UV辐射固化-表面固化新技术

UV辐射固化-表面固化新技术

辐射固化的基本含义就是利用紫外光（UV）或电子束为能源，引发具有化学活性的液体配方，在基体表面实现快速反应的固化过程。

UV/EB固化的工业应用为材料表面固化提供了一种先进的加工手段。这种固化技术不同于传统技术（例如热固化）的最大优点在于辐射固化采用高效能源-紫外光或电子束作为引发手段，快速实现涂层固化。

1． 紫外光与电子束

紫外光与电子束都可看成辐射大家族的成员，不同的是紫外光是一种电磁辐射，而电子束却是经加速的高能电子流。

辐射固化常用的100~380nm紫外光区又细分为UV-C（100~280nm）、UV-B

（280~315nm）和UV-A（315~380nm）。辐射固化采用的紫外光源一般是经电能激发的紫外灯。

电子束也是一种辐射，它是一批经过加速的电子流，粒子能量远高于紫外光，可使空气电离，故高能电子束又可称为电离辐射。电子束固化一般不需光引发剂，可直接引发化学反应，而且对物质的穿透力也比紫外光大得多。产生电子束的装置称为电子加速器。辐射固化采用的一种扫描型的电子加速器，其基本原理与家庭使用的电视机十分类似。在电视机中经加速的电子流扫描电视荧光屏取得视觉信息，辐射固化中电子加速器的电子束对基材表面扫描从而实现固化加工。

2． 辐射固化- 一项系统工程

辐射固化是在现有科学技术的基础上发展起来的一门新技术，因此可以看作是多种技术共同结构形成的综合体，包括辐射源（UV和EB）、原料、单体和齐聚物、光引发剂、各种助剂（如颜料、添加剂）、化学配方（涂料、油墨、黏合剂等）、基材与涂布装置等。辐射固化只有通过这些技术要素的合理配置才能发挥其固有的生命力。

事实上，这些技术要素在辐射固化的产业进程中已形成了相互依赖的市场链，共同保证市场竞争力，因此辐射固化的本身是一项系统工程。

UV固化

UV固化

UV固化材料的物理性能实质上是受用来固化它们的烘干系统的影响的。预期性能的获得，不管是保护胶、油墨、还是粘合剂，将依赖于这些灯管的参数、设计和控制的方法。UV灯四个关键的参数是：

1.UV辐射度(或密度)

2.光谱分布(波长)

3.辐射量(或UV能量)

4.红外辐射。

相对于最大辐射度或辐射量，以及不同的UV光谱，油墨和保护胶将会展现出很大不同的特性。鉴别不同的UV灯管特性并使它们与可固化材料的光学特性相匹配的能力，扩展了把UV固化作为一种快速、高效的生产过程的范围。

有许多固化系统的光学和物理性能（除它本身的组成之外）影响固化效果，从而导致了UV固化材料外观特性（performance）的不同。

被固化材料的特性一只UV灯管的效率，决定于发射光子进入可固化材料以启动光可触发分子的难易程度。UV固化决定于光子—分子的碰撞。光可触发分子通过材料均匀地扩散，但光子却不同。除UV光源的特质外，被固化的薄膜还有光学及热动力学特性。它们与辐射能量互相作用，对固化的过程产生了重大影响。

光谱吸收率：能量是物质在逐渐增加的厚度内吸收进波长的作用。表面附近吸收的能量越多，意味着深层得到的能量越少。但这种情况随波长的不同而不同。总的光谱吸收率包括所有来自于光触发剂，单分子物质，齐聚体以及添加剂包括颜料的影响作用。

反射和散射：相对与吸收，光能更多地是被物质（或在物质内）改变方向；这一般是由于可固化材料中的基质材料和/或色素引起的。这些因素减少了到达深层的UV能量，但却改进了在反应之处的固化效率。

光学密度：与吸收相似，它由“不透明度”和薄膜的厚度两个因素构成；包括吸收和散射的光稀释作用；用一个单独的数字来表示，而不是作为光谱的分布。

扩散性：一个热动力学特性包含特定的热量，传导性和密度；材料“扩散”、接受热量的能力；影响由表面骤然进入的红外能量而导致的薄膜和基质的温度的升高。

红外吸收率：温度对固化反应的速率有着重大的影响；尽管反应中的温升也对温度有作用，但来自于UV灯管的辐射（radiant

IR）才是表面热量的根本源头（不是从周围的空气或大气中传输的热量）。过大的温度升高是影响固化过程的重要限制因素之一。

光学厚度涂层和油墨

由于不透明度或色彩强度是我们需要的特性这一事实，油墨和颜料涂层提出了特殊的问题。粘合剂通常也提供相对厚的薄膜。不同于一个薄膜的物理厚度，它的光学厚度是非常重要的。当光能穿进或穿过一种材料时，它的减少是由Beer—Lambert来描述的—在薄膜的上层没有被吸收也没有被反射的光能将穿送并到达薄膜的底层。

光谱吸收性的意义

物质的吸收性随波长的不同而不同。很显然，短的UV波长（200~300nm）会在表面被吸收而根本达不到底层。一般地说，薄膜的厚度是被限制的，对于基质，粘合力才是应具有的首要特性。即使是光可触发剂也会吸收它所敏感的波长能量，从而阻碍该波长到达深层的光可触发分子。一种光可触发剂对于清漆涂层适用，但对于油墨也许并不是合适的选择。对于油墨，对应于较长波长的光触发剂才是较好的选择。除物理厚度外，光谱吸收性的另一个作用是光学厚度。一个薄膜不可能在一种波长下其光学厚度是厚的，而在另一种波长下是薄的。即使清漆涂层短波长（200~300nm）下的光学厚度也是倾向于较厚的。

