中文編譯：杜鵬，潤奧化工

英文原文作者：Jennifer Heathcote, Eminence UV

原英文標(biāo)題：State of UV LED Curing Applications

　　能夠運(yùn)用UV LED應(yīng)用的名單在連續(xù)增長——由于支持這些應(yīng)用的系統(tǒng)供應(yīng)商、配方商和OEM設(shè)備制造商的數(shù)量始終在增長。這種連續(xù)增長預(yù)示著UV LED技術(shù)發(fā)展的整體市場方向。因此呢，倘若你還無去認(rèn)識過UV LED是不是適合自己固化需要的話，那樣此刻可能是時候起始認(rèn)識了。本文旨在對新來者，和哪些始終在跟蹤或乃至運(yùn)用了該技術(shù)數(shù)年的人，供給對持續(xù)增長的UV LED市場空間的洞察，并就怎樣將UV LED固化系統(tǒng)與特定應(yīng)用的需要相匹配，供給通常性的指點(diǎn)。

UV輸出

　　UV輸出是由于波長(nm)、輻照度(W/cm2)和能量密度(J/cm2)來表征的。認(rèn)識這三個原因怎樣在特定的生產(chǎn)要求下與UV LED的油墨、涂料和粘合劑相互功效，針對研發(fā)可控的固化應(yīng)用，并保證成功至關(guān)重要。UV LED固化的一個關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是，一旦為特定應(yīng)用創(chuàng)立了這三個原因的最佳組合，一套匹配和設(shè)計恰當(dāng)?shù)淖贤饩€固化光源系統(tǒng)，將能夠始終供給穩(wěn)定、靠譜和可重復(fù)的UV輸出。

圖1.UV LED的相對波長分布狀況

　　UV LED光源系統(tǒng)發(fā)射的波長相對單一，表現(xiàn)為窄的鐘形分布，標(biāo)叫作峰值輻照度日前為365、385、395和405nm，如圖1所示。峰值所處的確切波長以及分布形狀完全取決于制造二極管的原始材料結(jié)構(gòu)，并在二極管理成后不可調(diào)節(jié)。雖然能夠在單個UV LED設(shè)備中對兩個或多個波長分布進(jìn)行混合，但大都數(shù)固化系統(tǒng)一般只包括一個波長分布。由于區(qū)別的材料結(jié)構(gòu)，日前365nm的最大輻照度比三個較長波長弱大約20%，這從圖中其較短的峰值能夠看出。

　　與峰值波長區(qū)別，輻照度和能量密度都是UV LED輸出的高度可變指標(biāo)。光源發(fā)射窗口和基材固化表面的指標(biāo)數(shù)據(jù)，由燈頭整體設(shè)計中的許多原因所決定。輻照度和能量密度因制品型號而異，一般針對指定系統(tǒng)可調(diào)節(jié)，且很大程度上受到安裝時配置的影響。這種可調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是，它準(zhǔn)許用戶精確而有效地優(yōu)化制造工藝過程。

針對UV LED固化系統(tǒng)，峰值輻照度不該被看作動態(tài)制造工藝過程中能量密度的指標(biāo)。相反，這些值應(yīng)由供應(yīng)商給出，并可測繪得到。而后能夠推斷出與所需生產(chǎn)制造要求相匹配的其他數(shù)據(jù)點(diǎn)。在報告輻照度和能量密度時，應(yīng)該始終給出測繪儀器、參數(shù)設(shè)置，和數(shù)據(jù)收集方式的信息，由于這三個指標(biāo)對觀測值都存在影響。

圖2.動態(tài)輻照度剖面。圖表由EminenceUV供給

咱們首要需要辨析兩個概念：輻照度是峰值功率，能量密度是總傳送的能量。用數(shù)學(xué)術(shù)語來講，能量密度是輻照度在一段時間之內(nèi)的積分，由輻照度/時間圖形中所包括的面積來暗示。

圖2(a)是在UV LED燈下固定垂直工作距離上，固化表面上的一個點(diǎn)(沿x軸)水平移動狀況下的圖形暗示。曲線上的每一個點(diǎn)，是固化表面在每一個時刻所經(jīng)歷的輻照度。曲線下方的區(qū)域面積是發(fā)射出的總能量密度。如圖2(b)所示，擁有相同峰值輻照度的UV LED系統(tǒng)，并不總是供給相同的能量密度。

　　請重視，(b)中的四個區(qū)別場景下的所包括的面積并不相同。最外層場景擁有最大的面積，亦便是可供給最大的能量密度；而最內(nèi)層的狀況則包括最小的面積，供給的能量密度最小。

