選取UV LED應該避免的“坑”及發展狀況

 

中文編譯：杜鵬，潤奧化工

英文原文作者：Jennifer Heathcote, Eminence UV

原英文標題：State of UV LED Curing Applications

　　能夠運用UV LED應用的名單在連續增長——由于支持這些應用的系統供應商、配方商和OEM設備制造商的數量始終在增長。這種連續增長預示著UV LED技術發展的整體市場方向。因此呢，倘若你還無去認識過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識了。本文旨在對新來者，和哪些始終在跟蹤或乃至運用了該技術數年的人，供給對持續增長的UV LED市場空間的洞察，并就怎樣將UV LED固化系統與特定應用的需要相匹配，供給通常性的指點。

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。認識這三個原因怎樣在特定的生產要求下與UV LED的油墨、涂料和粘合劑相互功效，針對研發可控的固化應用，并保證成功至關重要。UV LED固化的一個關鍵優點是，一旦為特定應用創立了這三個原因的最佳組合，一套匹配和設計恰當的紫外線固化光源系統，將能夠始終供給穩定、靠譜和可重復的UV輸出。

圖1.UV LED的相對波長分布狀況

　　UV LED光源系統發射的波長相對單一，表現為窄的鐘形分布，標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構，并在二極管理成后不可調節。雖然能夠在單個UV LED設備中對兩個或多個波長分布進行混合，但大都數固化系統一般只包括一個波長分布。由于區別的材料結構，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。

　　與峰值波長區別，輻照度和能量密度都是UV LED輸出的高度可變指標。光源發射窗口和基材固化表面的指標數據，由燈頭整體設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，一般針對指定系統可調節，且很大程度上受到安裝時配置的影響。這種可調節的優點是，它準許用戶精確而有效地優化制造工藝過程。

針對UV LED固化系統，峰值輻照度不該被看作動態制造工藝過程中能量密度的指標。相反，這些值應由供應商給出，并可測繪得到。而后能夠推斷出與所需生產制造要求相匹配的其他數據點。在報告輻照度和能量密度時，應該始終給出測繪儀器、參數設置，和數據收集方式的信息，由于這三個指標對觀測值都存在影響。

圖2.動態輻照度剖面。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。用數學術語來講，能量密度是輻照度在一段時間之內的積分，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(沿x軸)水平移動狀況下的圖形暗示。曲線上的每一個點，是固化表面在每一個時刻所經歷的輻照度。曲線下方的區域面積是發射出的總能量密度。如圖2(b)所示，擁有相同峰值輻照度的UV LED系統，并不總是供給相同的能量密度。

　　請重視，(b)中的四個區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。

兩個擁有區別輻照度的系統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。能夠產生這種結果的其中一種燈頭設計區別是，較高峰值UV LED發射窗口的寬度，是較低峰值發射窗口寬度的一半。

這三個例子說明了，在將UV LED系統與應用相匹配時，理解發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系統在實驗室安裝或商用配置中的行徑表現都相同。

　　油墨、涂料和粘合劑經過配制，在特定工藝要求下對給定的UV LED輸出出現化學反應。針對每一個應用和配方，都有一個UV工藝窗口，能夠實現可接受的固化效果。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，從而能夠得到適當的固化效果。

始終保持這里工藝窗口內運行，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。為給定的應用，創立和守護UV固化工藝窗口，針對連續的最佳產出效率和得到高質量制品非常重要。

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

　　UV LED技術的一個好處是，LED本身的離散特性準許對固化系統進行更寬廣范圍的設計，從而更好地滿足每一個獨特應用的需要。這使得外形規格和UV輸出，都能針對各自的市場和應用進行定制，從而使其與傳統固化技術相比可實現更有效、更經濟的UV LED固化處理方法。

圖3.在寬幅涂布機上的UV LED

應用演進

　　UV數字噴墨的針固化，和采用掃描及單通道方式打印機的全固化，以及膠粘劑的點固化，是首批將UV LED固化用于打印和粘合過程的應用。許多初期安裝的系統都是混合安裝，利用了傳統固化的某些特點，同期和UV LED相結合。

　　這些初期采用者的應用市場，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。其制造工藝辦法準許在靜態安裝中經過更長的揭發時間，以及動態安裝中的多次固化來累積達到足夠的能量密度。

設備還讓UV LED燈頭能夠在離固化表面10mm范圍內進行安裝，并且一般對每臺設備中燈的總數和長度的需求較低。與更大、更寬的高速商場印刷機相比，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重要，由于初期的UV LED系統能量不足高，況且常常比傳統設備昂貴得多。

在過去的15年中，UV LED技術在性能、靠譜性、運用壽命和輸出方面都有了明顯加強。另外，還針對UV LED的輸出方面進行了更加多的配方優化。市場亦學會了理解和設計工藝窗口。因為規模經濟的發展，以及全部供應鏈的競爭加劇，設備和配方的價格亦得到了降低。這使得UV LED固化技術能夠超越UV數字噴墨針固化和點固化應用的需要，進入更苛刻、更高速、更廣泛的商場應用——包含模擬和數字技術。

