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UV固化的分析

關鍵詞:
UV機,UV光固機,UV固化機
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2010-02-04
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汕頭華南機械有限公司
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資料簡介
UV固化材料的物理性能實質上是受用來固化它們的烘干系統的影響的。預期性能的獲得，不管是保護膠、油墨、還是粘合劑，將依賴于這些燈管的參數、設計和控制的方法。UV燈四個關鍵的參數是：

1.UV輻射度（或密度）

2.光譜分布（波長）

3.輻射量（或UV能量）

4.紅外輻射。相對于zui大輻射度或輻射量，以及不同的UV光譜，油墨和保護膠將會展現出很大不同的特性。鑒別不同的UV燈管特性并使它們與可固化材料的光學特性相匹配的能力，擴展了把UV固化作為一種快速、的生產過程的范圍。有許多固化系統的光學和物理性能（除它本身的組成之外）影響固化效果，從而導致了UV固化材料外觀特性（performance）的不同。

被固化材料的特性

    一只UV燈管的效率，決定于發射光子進入可固化材料以啟動光可觸發分子的難易程度。UV固化決定于光子—分子的碰撞。光可觸發分子通過材料均勻地擴散，但光子卻不同。除UV光源的特質外，被固化的薄膜還有光學及熱動力學特性。它們與輻射能量互相作用，對固化的過程產生了重大影響。

光譜吸收率：能量是物質在逐漸增加的厚度內吸收進波長的作用。表面附近吸收的能量越多，意味著深層得到的能量越少。但這種情況隨波長的不同而不同。總的光譜吸收率包括所有來自于光觸發劑，單分子物質，齊聚體以及添加劑包括顏料的影響作用。

反射和散射：相對與吸收，光能更多地是被物質（或在物質內）改變方向；這一般是由于可固化材料中的基質材料和/或色素引起的。這些因素減少了到達深層的UV能量，但卻改進了在反應之處的固化效率。

光學密度：與吸收相似，它由“不透明度”和薄膜的厚度兩個因素構成；包括吸收和散射的光稀釋作用；用一個單獨的數字來表示，而不是作為光譜的分布。

擴散性：一個熱動力學特性包含特定的熱量，傳導性和密度；材料“擴散”、接受熱量的能力；影響由表面驟然進入的紅外能量而導致的薄膜和基質的溫度的升高。

紅外吸收率：溫度對固化反應的速率有著重大的影響；盡管反應中的溫升也對溫度有作用，但來自于UV燈管的輻射（radiant IR）才是表面熱量的根本源頭（不是從周圍的空氣或大氣中傳輸的熱量）。過大的溫度升高是影響固化過程的重要限制因素之一。

光學厚度涂層和油墨

    由于不透明度或色彩強度是我們需要的特性這一事實，油墨和顏料涂層提出了特殊的問題。粘合劑通常也提供相對厚的薄膜。不同于一個薄膜的物理厚度，它的光學厚度是非常重要的。當光能穿進或穿過一種材料時，它的減少是由Beer—Lambert來描述的—在薄膜的上層沒有被吸收也沒有被反射的光能將穿送并到達薄膜的底層。

光譜吸收性的意義

    物質的吸收性隨波長的不同而不同。很顯然，短的UV波長（200~300nm）會在表面被吸收而根本達不到底層。一般地說，薄膜的厚度是被限制的，對于基質，粘合力才是應具有的首要特性。

    即使是光可觸發劑也會吸收它所敏感的波長能量，從而阻礙該波長到達深層的光可觸發分子。一種光可觸發劑對于清漆涂層適用，但對于油墨也許并不是合適的選擇。對于油墨，對應于較長波長的光觸發劑才是較好的選擇。除物理厚度外，光譜吸收性的另一個作用是光學厚度。一個薄膜不可能在一種波長下其光學厚度是厚的，而在另一種波長下是薄的。即使清漆涂層短波長（200~300nm）下的光學厚度也是傾向于較厚的。

    當被固化的產品在UV可固化材料之上包含一層“透明”材料時，其吸收性便阻礙了光能。這是層壓法、透鏡粘合、藥品裝配，當然，還有DVD粘合，所常用的。

了解“透明”材料的光譜傳播特性，以選擇穿過它們進行固化的zui有效的光譜是很重要的。一般情況下，長波長UV燈的選用，結合長波長的光觸發劑，是通過象PC這樣的材料進行成功固化的關鍵。

波長的重要作用

    大多的UV固化包含了兩種范圍的波長同時工作（假如包含IR，3個）。短波長工作于表層，長波長工作于油墨或涂層的深層。這個定理是由于短波長在表層被吸收而不能到達深層的結果。短波曝光的不足會導致表面發粘；長波能量的不足則會導致粘附不良。每一個配方和薄膜的厚度都會從一個恰當的短、長波長能量速率中得到益處。

    zui基本的汞燈在這兩個范圍內發射能量，但它在短波長下的強烈發射使它特別適合于涂層和薄油墨層。高吸收性的材料，比如粘合劑和絲網油墨，它們的配方更適合于使用長波光觸發劑的長波固化。用來固化這些材料的燈管，包含了添加劑以及汞，這種燈在長波UV下發射的UV更多一些。這些長波燈管也輻射一些短波能量，從而足以應付表層的固化。