兩個擁有區(qū)別輻照度的系統(tǒng)亦能夠供給相同的總能量密度，如圖2(c)所示。一條曲線的峰值輻照度是另一條曲線的一半；然而兩條曲線所包括的面積——亦便是能量密度——是相同的。能夠產(chǎn)生這種結(jié)果的其中一種燈頭設(shè)計區(qū)別是，較高峰值UV LED發(fā)射窗口的寬度，是較低峰值發(fā)射窗口寬度的一半。

這三個例子說明了，在將UV LED系統(tǒng)與應(yīng)用相匹配時，理解發(fā)射和所得到的輻照度，及能量密度的影響的重要性，以及為何并非所有UV LED系統(tǒng)在實(shí)驗室安裝或商用配置中的行徑表現(xiàn)都相同。

　　油墨、涂料和粘合劑經(jīng)過配制，在特定工藝要求下對給定的UV LED輸出出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。針對每一個應(yīng)用和配方，都有一個UV工藝窗口，能夠?qū)崿F(xiàn)可接受的固化效果。此窗口并不窄，但存在一組最佳波長，以及最小和最大輻照度，和能量密度的組合，從而能夠得到適當(dāng)?shù)墓袒Ч?p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;">

始終保持這里工藝窗口內(nèi)運(yùn)行，從而保證最佳的傳送速度、不粘的表面、足夠的附著力、充足的固化效果、固化后的最少遷移，和所需要的制品壽命，以及其他所需求的性能指標(biāo)。為給定的應(yīng)用，創(chuàng)立和守護(hù)UV固化工藝窗口，針對連續(xù)的最佳產(chǎn)出效率和得到高質(zhì)量制品非常重要。

　　當(dāng)UV能量輸出與應(yīng)用需要有正確的匹配，并與恰當(dāng)配制的油墨、涂料或粘合劑搭配時，UV LED技術(shù)表現(xiàn)良好。但遺憾的是，無一個通用的UV LED系統(tǒng)或工藝窗口適用于所有應(yīng)用場景。應(yīng)選取合適的UV LED處理方法及能量輸出，用于配方制品、工廠或車間環(huán)境，以及物料處理系統(tǒng)的配置和傳送速度。

　　UV LED技術(shù)的一個好處是，LED本身的離散特性準(zhǔn)許對固化系統(tǒng)進(jìn)行更寬廣范圍的設(shè)計，從而更好地滿足每一個獨(dú)特應(yīng)用的需要。這使得外形規(guī)格和UV輸出，都能針對各自的市場和應(yīng)用進(jìn)行定制，從而使其與傳統(tǒng)固化技術(shù)相比可實(shí)現(xiàn)更有效、更經(jīng)濟(jì)的UV LED固化處理方法。

圖3.在寬幅涂布機(jī)上的UV LED

應(yīng)用演進(jìn)

　　UV數(shù)字噴墨的針固化，和采用掃描及單通道方式打印機(jī)的全固化，以及膠粘劑的點(diǎn)固化，是首批將UV LED固化用于打印和粘合過程的應(yīng)用。許多初期安裝的系統(tǒng)都是混合安裝，利用了傳統(tǒng)固化的某些特點(diǎn)，同期和UV LED相結(jié)合。

　　這些初期采用者的應(yīng)用市場，采用較慢的線速度和更長的工件處理時間，因此呢在2000年代中期成功啟用了UV LED技術(shù)。其制造工藝辦法準(zhǔn)許在靜態(tài)安裝中經(jīng)過更長的揭發(fā)時間，以及動態(tài)安裝中的多次固化來累積達(dá)到足夠的能量密度。

設(shè)備還讓UV LED燈頭能夠在離固化表面10mm范圍內(nèi)進(jìn)行安裝，并且一般對每臺設(shè)備中燈的總數(shù)和長度的需求較低。與更大、更寬的高速商場印刷機(jī)相比，只需要一兩個較小的燈就足夠，商場上的投資更少。所有這些原因都至關(guān)重要，由于初期的UV LED系統(tǒng)能量不足高，況且常常比傳統(tǒng)設(shè)備昂貴得多。

在過去的15年中，UV LED技術(shù)在性能、靠譜性、運(yùn)用壽命和輸出方面都有了明顯加強(qiáng)。另外，還針對UV LED的輸出方面進(jìn)行了更加多的配方優(yōu)化。市場亦學(xué)會了理解和設(shè)計工藝窗口。因為規(guī)模經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及全部供應(yīng)鏈的競爭加劇，設(shè)備和配方的價格亦得到了降低。這使得UV LED固化技術(shù)能夠超越UV數(shù)字噴墨針固化和點(diǎn)固化應(yīng)用的需要，進(jìn)入更苛刻、更高速、更廣泛的商場應(yīng)用——包含模擬和數(shù)字技術(shù)。