表1.UV LED技術的應用行業

表1列出了當今越來越多運用UV LED技術的應用行業。盡管各個詳細行業的市場滲透程度區別，UV LED不必定適用于每一個細分市場中的所有應用——但隨著時間的推移，這一技術將連續得到發展和進步。區別的UV LED燈設計，以及針對特定應用的配方設計，使這些區別的印刷、涂料和粘接工藝作為可能。

　　基于這些協同的需求，針對每一個應用的關聯各方之間必須存在一個很強的工作關系連接——包含UV LED固化系統供應商、配方商、OEM設備制造商、集成商和終端用戶。在所有場景下，一般能夠經過有些試錯，以及工藝優化來實現可行的UV LED處理方法。這一切都能夠歸結為對工藝變量的優化，并將UV LED系統與應用、配方和物料處理設備相匹配。

將UV LED系統與應用、配方和物料處理設備相匹配

此刻有越來越多的海量UV LED固化系統和供應商可供選取。她們所宣傳的制品特性和操作優點都非常類似，其中最顯著的區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，僅認識這些知識還不足以將UV LED固化系統與特定應用相匹配，并且技術規格表格中亦很少解釋哪種制品最適合哪種應用，以及為何。在選取和應用相匹配的UV LED固化系統時，應該思慮到以下這些通常性的指點準則。

最后固化性能

針對最后固化后所需的理學和外觀特性，以及制品目的用途，都應該非常知道。這將有助于推動配方的化學考量，乃至當前是不是適合運用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，并可滿足大都數圖形打印需求。然而，有機硅剝離和工業加硬涂層的應用則仍在研發中，距離大規模商場可用性最少還有三到五年的時間。

波長

　　商場應用的固化波長日前包含365、385、395和405nm。針對大都數油墨應用，395nm是首選波長，較少運用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用的395nm波長相匹配，但當觸及到工業涂料(無論是功能性還是加硬)時，則無共識，由于這些應用的研發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。只要燈能夠發射足夠的能量密度，在已創立的輻照度窗口內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。

每一個應用都區別，最佳發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燈所發射的輻照度更重要的是，被傳送到固化基材表面的實質輻照度，由于輻照度會隨著光經過距離的增多而快速降低。

能量密度窗口

　　配方和生產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，有時還能夠運用較低的峰值輻照度。并非所有發出相同峰值輻照度的系統都能提供相同的能量密度。

　　經過運用設計過的燈具系統能夠得到更大的能量密度，包含同期運用多個燈，降低線速度，或增多揭發時間。

工作距離

　　這被定義為UV LED發射窗口到固化表面之間的距離。必須為應用和設備設置來指定工作距離，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)，或采用光學或反射罩的LED處理方法。

冷卻系統

　　工廠環境、OEM廠家或終端用戶的偏好，以及UV LED系統本身的設計，決定了冷卻系統的形成(氣冷或水冷)。并非所有UV LED設備都供給風冷的選取。高功率系統一般采用水冷方式。

安裝空間

安裝位置和設備設置決定了UV LED燈頭的所需空間。水冷系統一般比風冷系統更緊湊?？諝饫鋮s系統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。

光學和屏蔽罩

　　燈具相針對不該該被固化區域的距離和朝向，會影響光學部件和屏蔽罩的運用。應尤其小心地保證紫外線被阻擋在了數字噴墨打印頭、墨水和涂布盤以及設備上的熱敏材料以外。另外，所有光線都應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，固化表面或生產線需求LED燈安裝在更遠有些的距離(幾英寸或更加多)。這針對需求尤其堅硬，耐劃傷，和耐化學性的UV LED面涂仍然是有必定挑戰的，況且在可預見的將來仍然應被視為尚在研發中的需要。

UV LED技術在將來幾年將連續的持續發展，況且無疑在越來越多的應用中得到了很好的匹配。盡管沒法在前面列出的應用名單中都采用完全可互換的相同固化系統來進行替代，但確實亦存在能夠滿足許多應用需要的獨特UV LED處理方法。雖然OEM可在購買前為買家進行LED固化設備和配方的匹配，但咱們始終意見用戶經過測試或參考以前的安裝，來確認采用了正確的固化系統，并對自己工藝的詳細需要有真實而準確的匹配。

　　按照本文所供給的指引，并同UV LED固化系統供應商、配方商、OEM設備制造商、集成商和終端用戶進行密切協同，從而保證能夠得到更加成功的UV LED固化整體系統。

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備和應用業務。她是Eminence UV的技術和商場咨詢顧問，亦是北美輻射固化協會(RadTech NA)的執委會成員。她在UV行業所從事的角色，包含應用工程、營銷、業務拓展和整體管理。她曾出席過許多會議和行業活動，撰寫了近二十篇關于紫外線固化的文案，并在2012年一起撰寫了《UV LED手冊》。她從普渡大學得到了機械工程學士學位，以及俄亥俄州立大學的工商管理碩士(MBA)學位。

編譯者簡介

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

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