选取UV LED应该避免的“坑”及发展状况

 

中文编译：杜鹏，润奥化工

英文原文作者：Jennifer Heathcote, Eminence UV

原英文标题：State of UV LED Curing Applications

　　能够运用UV LED应用的名单在连续增长——由于支持这些应用的系统供应商、配方商和OEM设备制造商的数量始终在增长。这种连续增长预示着UV LED技术发展的整体市场方向。因此呢，倘若你还无去认识过UV LED是不是适合自己固化需要的话，那样此刻可能是时候起始认识了。本文旨在对新来者，和哪些始终在跟踪或乃至运用了该技术数年的人，供给对持续增长的UV LED市场空间的洞察，并就怎样将UV LED固化系统与特定应用的需要相匹配，供给通常性的指点。

UV输出

　　UV输出是由于波长(nm)、辐照度(W/cm²)和能量密度(J/cm²)来表征的。认识这三个原因怎样在特定的生产要求下与UV LED的油墨、涂料和粘合剂相互功效，针对研发可控的固化应用，并保证成功至关重要。UV LED固化的一个关键优点是，一旦为特定应用创立了这三个原因的最佳组合，一套匹配和设计恰当的紫外线固化光源系统，将能够始终供给稳定、靠谱和可重复的UV输出。

图1.UV LED的相对波长分布状况

　　UV LED光源系统发射的波长相对单一，表现为窄的钟形分布，标叫作峰值辐照度日前为365、385、395和405nm，如图1所示。峰值所处的确切波长以及分布形状完全取决于制造二极管的原始材料结构，并在二极管理成后不可调节。虽然能够在单个UV LED设备中对两个或多个波长分布进行混合，但大都数固化系统一般只包括一个波长分布。由于区别的材料结构，日前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能够看出。

　　与峰值波长区别，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许多原因所决定。辐照度和能量密度因制品型号而异，一般针对指定系统可调节，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，它准许用户精确而有效地优化制造工艺过程。

针对UV LED固化系统，峰值辐照度不该被看作动态制造工艺过程中能量密度的指标。相反，这些值应由供应商给出，并可测绘得到。而后能够推断出与所需生产制造要求相匹配的其他数据点。在报告辐照度和能量密度时，应该始终给出测绘仪器、参数设置，和数据收集方式的信息，由于这三个指标对观测值都存在影响。

图2.动态辐照度剖面。图表由EminenceUV供给

咱们首要需要辨析两个概念：辐照度是峰值功率，能量密度是总传送的能量。用数学术语来讲，能量密度是辐照度在一段时间之内的积分，由辐照度/时间图形中所包括的面积来暗示。

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)水平移动状况下的图形暗示。曲线上的每一个点，是固化表面在每一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，拥有相同峰值辐照度的UV LED系统，并不总是供给相同的能量密度。

　　请重视，(b)中的四个区别场景下的所包括的面积并不相同。最外层场景拥有最大的面积，亦便是可供给最大的能量密度；而最内层的状况则包括最小的面积，供给的能量密度最小。

两个拥有区别辐照度的系统亦能够供给相同的总能量密度，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；然而两条曲线所包括的面积——亦便是能量密度——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，理解发射和所得到的辐照度，及能量密度的影响的重要性，以及为何并非所有UV LED系统在实验室安装或商用配置中的行径表现都相同。

　　油墨、涂料和粘合剂经过配制，在特定工艺要求下对给定的UV LED输出出现化学反应。针对每一个应用和配方，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，从而能够得到适当的固化效果。

始终保持这里工艺窗口内运行，从而保证最佳的传送速度、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，和所需要的制品寿命，以及其他所需求的性能指标。为给定的应用，创立和守护UV固化工艺窗口，针对连续的最佳产出效率和得到高质量制品非常重要。

　　当UV能量输出与应用需要有正确的匹配，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，无一个通用的UV LED系统或工艺窗口适用于所有应用场景。应选取合适的UV LED处理方法及能量输出，用于配方制品、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本身的离散特性准许对固化系统进行更宽广范围的设计，从而更好地满足每一个独特应用的需要。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有效、更经济的UV LED固化处理方法。

图3.在宽幅涂布机上的UV LED

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。许多初期安装的系统都是混合安装，利用了传统固化的某些特点，同期和UV LED相结合。

　　这些初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，因此呢在2000年代中期成功启用了UV LED技术。其制造工艺办法准许在静态安装中经过更长的揭发时间，以及动态安装中的多次固化来累积达到足够的能量密度。

设备还让UV LED灯头能够在离固化表面10mm范围内进行安装，并且一般对每台设备中灯的总数和长度的需求较低。与更大、更宽的高速商场印刷机相比，只需要一两个较小的灯就足够，商场上的投资更少。所有这些原因都至关重要，由于初期的UV LED系统能量不足高，况且常常比传统设备昂贵得多。

在过去的15年中，UV LED技术在性能、靠谱性、运用寿命和输出方面都有了明显加强。另外，还针对UV LED的输出方面进行了更加多的配方优化。市场亦学会了理解和设计工艺窗口。因为规模经济的发展，以及全部供应链的竞争加剧，设备和配方的价格亦得到了降低。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要，进入更苛刻、更高速、更广泛的商场应用——包含模拟和数字技术。

表1.UV LED技术的应用行业

表1列出了当今越来越多运用UV LED技术的应用行业。尽管各个详细行业的市场渗透程度区别，UV LED不必定适用于每一个细分市场中的所有应用——但随着时间的推移，这一技术将连续得到发展和进步。区别的UV LED灯设计，以及针对特定应用的配方设计，使这些区别的印刷、涂料和粘接工艺作为可能。