表1.UV LED技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)

表1列出了當(dāng)今越來越多運(yùn)用UV LED技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)。盡管各個詳細(xì)行業(yè)的市場滲透程度區(qū)別，UV LED不必定適用于每一個細(xì)分市場中的所有應(yīng)用——但隨著時間的推移，這一技術(shù)將連續(xù)得到發(fā)展和進(jìn)步。區(qū)別的UV LED燈設(shè)計，以及針對特定應(yīng)用的配方設(shè)計，使這些區(qū)別的印刷、涂料和粘接工藝作為可能。

　　基于這些協(xié)同的需求，針對每一個應(yīng)用的關(guān)聯(lián)各方之間必須存在一個很強(qiáng)的工作關(guān)系連接——包含UV LED固化系統(tǒng)供應(yīng)商、配方商、OEM設(shè)備制造商、集成商和終端用戶。在所有場景下，一般能夠經(jīng)過有些試錯，以及工藝優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)可行的UV LED處理方法。這一切都能夠歸結(jié)為對工藝變量的優(yōu)化，并將UV LED系統(tǒng)與應(yīng)用、配方和物料處理設(shè)備相匹配。

將UV LED系統(tǒng)與應(yīng)用、配方和物料處理設(shè)備相匹配

此刻有越來越多的海量UV LED固化系統(tǒng)和供應(yīng)商可供選取。她們所宣傳的制品特性和操作優(yōu)點(diǎn)都非常類似，其中最顯著的區(qū)別一般是峰值輻照度、冷卻方式，和燈的外形等原因。不幸的是，僅認(rèn)識這些知識還不足以將UV LED固化系統(tǒng)與特定應(yīng)用相匹配，并且技術(shù)規(guī)格表格中亦很少解釋哪種制品最適合哪種應(yīng)用，以及為何。在選取和應(yīng)用相匹配的UV LED固化系統(tǒng)時，應(yīng)該思慮到以下這些通常性的指點(diǎn)準(zhǔn)則。

最后固化性能

針對最后固化后所需的理學(xué)和外觀特性，以及制品目的用途，都應(yīng)該非常知道。這將有助于推動配方的化學(xué)考量，乃至當(dāng)前是不是適合運(yùn)用UV LED固化處理方法。例如，油墨、光油和粘合劑一般用LED都能夠固化良好，并可滿足大都數(shù)圖形打印需求。然而，有機(jī)硅剝離和工業(yè)加硬涂層的應(yīng)用則仍在研發(fā)中，距離大規(guī)模商場可用性最少還有三到五年的時間。

波長

　　商場應(yīng)用的固化波長日前包含365、385、395和405nm。針對大都數(shù)油墨應(yīng)用，395nm是首選波長，較少運(yùn)用365和385nm波長。膠粘劑一般最適合365或405nm，具體狀況取決于配方，不外它們在385或395nm下亦一樣能夠固化。罩光油一般與油墨應(yīng)用的395nm波長相匹配，但當(dāng)觸及到工業(yè)涂料(無論是功能性還是加硬)時，則無共識，由于這些應(yīng)用的研發(fā)還處在起步初級周期。

輻照度窗口

　　配方必須在最小和最大峰值輻照度(W/cm2)之間都能固化。小于最小輻照度會引起固化不足，增多輻照度超過最大峰值時的固化，不必定就能帶來更好的固化效果。只要燈能夠發(fā)射足夠的能量密度，在已創(chuàng)立的輻照度窗口內(nèi)總能得到好的固化效果。不幸的是，無一個通用的輻照度能夠滿足所有配方的需要。

每一個應(yīng)用都區(qū)別，最佳發(fā)射輻照度窗口從幾百mW/cm2，到20乃至30瓦/cm2間的任意值都有可能。同期，比LED燈所發(fā)射的輻照度更重要的是，被傳送到固化基材表面的實(shí)質(zhì)輻照度，由于輻照度會隨著光經(jīng)過距離的增多而快速降低。

能量密度窗口

　　配方和生產(chǎn)線速度決定了所需的能量密度(J/cm2)。更高的能量密度一般能得到更好的整體固化效果，線速度更快，有時還能夠運(yùn)用較低的峰值輻照度。并非所有發(fā)出相同峰值輻照度的系統(tǒng)都能提供相同的能量密度。

