中文編譯：杜鵬，潤(rùn)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(zhǎng)——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(zhǎng)。這種連續(xù)增長(zhǎng)預(yù)示著UV LED技術(shù)發(fā)展的整體市場(chǎng)方向。因此呢，倘若你還無(wú)去認(rèn)識(shí)過(guò)UV LED是不是適合自己固化需要的話，那樣此刻可能是時(shí)候起始認(rèn)識(shí)了。本文旨在對(duì)新來(lái)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(duì)持續(xù)增長(zhǎng)的UV LED市場(chǎng)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(zhǎng)(nm)、輻照度(W/cm2)和能量密度(J/cm2)來(lái)表征的。認(rèn)識(shí)這三個(gè)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(duì)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(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是，一旦為特定應(yīng)用創(chuàng)立了這三個(gè)原因的最佳組合，一套匹配和設(shè)計(jì)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(duì)波長(zhǎng)分布狀況

　　UV LED光源系統(tǒng)發(fā)射的波長(zhǎng)相對(duì)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(zhǎng)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(gè)UV LED設(shè)備中對(duì)兩個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)分布進(jìn)行混合，但大都數(shù)固化系統(tǒng)一般只包括一個(gè)波長(zhǎng)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(gè)較長(zhǎng)波長(zhǎng)弱大約20%，這從圖中其較短的峰值能夠看出。

　　與峰值波長(zhǎng)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(jì)中的許多原因所決定。輻照度和能量密度因制品型號(hào)而異，一般針對(duì)指定系統(tǒng)可調(diào)節(jié)，且很大程度上受到安裝時(shí)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(guò)程。

針對(duì)UV LED固化系統(tǒng)，峰值輻照度不該被看作動(dòng)態(tài)制造工藝過(guò)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(cè)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(bào)告輻照度和能量密度時(shí)，應(yīng)該始終給出測(cè)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(gè)指標(biāo)對(duì)觀測(cè)值都存在影響。

圖2.動(dòng)態(tài)輻照度剖面。圖表由EminenceUV供給

咱們首要需要辨析兩個(gè)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(yǔ)來(lái)講，能量密度是輻照度在一段時(shí)間之內(nèi)的積分，由輻照度/時(shí)間圖形中所包括的面積來(lái)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(gè)點(diǎn)(沿x軸)水平移動(dòng)狀況下的圖形暗示。曲線上的每一個(gè)點(diǎn)，是固化表面在每一個(gè)時(shí)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(qǐng)重視，(b)中的四個(gè)區(qū)別場(chǎng)景下的所包括的面積并不相同。最外層場(chǎng)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(gè)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(jì)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(gè)例子說(shuō)明了，在將UV LED系統(tǒng)與應(yīng)用相匹配時(shí)，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(yàn)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(guò)配制，在特定工藝要求下對(duì)給定的UV LED輸出出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。針對(duì)每一個(gè)應(yīng)用和配方，都有一個(gè)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(zhǎng)，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(duì)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(shí)，UV LED技術(shù)表現(xiàn)良好。但遺憾的是，無(wú)一個(gè)通用的UV LED系統(tǒng)或工藝窗口適用于所有應(yīng)用場(chǎng)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(chē)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(gè)好處是，LED本身的離散特性準(zhǔn)許對(duì)固化系統(tǒng)進(jìn)行更寬廣范圍的設(shè)計(jì)，從而更好地滿足每一個(gè)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(duì)各自的市場(chǎng)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(guò)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(chǎng)，采用較慢的線速度和更長(zhǎng)的工件處理時(shí)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(guò)更長(zhǎng)的揭發(fā)時(shí)間，以及動(dòng)態(tài)安裝中的多次固化來(lái)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(duì)每臺(tái)設(shè)備中燈的總數(shù)和長(zhǎng)度的需求較低。與更大、更寬的高速商場(chǎng)印刷機(jī)相比，只需要一兩個(gè)較小的燈就足夠，商場(chǎng)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(guò)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(duì)UV LED的輸出方面進(jìn)行了更加多的配方優(yōu)化。市場(chǎng)亦學(xué)會(huì)了理解和設(shè)計(jì)工藝窗口。因?yàn)?/span>規(guī)模經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及全部供應(yīng)鏈的競(jìng)爭(zhēng)加劇，設(shè)備和配方的價(jià)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(chǎng)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(lái)越多運(yùn)用UV LED技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)。盡管各個(gè)詳細(xì)行業(yè)的市場(chǎng)滲透程度區(qū)別，UV LED不必定適用于每一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)中的所有應(yīng)用——但隨著時(shí)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(jì)，以及針對(duì)特定應(yīng)用的配方設(shè)計(jì)，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(duì)每一個(gè)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)各方之間必須存在一個(gè)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(chǎng)景下，一般能夠經(jīng)過(guò)有些試錯(cuò)，以及工藝優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)可行的UV LED處理方法。這一切都能夠歸結(jié)為對(duì)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(lái)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(shí)這些知識(shí)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(shí)，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(duì)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(dòng)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(chǎng)可用性最少還有三到五年的時(shí)間。

