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专业知识分享—谈谈UV LED固化工艺中固化因素的选择与控制

  对于UV LED 光源,UV输出是由波长(nm)、辐照度(W/cm²)和能量密度(J/cm²)来表征的。了解这三个因素在特定的生产条件下与UV LED的油墨、涂料和粘合剂相互作用,对于开发可控的固化应用,并确保成功至关重要。UV LED固化的一个关键优点是,一旦为特定应用建立了这三个因素的最佳组合,一套匹配和设计恰当的紫外线固化光源系统,将可以一直提供稳定、可靠和可重复的UV输出。

  

  UV LED光源系统发射的波长相对单一,表现为窄的钟形分布,标称峰值辐照度目前为365、385、395和405nm,如图1所示。峰值所处的波长以及分布形状取决于制造二极管的原始材料结构,在二极管制成后不可调节。虽然可以在单个UV LED设备中对两个或多个波长分布进行混合,但大多数固化系统通常只包含一个波长分布。因为不同的材料结构,目前365nm的最大辐照度比三个较长波长弱大约20%,这从图中其较短的峰值可以看出。

  与峰值波长不同,辐照度和能量密度都是UV LED输出的高度可变指标。光源发射窗口和基材固化表面的指标数据,由灯头整体设计中的诸多因素所决定。辐照度和能量密度因产品型号而异,通常对于指定系统可调节,且很大程度上受到安装时配置的影响。这种可调节的优点是,它允许用户精确而有效地优化制造工艺过程。

  对于UV LED固化系统,峰值辐照度不应被看作动态制造工艺过程中能量密度的指标,这些值应由供应商给出,并可测量得到,然后可以推断出与所需生产制造条件相匹配的其他数据点。在报告辐照度和能量密度时,应该始终给出测量仪器、参数设置,和数据收集方式的信息,因为这三个指标对观测值都存在影响。


  我们首先需要辨析两个概念:辐照度是峰值功率,能量密度是总输送的能量。用数学术语来说,能量密度是辐照度在一段时间之内的积分,由辐照度/时间图形中所包含的面积来表示。

  图2(a)是在UV LED灯下固定垂直工作距离上,固化表面上的一个点(沿x轴)水平移动情况下的图形表示。曲线上的每个点,是固化表面在每个时刻所经历的辐照度。曲线下方的区域面积是发射出的总能量密度。如图2(b)所示,具有相同峰值辐照度的UV LED系统,并不总是提供相同的能量密度。

  请注意,(b)中的四个不同场景下的所包含的面积并不相同。最外层场景具有最大的面积,也就是可提供最大的能量密度;而最内层的情况则包含最小的面积,提供的能量密度最小。

  两个具有不同辐照度的系统也可以提供相同的总能量密度,如图2(c)所示。一条曲线的峰值辐照度是另一条曲线的一半;然而两条曲线所包含的面积——也就是能量密度——是相同的。能够产生这种结果的其中一种灯头设计区别是,较高峰值UV LED发射窗口的宽度,是较低峰值发射窗口宽度的一半。

  这三个例子说明了,在将UV LED系统与应用相匹配时,理解发射和所获得的辐照度,及能量密度的影响的重要性,以及为什么并非所有UV LED系统在实验室装置或商用配置中的行为表现都相同。

  油墨、涂料和粘合剂经过配制,在特定工艺条件下对给定的UV LED输出发生化学反应。对于每个应用和配方,都有一个UV工艺窗口,能够实现可接受的固化效果。此窗口并不窄,但存在一组最佳波长,以及最小和最大辐照度,和能量密度的组合,从而可以得到适当的固化效果。

  始终保持在此工艺窗口内运行,从而确保最佳的传送速度、不粘的表面、足够的附着力、充足的固化效果、固化后的最少迁移,和所需要的产品寿命,以及其他所要求的性能指标。为给定的应用,建立和维护UV固化工艺窗口,对于持续的最佳产出效率和得到高质量产品非常重要。

  当UV能量输出与应用需求有正确的匹配,并与恰当配制的油墨、涂料或粘合剂搭配时,UV LED技术表现良好。但遗憾的是,没有一个通用的UV LED系统或工艺窗口适用于所有应用场景。应选择合适的UV LED解决方案及能量输出,用于配方产品、工厂或车间环境,以及物料处理系统的配置和传送速度。

  UV LED技术的一个好处是,LED本身的离散特性允许对固化系统进行更宽广范围的设计,从而更好地满足每个独特应用的需求。这使得外形规格和UV输出,都能针对各自的市场和应用进行定制,从而使其与传统固化技术相比可实现更高效、更经济的UV LED固化解决方案。

      下面谈谈UV LED 的应用演进。

  UV数字喷墨的针固化,和采用扫描及单通道方式打印机的全固化,以及胶粘剂的点固化,是首批将UV LED固化用于打印和粘合过程的应用。许多早期安装的系统都是混合装置,利用了传统固化的某些特点,同时和UV LED相结合。这些早期采用者的应用市场,采用较慢的线速度和更长的工件处理时间,因此在2000年代中期成功启用了UV LED技术。其制造工艺方法允许在静态装置中通过更长的曝光时间,以及动态装置中的多次固化来积累达到足够的能量密度。

  设备还让UV LED灯头可以在离固化表面10mm范围内进行安装,并且通常对每台机器中灯的总数和长度的要求较低。与更大、更宽的高速商业印刷机相比,只需要一两个较小的灯就足够,商业上的投资更少。所有这些因素都至关重要,因为早期的UV LED系统能量不够高,而且往往比传统设备昂贵得多。

