UV輻射固化-表面固化新技術

輻射固化的基本含義就是利用紫外光（UV）或電子束為能源，引發(fā)具有化學活性的液體配方，在基體表面實現(xiàn)快速反應的固化過程。

UV/EB固化的工業(yè)應用為材料表面固化提供了一種先進的加工手段。這種固化技術不同于傳統(tǒng)技術（例如熱固化）的最大優(yōu)點在于輻射固化采用高效能源-紫外光或電子束作為引發(fā)手段，快速實現(xiàn)涂層固化。

1． 紫外光與電子束

紫外光與電子束都可看成輻射大家族的成員，不同的是紫外光是一種電磁輻射，而電子束卻是經加速的高能電子流。

輻射固化常用的100~380nm紫外光區(qū)又細分為UV-C（100~280nm）、UV-B

（280~315nm）和UV-A（315~380nm）。輻射固化采用的紫外光源一般是經電能激發(fā)的紫外燈。

電子束也是一種輻射，它是一批經過加速的電子流，粒子能量遠高于紫外光，可使空氣電離，故高能電子束又可稱為電離輻射。電子束固化一般不需光引發(fā)劑，可直接引發(fā)化學反應，而且對物質的穿透力也比紫外光大得多。產生電子束的裝置稱為電子加速器。輻射固化采用的一種掃描型的電子加速器，其基本原理與家庭使用的電視機十分類似。在電視機中經加速的電子流掃描電視熒光屏取得視覺信息，輻射固化中電子加速器的電子束對基材表面掃描從而實現(xiàn)固化加工。

2． 輻射固化- 一項系統(tǒng)工程

輻射固化是在現(xiàn)有科學技術的基礎上發(fā)展起來的一門新技術，因此可以看作是多種技術共同結構形成的綜合體，包括輻射源（UV和EB）、原料、單體和齊聚物、光引發(fā)劑、各種助劑（如顏料、添加劑）、化學配方（涂料、油墨、黏合劑等）、基材與涂布裝置等。輻射固化只有通過這些技術要素的合理配置才能發(fā)揮其固有的生命力。

事實上，這些技術要素在輻射固化的產業(yè)進程中已形成了相互依賴的市場鏈，共同保證市場競爭力，因此輻射固化的本身是一項系統(tǒng)工程。

UV固化

UV固化

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(tǒng)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(shù)、設計和控制的方法。UV燈四個關鍵的參數(shù)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。

相對于最大輻射度或輻射量，以及不同的UV光譜，油墨和保護膠將會展現(xiàn)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、高效的生產過程的范圍。

有許多固化系統(tǒng)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(fā)射光子進入可固化材料以啟動光可觸發(fā)分子的難易程度。UV固化決定于光子—分子的碰撞。光可觸發(fā)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?？偟墓庾V吸收率包括所有來自于光觸發(fā)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(shù)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?shù)臒崃浚?。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(fā)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(fā)分子。一種光可觸發(fā)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(fā)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最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(fā)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(fā)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?shù)亩獭㈤L波長能量速率中得到益處。最基本的汞燈在這兩個范圍內發(fā)射能量，但它在短波長下的強烈發(fā)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(wǎng)油墨，它們的配方更適合于使用長波光觸發(fā)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(fā)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，因為這些材料幾乎完全阻礙了短波。

UV燈的參數(shù)特性

影響固化的UV燈性能，可以完全準確地用四個特性聯(lián)系起來：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(fā)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(shù)據(jù)。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。現(xiàn)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(tǒng)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(qū)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(fā)劑。光子密度的增加增多了光子—光觸發(fā)劑的碰撞，從而補償了光觸發(fā)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(fā)劑吸收和阻礙了同一波長到達深層的光觸發(fā)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(shù)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。）它的意義在于它是唯一包括了速度參數(shù)和曝光時間參數(shù)的特性顯現(xiàn)。

4．紅外輻射密度：紅外輻射主要是由UV源的石英泡發(fā)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(fā)射，傳送和控制熱量移動。發(fā)射的減少通過使用小直徑的燈泡來實現(xiàn)，因為正是hot quartz的表面區(qū)域發(fā)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(xiàn)；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。