波長(zhǎng)

　　商場(chǎng)應(yīng)用的固化波長(zhǎng)日前包含365、385、395和405nm。針對(duì)大都數(shù)油墨應(yīng)用，395nm是首選波長(zhǎng)，較少運(yùn)用365和385nm波長(zhǎng)。膠粘劑一般最適合365或405nm，具體狀況取決于配方，不外它們?cè)?85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(zhǎng)相匹配，但當(dāng)觸及到工業(yè)涂料(無(wú)論是功能性還是加硬)時(shí)，則無(wú)共識(shí)，由于這些應(yīng)用的研發(fā)還處在起步初級(jí)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(huì)引起固化不足，增多輻照度超過(guò)最大峰值時(shí)的固化，不必定就能帶來(lái)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(wú)一個(gè)通用的輻照度能夠滿足所有配方的需要。

每一個(gè)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(huì)隨著光經(jīng)過(guò)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(shí)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(guò)運(yùn)用設(shè)計(jì)過(guò)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(gè)燈，降低線速度，或增多揭發(fā)時(shí)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(lái)指定工作距離，由于輻照度會(huì)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(jì)，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(duì)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(duì)不該該被固化區(qū)域的距離和朝向，會(huì)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(pán)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(chǎng)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(duì)需求尤其堅(jiān)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(jiàn)的將來(lái)仍然應(yīng)被視為尚在研發(fā)中的需要。

UV LED技術(shù)在將來(lái)幾年將連續(xù)的持續(xù)發(fā)展，況且無(wú)疑在越來(lái)越多的應(yīng)用中得到了很好的匹配。盡管沒(méi)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(lái)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(gòu)買(mǎi)前為買(mǎi)家進(jìn)行LED固化設(shè)備和配方的匹配，但咱們始終意見(jiàn)用戶經(jīng)過(guò)測(cè)試或參考以前的安裝，來(lái)確認(rèn)采用了正確的固化系統(tǒng)，并對(duì)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(jiǎn)介

詹妮弗·希思科特(Jennifer Heathcote)，來(lái)自美國(guó)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(chǎng)咨詢顧問(wèn)，亦是北美輻射固化協(xié)會(huì)(RadTech NA)的執(zhí)委會(huì)成員。她在UV行業(yè)所從事的角色，包含應(yīng)用工程、營(yíng)銷、業(yè)務(wù)拓展和整體管理。她曾出席過(guò)許多會(huì)議和行業(yè)活動(dòng)，撰寫(xiě)了近二十篇關(guān)于紫外線固化的文案，并在2012年一起撰寫(xiě)了《UV LED手冊(cè)》。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(jiǎn)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(guó)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(yíng)銷和管理工作。常在各樣會(huì)議和論壇上作報(bào)告，并為在校大學(xué)生講解光固化課程?，F(xiàn)任潤(rùn)奧化工總經(jīng)理。馬拉松和鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)選手。

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