    許多極特殊的應用，比如對大量含有氧化鈦這種顏料添加劑的材料進行固化，或需要穿過塑料或玻璃進行固化，就必須長波固化，因為這些材料幾乎*阻礙了短波。

UV燈的參數特性

    影響固化的UV燈性能，可以*準確地用四個特性起來：UV光譜分布，輻射度，輻射量和紅外輻射。

1．光譜分布它描述作為燈管發射波長功能之一的相輻射能

    量或到達表層的輻射能量的波長分布。它常用一個相關標準化的術語來表達。為了顯示UV能量的分布，可以把光譜能量合并為10nm的頻譜帶以形成一個分布表。這樣便允許不同UV燈之間的對比以及更易于光譜能量和功率的計算。燈管生產商們公布它們產品的光譜分布數據。

    在線檢測使用多譜帶射線探測儀來使光譜輻射度或輻射量特性化。他們通過對在相對狹窄（20~60nm）的頻帶中的輻射能量的采樣以獲得對光譜分布有用的相對信息。由于不同廠商的射線探測儀的構造不同，對它們做相互比較是有可能的，但很困難?，F在還沒有這樣的標準以使型號、廠家之間進行比較。

2．UV輻射度（Irradiance）：輻射度是到達表面單位面積內的輻射功率。輻射度，以每平方厘米瓦特或豪瓦來表示。它隨燈管的輸出功率、效率、反射系統的聚焦以及到表面的距離不同而不同。（它是燈管及幾何形狀的特性，故與速度無關。）直接置于UV燈下的高強度、峰值聚焦功率參考為“峰值輻射度”。輻射度包括了所有有關電源功率，效率，輻射輸出，反射率，聚焦燈泡尺寸及幾何形狀的因素。

    由于UV可固化材料的吸收特性，到達表層以下的光能量要比表層的要少。在這些區域的固化條件可能有顯著不同。光學厚度厚的材料（或者高吸收性，或者物理結構厚，或者兩者有之）可能會減少光效率，從而導致材料深層的固化不充分。在油墨或涂層里，表面較高的輻射度會提供相對覺高的光能量。固化的深度更多地是被輻射度影響而不是較長的曝光時間（輻射量）。輻射度的影響對于高吸收性（高不透明度）的薄膜更重要。

    高輻射度允許使用較少的光觸發劑。光子密度的增加增多了光子—光觸發劑的碰撞，從而補償了光觸發劑濃度的減少。這對于較厚的涂層會有效，因為表層的光觸發劑吸收和阻礙了同一波長到達深層的光觸發劑分子。

3．UV輻射量

    到達表面單位面積的輻射能量。輻射量表示到達表面的光子總量（而輻射度則是到達的速率）。在任一給定光源下，輻射量與速度成反比而與曝光的數量成正比。輻射量是輻射度的時間累積，以每平方厘米Joules或轉miliJoules表示，（遺憾的是，沒有有關輻射度或光譜內容換為以輻射量測量的信息，它僅僅是被曝光表面能量的累積。）它的意義在于它是*包括了速度參數和曝光時間參數的特性顯現。

4．紅外輻射密度：紅外輻射主要是由UV源的石英泡發射出來的紅外能量。紅外能量和UV能量一起被收集并聚焦在工作表層。這決定于IR的反射率和反射器的效率。IR能量可以被轉換為輻射量或輻射度單位。但通常，它所產生的表面溫度才是被注意的重要之處。它所產生的熱量可能有害也可能有益。

    結合UV燈解決溫度與IR之間關系的技術有許多。可以分為減少發射，傳送和控制熱量移動。發射的減少通過使用小直徑的燈泡來實現，因為正是hot quartz的表面區域發射幾乎所有的IR。傳遞的減少可通過在燈管后面使用分色的反射器（cold mirror）來實現；或在燈管與目標之間使用分色窗（hot mirror）。熱量移動降低了目標的溫度—但僅僅是在IR已引起了溫度升高之后—可使用冷氣流或散熱裝置來控制熱量的移動。IR能量的吸收由材料本身決定—油墨、涂層或基片。速度對由入射的IR能量及工作表面吸收的能量引起的溫度有重大影響。過程越快，被吸收的IR能量越少，引起溫度升高?？赏ㄟ^改進效率來加快生產的過程。

附 UV烘干技術資料

1．大部分的UV光線包含兩種UV波長，這兩種波長同時工作。短波工作在表面，較長的波作用于油墨或Lacquer深層。這是由于短波的能量被表面吸收而不能進入深層。短波曝光不足會引起表面發粘，而長波能量的不足則可能導致附著困難。 2．CD生產中的UV烘干用于兩方面——即保護膠烘干和印刷油墨烘干。

A．保護膠：保護膠的覆蓋幾乎都是通過噴射——旋轉（spinning）這種方式進行的。然后在UV下曝光。曝光的方式有許多種，大致可分為：旋轉或不旋轉方式；聚焦、離焦或無焦點方式。

B．旋轉方式：這種方式是把DISC固定在UV燈下進行旋轉，置它的表面于在焦或離焦UV燈的一定距離內。盡管旋轉方式好像是一個對DISC表面提供均勻曝光的好方式，但也不盡然。假如UV燈在焦點之內或焦點附近，一條強光線將會穿過CD的中心。當光盤旋轉時，其中心持續曝光，而邊緣只接受到兩個短時的“閃照（burst）”UV光。這會導致邊緣烘干不好。

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