当被固化的产品在UV可固化材料之上包含一层“透明”材料时，其吸收性便阻碍了光能。这是层压法、透镜粘合、药品装配，当然，还有DVD粘合，所常用的。了解“透明”材料的光谱传播特性，以选择穿过它们进行固化的最有效的光谱是很重要的。一般情况下，长波长UV灯的选用，结合长波长的光触发剂，是通过象PC这样的材料进行成功固化的关键。

波长的重要作用

大多的UV固化包含了两种范围的波长同时工作（假如包含IR，3个）。短波长工作于表层，长波长工作于油墨或涂层的深层。这个定理是由于短波长在表层被吸收而不能到达深层的结果。短波曝光的不足会导致表面发粘；长波能量的不足则会导致粘附不良。每一个配方和薄膜的厚度都会从一个恰当的短、长波长能量速率中得到益处。最基本的汞灯在这两个范围内发射能量，但它在短波长下的强烈发射使它特别适合于涂层和薄油墨层。高吸收性的材料，比如粘合剂和丝网油墨，它们的配方更适合于使用长波光触发剂的长波固化。用来固化这些材料的灯管，包含了添加剂以及汞，这种灯在长波UV下发射的UV更多一些。这些长波灯管也辐射一些短波能量，从而足以应付表层的固化。

许多极特殊的应用，比如对大量含有氧化钛这种颜料添加剂的材料进行固化，或需要穿过塑料或玻璃进行固化，就必须长波固化，因为这些材料几乎完全阻碍了短波。

UV灯的参数特性

影响固化的UV灯性能，可以完全准确地用四个特性联系起来：UV光谱分布，辐射度，辐射量和红外辐射。

1． 光谱分布 它描述作为灯管发射波长功能之一的相辐射能

量或到达表层的辐射能量的波长分布。它常用一个相关标准化的术语来表达。为了显示UV能量的分布，可以把光谱能量合并为10nm的频谱带以形成一个分布表。这样便允许不同UV灯之间的对比以及更易于光谱能量和功率的计算。灯管生产商们公布它们产品的光谱分布数据。在线检测使用多谱带射线探测仪来使光谱辐射度或辐射量特性化。他们通过对在相对狭窄（20~60nm）的频带中的辐射能量的采样以获得对光谱分布有用的相对信息。由于不同厂商的射线探测仪的构造不同，对它们做相互比较是有可能的，但很困难。现在还没有这样的标准以使型号、厂家之间进行比较。

2．UV辐射度（Irradiance）：辐射度是到达表面单位面积内的辐射功率。辐射度，以每平方厘米瓦特或豪瓦来表示。它随灯管的输出功率、效率、反射系统的聚焦以及到表面的距离不同而不同。（它是灯管及几何形状的特性，故与速度无关。）直接置于UV灯下的高强度、峰值聚焦功率参考为“峰值辐射度”。辐射度包括了所有有关电源功率，效率，辐射输出，反射率，聚焦灯泡尺寸及几何形状的因素。由于UV可固化材料的吸收特性，到达表层以下的光能量要比表层的要少。在这些区域的固化条件可能有显著不同。光学厚度厚的材料（或者高吸收性，或者物理结构厚，或者两者有之）可能会减少光效率，从而导致材料深层的固化不充分。在油墨或涂层里，表面较高的辐射度会提供相对觉高的光能量。固化的深度更多地是被辐射度影响而不是较长的曝光时间（辐射量）。辐射度的影响对于高吸收性（高不透明度）的薄膜更重要。高辐射度允许使用较少的光触发剂。光子密度的增加增多了光子—光触发剂的碰撞，从而补偿了光触发剂浓度的减少。这对于较厚的涂层会有效，因为表层的---光触发剂吸收和阻碍了同一波长到达深层的光触发剂分子。

3．UV辐射量

到达表面单位面积的辐射能量。辐射量表示到达表面的光子总量（而辐射度则是到达的速率）。在任一给定光源下，辐射量与速度成反比而与曝光的数量成正比。辐射量是辐射度的时间累积，以每平方厘米Joules或转miliJoules表示，（遗憾的是，没有有关辐射度或光谱内容换为以辐射量测量的信息，它仅仅是被曝光表面能量的累积。）它的意义在于它是唯一包括了速度参数和曝光时间参数的特性显现。

4．红外辐射密度：红外辐射主要是由UV源的石英泡发射出来的红外能量。红外能量和UV能量一起被收集并聚焦在工作表层。这决定于IR的反射率和反射器的效率。IR能量可以被转换为辐射量或辐射度单位。但通常，它所产生的表面温度才是被注意的重要之处。它所产生的热量可能有害也可能有益。结合UV灯解决温度与IR之间关系的技术有许多。可以分为减少发射，传送和控制热量移动。发射的减少通过使用小直径的灯泡来实现，因为正是hot quartz的表面区域发射几乎所有的IR。传递的减少可通过在灯管后面使用分色的反射器（cold mirror）来实现；或在灯管与目标之间使用分色窗（hot mirror）。热量移动降低了目标的温度—但仅仅是在IR已引起了温度升高之后—可使用冷气流或散热装置来控制热量的移动。IR能量的吸收由材料本身决定—油墨、涂层或基片。速度对由入射的IR能量及工作表面吸收的能量引起的温度有重大影响。过程越快，被吸收的IR能量越少，引起温度升高。可通过改进效率来加快生产的过程。