。
固化速度应从两方面宋考虑,一是充分固化,二是以最佳的速度固化。
最佳速度选择方法是:将产品先以某一速度通过UV固化装置,如果固化了,再加快速度,直到通过 UV固化装置出来的产品墨层不能固化为止。这时的速度乘以0.8就是最佳速度。另外还应注意灯管的使用时间,因为随着Uv灯使用能量的衰减,速度也应随之调慢。
五、箱体
箱体的大小是根据UV固化装置应用的产品不同而决定的。这方面应注意的是:要使箱体的表面平整,内部光线能够照射到之处应尽量设夹层,以免箱体外部温度过高烫伤人。外部不应有光线泄露。
总之,为了使UV固化装置能够安全正常的运行,光固化达到最佳的效果,以上几个组成部分都应注意,不可忽视任何一个环节。

 

 
 

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