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UV固化原理

UV固化原理
UV固化原理

UV技術簡介

一.UV含義

UV是紫外線Ultraviolet Light的英文簡稱﹐它是一种放射線﹐波長范圍是200~400nm﹐具体分為以下類型﹕

a. UVA (315-400nm) 用于低能量的UV聚合反应.也用于荧光检验

b. UVB (280-315nm) 同UVA一起用于聚合反应, UVB是皮肤晒黑, 灼伤的原因

c. UVC (200-280nm) 用于UV油墨和漆的快速表 面固化, 也用于消毒和杀菌

電磁波光譜圖

二. UV膠优缺點

使用UV膠的优缺點如下﹕

优點 缺點

1 快速固化 設備投資較大

2 提高產品生產效率 材料需透紫外光或有可暴露的接著界面

3 損耗量較低

4 适合全自動化生產

5 合乎健康及環境法要求

三. UV膠的組成

UV膠一般都是由以下組成﹕

a.單体﹕

>丙烯酸酯﹔

>氰基丙烯酸酯

>环氧树脂

>硅酮

b.光引發剂

四. UV膠硬化机理

如圖所示﹐UV膠中的光引發剂在UV線的照射下產生活化的自由基﹐表面活化的自由基在UV光(250nm)照射下﹐与氧气起化學反應﹐生成二氧化基及單体﹐內部的活化的自由基与單体在UV光(365nm)照射下起化學反應﹐生成單体自由基﹐其在UV光(365nm)照射下又与單体起化學反應再結合﹐如此類推﹐最后變成聚合物﹐這就是UV膠的硬化机理。

硬化机理

五. 表面硬化与深度硬化

不同波長的UV﹐對膠水硬化的程度是不同的﹐具体如下﹕

a. UVC, UVB ﹕230~315nm 表面硬化 ﹕表面脫黏

b. UVA﹕315~400nm 深度硬化 ﹕玻璃黏結﹐深的粘結層

表面硬化与深度硬化

六. 影響UV硬化的因素

1.波長

沒有燈管能對整個UV范圍有效﹐且并非所有感光起始劑都會吸收相同光譜的光子﹐故選擇合适的光譜對硬化速率有重要關系。大多數UV短波對材料表干有影響﹐而長波對材料深處有影響。失去短波會使表面黏黏的﹐失去長波其密著性會變差。

2.照度

UV燈所送出的光﹐稱為照度或強度﹐其單位為w或mw/cm2.也就是說在硬化過程中﹐瞬間到達素材表面每單位面積接受到的放射能量。而決定照度的因素有﹕

a.燈管本身的放射功率

其他條件相同時﹐放射功率越大﹐照度就越大。

b.燈管的管徑

其他條件相同時﹐管經越大﹐照度就越大。

c.反射鏡的反射能力

其他條件相同時﹐反射能力越強﹐照度就越大。

d.照射距离

其他條件相同時﹐照射距离越短﹐照度就越大。

3.UV能量

又稱累積良或劑量﹐是素材照射到UV光多少時間的累積能量﹐即照度与時間的乘積﹐其單位為J或

mJ/cm2.簡單的說﹐在相同條件下﹐減少照射時間﹐得到的UV能量就減少﹔增加照射時間﹐得到的UV能量就增加。不同的照度与照射時間的乘積﹐可能到相同的UV能量﹐但得到的硬化效果是不一樣的。如圖所示﹐

為了得到500mJ/ cm2的UV能量﹕

a.照度為50mw/ cm2的的燈管所需照射時間為

500mJ/ cm2 / 50mw/ cm2 = 10 sec

此時得到的硬化效果是﹕硬化深度約為1.4mm﹔

b.照度為30 mw/ cm2的的燈管所需照射時間為

500mJ/ cm2 / 30mw/ cm2 = 16.7 sec

此時得到的硬化效果是﹕硬化深度約為1.8mm。

顯而易見﹐兩者的硬化效果是有很大差別的。

4.涂膜的厚度

涂膜越厚﹐所需UV照度越強。只是涂膜厚度与照度非正比關系﹐而是成指數比例關系。膜層增加二倍﹐

UV照度可能要增加十倍才能達硬化完全。

5.其他

a.膠材的配方﹕不同的配方設計﹐對硬化速度有很大影響。而最快硬化的配方﹐并不絕對是我們

產品硬化后所要的物品特性。

b.素材本身﹕看素材本身﹐是否适用UV硬化﹔是否需要做前處理。因為素材表面﹐如有污積或

脫模劑等化學物質﹐UV油墨很難与這种素材接合。破坏這些物質方法有﹕化學洗劑清洗﹐火

焰處理﹐烘烤﹐電暈等方法。

c.燈源品質﹕燈管老化使功率衰減將影響硬化。

d.机器設備﹕傳動裝置是否穩定。

e.人為因素

七. UV硬化設備介紹

UV照射設備基本上包括﹕

1.UV燈管(UV LAMP)

2.反射鏡組(REFLECTOR)

3.電源供應器(BALLAST)