　　經(jīng)過運(yùn)用設(shè)計過的燈具系統(tǒng)能夠得到更大的能量密度，包含同期運(yùn)用多個燈，降低線速度，或增多揭發(fā)時間。

工作距離

　　這被定義為UV LED發(fā)射窗口到固化表面之間的距離。必須為應(yīng)用和設(shè)備設(shè)置來指定工作距離，由于輻照度會隨距離的增多而快速降低。為了適應(yīng)更大的工作距離，能夠思慮功率更大的燈(更高輻照度或/和更高能量密度)，或采用光學(xué)或反射罩的LED處理方法。

冷卻系統(tǒng)

　　工廠環(huán)境、OEM廠家或終端用戶的偏好，以及UV LED系統(tǒng)本身的設(shè)計，決定了冷卻系統(tǒng)的形成(氣冷或水冷)。并非所有UV LED設(shè)備都供給風(fēng)冷的選取。高功率系統(tǒng)一般采用水冷方式。

安裝空間

安裝位置和設(shè)備設(shè)置決定了UV LED燈頭的所需空間。水冷系統(tǒng)一般比風(fēng)冷系統(tǒng)更緊湊。空氣冷卻系統(tǒng)對空氣出入口周邊有最小空間的需求，由于要保證空氣的充分循環(huán)。

光學(xué)和屏蔽罩

　　燈具相針對不該該被固化區(qū)域的距離和朝向，會影響光學(xué)部件和屏蔽罩的運(yùn)用。應(yīng)尤其小心地保證紫外線被阻擋在了數(shù)字噴墨打印頭、墨水和涂布盤以及設(shè)備上的熱敏材料以外。另外，所有光線都應(yīng)被阻擋在操作員的任何直接照射之外。

極端的異形工件情形

　　擁有極端異形工件的場景下，固化表面或生產(chǎn)線需求LED燈安裝在更遠(yuǎn)有些的距離(幾英寸或更加多)。這針對需求尤其堅硬，耐劃傷，和耐化學(xué)性的UV LED面涂仍然是有必定挑戰(zhàn)的，況且在可預(yù)見的將來仍然應(yīng)被視為尚在研發(fā)中的需要。

UV LED技術(shù)在將來幾年將連續(xù)的持續(xù)發(fā)展，況且無疑在越來越多的應(yīng)用中得到了很好的匹配。盡管沒法在前面列出的應(yīng)用名單中都采用完全可互換的相同固化系統(tǒng)來進(jìn)行替代，但確實(shí)亦存在能夠滿足許多應(yīng)用需要的獨(dú)特UV LED處理方法。雖然OEM可在購買前為買家進(jìn)行LED固化設(shè)備和配方的匹配，但咱們始終意見用戶經(jīng)過測試或參考以前的安裝，來確認(rèn)采用了正確的固化系統(tǒng)，并對自己工藝的詳細(xì)需要有真實(shí)而準(zhǔn)確的匹配。

　　按照本文所供給的指引，并同UV LED固化系統(tǒng)供應(yīng)商、配方商、OEM設(shè)備制造商、集成商和終端用戶進(jìn)行密切協(xié)同，從而保證能夠得到更加成功的UV LED固化整體系統(tǒng)。

作者簡介

詹妮弗·希思科特(Jennifer Heathcote)，來自美國伊利諾斯州的芝加哥，自1998年敗興始終從事紫外線設(shè)備和應(yīng)用業(yè)務(wù)。她是Eminence UV的技術(shù)和商場咨詢顧問，亦是北美輻射固化協(xié)會(RadTech NA)的執(zhí)委會成員。她在UV行業(yè)所從事的角色，包含應(yīng)用工程、營銷、業(yè)務(wù)拓展和整體管理。她曾出席過許多會議和行業(yè)活動，撰寫了近二十篇關(guān)于紫外線固化的文案，并在2012年一起撰寫了《UV LED手冊》。她從普渡大學(xué)得到了機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位，以及俄亥俄州立大學(xué)的工商管理碩士(MBA)學(xué)位。

編譯者簡介

杜鵬，四川大學(xué)高分子碩士，香港科技大學(xué)MBA，曾在德國WHU商學(xué)院及墨西哥IPADE商學(xué)院學(xué)習(xí)。從事光固化行業(yè)20余年，曾先后在全世界最領(lǐng)先的兩家光固化企業(yè)任職，并曾從事技術(shù)、營銷和管理工作。常在各樣會議和論壇上作報告，并為在校大學(xué)生講解光固化課程?，F(xiàn)任潤奧化工總經(jīng)理。馬拉松和鐵人三項運(yùn)動選手。

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