  在过去的15年中,UV LED技术在性能、可靠性、使用寿命和输出方面都有了显著提高。此外,还针对UV LED的输出方面进行了更多的配方优化。市场也学会了理解和设计工艺窗口。由于规模经济的发展,以及整个供应链的竞争加剧,设备和配方的价格也得到了降低。这使得UV LED固化技术能够超越UV数字喷墨针固化和点固化应用的需求,进入更苛刻、更高速、更广泛的商业应用——包括模拟和数字技术。


  如左表1列出了当今越来越多使用UV LED技术的应用领域。尽管各个具体领域的市场渗透程度不同,UV LED不一定适用于每个细分市场中的所有应用,但随着时间的推移,这一技术将持续得到发展和进步。不同的UV LED灯设计,以及针对特定应用的配方设计,使这些不同的印刷、涂料和粘接工艺成为可能。

  基于这些配合的要求,对于每个应用的相关各方之间必须存在一个很强的工作关系连接,包括UV LED固化系统供应商、配方商、OEM机器制造商、集成商和终端用户。在所有场景下,通常可以通过一些试错,以及工艺优化来实现可行的UV LED解决方案。这一切都可以归结为对工艺变量的优化,并将UV LED系统与应用、配方和物料处理设备相匹配。

  现在有越来越多的大量UV LED固化系统和供应商可供选择。他们所宣传的产品特性和操作优点都非常相似,其中最明显的区别通常是峰值辐照度、冷却方式,和灯的外形等因素。但仅了解这些知识还不足以将UV LED固化系统与特定应用相匹配,并且技术规格表格中也很少解释哪种产品最适合哪种应用,以及为什么。在选择和应用相匹配的UV LED固化系统时,应该考虑到以下这些一般性的指导准则。

       1、最终固化性能。对于最终固化后所需的物理和外观特性,以及产品目标用途,都应该十分明确。这将有助于推动配方的化学考量,甚至当前是否适合使用UV LED固化解决方案。例如,油墨、光油和粘合剂通常用LED都可以固化良好,并可满足大多数图形打印要求。然而,有机硅剥离和工业加硬涂层的应用则仍在开发中,距离大规模商业可用性至少还有三到五年的时间。

      2、波长。商业应用的固化波长目前包括365、385、395和405nm。对于大多数油墨应用,395nm是首选波长,较少使用365和385nm波长。胶粘剂通常最适合365或405nm,具体情况取决于配方,不过它们在385或395nm下也同样能够固化。罩光油通常与油墨应用的395nm波长相匹配,但当涉及到工业涂料(无论是功能性还是加硬)时,则没有共识,因为这些应用的开发还处于起步初级阶段。

      3、辐照度窗口。配方必须在最小和最大峰值辐照度(W/cm²)之间都能固化。低于最小辐照度会导致固化不足,增加辐照度超过最大峰值时的固化,不一定就能带来更好的固化效果。只要灯能够发射足够的能量密度,在已建立的辐照度窗口内总能得到好的固化效果。

       没有一个通用的辐照度可以满足所有配方的需求。每个应用都不同,最佳发射辐照度窗口从几百mW/cm²,到20甚至30瓦/cm²间的任意值都有可能。同时,比LED灯所发射的辐照度更重要的是,被传送到固化基材表面的实际辐照度,因为辐照度会随着光经过距离的增加而迅速降低。

       4、能量密度窗口。配方和生产线速度决定了所需的能量密度(J/cm²)。更高的能量密度通常能得到更好的整体固化效果,线速度更快,有时还可以使用较低的峰值辐照度。并非所有发出相同峰值辐照度的系统都能提供相同的能量密度。

  通过使用设计过的灯具系统可以得到更大的能量密度,包括同时使用多个灯,降低线速度,或增加曝光时间。

       5、工作距离。这被定义为UV LED发射窗口到固化表面之间的距离。必须为应用和机器设置来指定工作距离,因为辐照度会随距离的增加而迅速降低。为了适应更大的工作距离,可以考虑功率更大的灯(更高辐照度或/和更高能量密度),或者采用光学或反射罩的LED解决方案。

       6、冷却系统。工厂环境、OEM厂家或终端用户的偏好,以及UV LED系统本身的设计,决定了冷却系统的构成(气冷或水冷)。并非所有UV LED设备都提供风冷的选择。高功率系统通常采用水冷方式。

       7、安装空间。安装位置和机器设置决定了UV LED灯头的所需空间。水冷系统通常比风冷系统更紧凑。空气冷却系统对空气出入口周围有最小空间的要求,因为要确保空气的充分循环。

       8、光学和屏蔽罩。灯具相对于不应该被固化区域的距离和朝向,会影响光学部件和屏蔽罩的使用。应特别小心地确保紫外线被阻挡在了数字喷墨打印头、墨水和涂布盘以及机器上的热敏材料以外。此外,所有光线都应被阻挡在操作员的任何直接照射之外。

       9、极端的异形工件情形。具有极端异形工件的场景下,固化表面或生产线要求LED灯安装在更远一些的距离(几英寸或更多)。这对于要求特别坚硬,耐划伤,和耐化学性的UV LED面涂仍然是有一定挑战的,而且在可预见的未来仍然应被视为尚在开发中的需求。

  UV LED技术在未来几年将持续的不断发展,而且无疑在越来越多的应用中得到了很好的匹配。尽管无法在前面列出的应用清单中都采用完全可互换的相同固化系统来进行替代,但确实也存在可以满足许多应用需求的独特UV LED解决方案。虽然OEM可在购买前为买家进行LED固化设备和配方的匹配,但我们始终建议用户通过测试或参考以前的安装,来确认采用了正确的固化系统,并对自己工艺的具体需求有真实而准确的匹配。根据本文所提供的指引,并同UV LED固化系统供应商、配方商、OEM机器制造商、集成商和终端用户进行密切配合,从而确保能够得到更加成功的UV LED固化整体系统。

(摘自“光固化新材料”

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