　　基于这些协同的需求，针对每一个应用的关联各方之间必须存在一个很强的工作关系连接——包含UV LED固化系统供应商、配方商、OEM设备制造商、集成商和终端用户。在所有场景下，一般能够经过有些试错，以及工艺优化来实现可行的UV LED处理方法。这一切都能够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。

将UV LED系统与应用、配方和物料处理设备相匹配

此刻有越来越多的海量UV LED固化系统和供应商可供选取。她们所宣传的制品特性和操作优点都非常类似，其中最显著的区别一般是峰值辐照度、冷却方式，和灯的外形等原因。不幸的是，仅认识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亦很少解释哪种制品最适合哪种应用，以及为何。在选取和应用相匹配的UV LED固化系统时，应该思虑到以下这些通常性的指点准则。

最后固化性能

针对最后固化后所需的理学和外观特性，以及制品目的用途，都应该非常知道。这将有助于推动配方的化学考量，乃至当前是不是适合运用UV LED固化处理方法。例如，油墨、光油和粘合剂一般用LED都能够固化良好，并可满足大都数图形打印需求。然而，有机硅剥离和工业加硬涂层的应用则仍在研发中，距离大规模商场可用性最少还有三到五年的时间。

波长

　　商场应用的固化波长日前包含365、385、395和405nm。针对大都数油墨应用，395nm是首选波长，较少运用365和385nm波长。胶粘剂一般最适合365或405nm，具体状况取决于配方，不外它们在385或395nm下亦一样能够固化。罩光油一般与油墨应用的395nm波长相匹配，但当触及到工业涂料(无论是功能性还是加硬)时，则无共识，由于这些应用的研发还处在起步初级周期。

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。小于最小辐照度会引起固化不足，增多辐照度超过最大峰值时的固化，不必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，在已创立的辐照度窗口内总能得到好的固化效果。不幸的是，无一个通用的辐照度能够满足所有配方的需要。

每一个应用都区别，最佳发射辐照度窗口从几百mW/cm²，到20乃至30瓦/cm²间的任意值都有可能。同期，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质辐照度，由于辐照度会随着光经过距离的增多而快速降低。

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)。更高的能量密度一般能得到更好的整体固化效果，线速度更快，有时还能够运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。

　　经过运用设计过的灯具系统能够得到更大的能量密度，包含同期运用多个灯，降低线速度，或增多揭发时间。

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。必须为应用和设备设置来指定工作距离，由于辐照度会随距离的增多而快速降低。为了适应更大的工作距离，能够思虑功率更大的灯(更高辐照度或/和更高能量密度)，或采用光学或反射罩的LED处理方法。

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，决定了冷却系统的形成(气冷或水冷)。并非所有UV LED设备都供给风冷的选取。高功率系统一般采用水冷方式。

安装空间

安装位置和设备设置决定了UV LED灯头的所需空间。水冷系统一般比风冷系统更紧凑。空气冷却系统对空气出入口周边有最小空间的需求，由于要保证空气的充分循环。

光学和屏蔽罩

　　灯具相针对不该该被固化区域的距离和朝向，会影响光学部件和屏蔽罩的运用。应尤其小心地保证紫外线被阻挡在了数字喷墨打印头、墨水和涂布盘以及设备上的热敏材料以外。另外，所有光线都应被阻挡在操作员的任何直接照射之外。

极端的异形工件情形

　　拥有极端异形工件的场景下，固化表面或生产线需求LED灯安装在更远有些的距离(几英寸或更加多)。这针对需求尤其坚硬，耐划伤，和耐化学性的UV LED面涂仍然是有必定挑战的，况且在可预见的将来仍然应被视为尚在研发中的需要。

UV LED技术在将来几年将连续的持续发展，况且无疑在越来越多的应用中得到了很好的匹配。尽管没法在前面列出的应用名单中都采用完全可互换的相同固化系统来进行替代，但确实亦存在能够满足许多应用需要的独特UV LED处理方法。虽然OEM可在购买前为买家进行LED固化设备和配方的匹配，但咱们始终意见用户经过测试或参考以前的安装，来确认采用了正确的固化系统，并对自己工艺的详细需要有真实而准确的匹配。

　　按照本文所供给的指引，并同UV LED固化系统供应商、配方商、OEM设备制造商、集成商和终端用户进行密切协同，从而保证能够得到更加成功的UV LED固化整体系统。

作者简介

詹妮弗·希思科特(Jennifer Heathcote)，来自美国伊利诺斯州的芝加哥，自1998年败兴始终从事紫外线设备和应用业务。她是Eminence UV的技术和商场咨询顾问，亦是北美辐射固化协会(RadTech NA)的执委会成员。她在UV行业所从事的角色，包含应用工程、营销、业务拓展和整体管理。她曾出席过许多会议和行业活动，撰写了近二十篇关于紫外线固化的文案，并在2012年一起撰写了《UV LED手册》。她从普渡大学得到了机械工程学士学位，以及俄亥俄州立大学的工商管理硕士(MBA)学位。

编译者简介

杜鹏，四川大学高分子硕士，香港科技大学MBA，曾在德国WHU商学院及墨西哥IPADE商学院学习。从事光固化行业20余年，曾先后在全世界最领先的两家光固化企业任职，并曾从事技术、营销和管理工作。常在各样会议和论坛上作报告，并为在校大学生讲解光固化课程。现任润奥化工总经理。马拉松和铁人三项运动选手。

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