4.遮光﹐冷卻及安全裝置

目前在廣泛使用的UV燈源設備可分為兩大類﹕

1.電极式UV燈

2.無電极式UV燈

以下分別說明兩种燈的构造﹕

A.傳統電极式UV燈源系統(Electrode Lamp)

此种燈源系統UV光的產生﹐是利用高電壓﹐使電流在燈管中流過﹐將石英管中的化學物質气化而放射UV 光﹐主要包括四大部分﹕

a.燈管

一般此類UV燈管﹐被稱為中壓水銀燈。燈管材質是石英玻璃﹐內含水銀与游离气体。燈內的水銀在室溫是液態﹐燈管兩端的電极通電后會產生電弧﹐等管的溫度隨著上升﹐使水銀產生气化﹐這段气化時間﹐一般稱作暖机。暖机時間約從20秒到几分鐘左右﹐且當關燈后無法馬上再開燈使用﹐必須要等15~20分鐘﹐讓燈冷卻后﹐才能重新開燈使用﹔燈管在正常操作下﹐內部蒸气壓力約為1~2大气壓﹔工作時﹐石英璃表面溫度介于攝氏700~900度。除中壓水銀燈燈管外﹐電极式燈管還有高壓水銀燈﹐低壓水銀燈及脈動式燈。

其中高﹐中﹐低壓水銀燈燈管中的電子流動是連續的﹔而脈動式燈﹐則是將能量先大量聚集后再以脈動方式放射。另外還有一种是金屬鹵素燈﹐其工作方式与中壓水銀燈一樣。不管那种有极燈﹐在正常操作下﹐前1000時會衰減約15%或更多。燈管的壽命﹐与每次使用的時間長短﹐點燈的次數﹐放射罩內溫度的控制﹐電源供應器的穩定性等因素都有關系。一般有极燈管都有約1000小時的保用時間﹐這是基于每次開燈后﹐必須使用四小時以上的累計時間而言。高溫下﹐長電极式燈管容易造成中間部分下垂﹐無法保持在焦線上﹐會造成寬幅產品﹐無法均勻的硬化。

b.反射罩与快門

此部分主要是用來支撐燈管﹐并适當的冷卻燈管兩端部分。反射鏡罩內部有反射片﹐是用來反射UV能量﹐使達到最有效率的使用﹔電极式燈管為了配合﹐當使用者不用燈時﹐又不能關燈時而設計快門﹐但因快門長期工作在高溫狀況﹐所以時間久了﹐有可能發生開關不順。

c.電源供應器

電源供應器主要是﹐提供高電壓使燈管點燈后并供應穩定的操作電壓﹐此類UV燈管﹐必須用高壓去啟動電极﹐并用穩定性較好及較低的電壓來維持正常的燈管工作。

d.遮光﹐冷卻及安全裝置

遮光﹐冷卻及安全裝置是為确保操作者的安全﹐及适當的設備使用功能。

有极式燈管無极式燈管

B.無電极式UV燈源系統(Electrodeless Lamp)

無電极式UV燈源系統UV光的產生﹐是利用微波激發燈管中的水銀或其它特殊物質﹐而產生的光效應。主要包括下面部分﹕

a.燈管

燈管是一支石英玻璃管﹐內有少量的水銀和很容易离子化的啟動气体。在一個由微波產生的高頻率和高強度的電場中﹐燈管中的啟動气体被激發到非常高能量和高溫度的程度﹐使燈管中的水銀瞬間被蒸發成气体﹐而放出UV光。由于在產生UV光的過程中﹐并沒有任何燃燒變化﹐和內部交互反應發生﹐所以此類燈管不因使用時間的增加而有所消耗﹐因此不會衰減。

b.反射鏡

是用來反射UV能量﹐使達到最有效率的使用。

c. 電源供應器

此系統在電源供應器上﹐除了供應燈管工作電力外﹐加上一些特殊功能﹕

>OFF/STAND/BYON的控制﹕從STANDBY到ON的狀態﹐只需2~3秒﹔當切換至STANDBY時﹐消耗電流約1.5A左右﹐相當省電。

>故障自動顯示系統﹕提供8顆LED或LCD顯示器﹐顯示故障狀態﹐便于檢修。

d. 冷卻与安全裝置

冷卻系統﹐由一鼓風机將風經磁控管上面﹐吹下流經磁控管的冷卻鰭﹐通過反射片的小孔﹐而進一步的使燈管均勻地冷卻﹔安全裝置有

>風壓開關-----時監視冷卻風量﹐一旦風扇停下來﹐机器馬上關机﹐确保燈管的壽命﹔

>光敏電阻-----當UV照度達不到70%時﹐机器自動停机﹐确保生產品品質的穩定﹔

>溫度開關-----當電源供應器溫度過高﹐机器自動停机﹐确保不會損毀机器﹔

>微波偵測器﹕當有微波外泄時﹐机器自動停机﹐确保操作人員的安全。

e. 磁控管

磁控管可產生2450MHZ微波頻率的微波能量﹐此能量經導波管﹐將能量引導射在燈管上面﹐以產生UV光。

無极燈源部分結构

八. UV照射設備如何進行正确的點檢及保養

從UV照射設備工作原理來看﹐燈管發出的UV能量是一個能反應設備是否正常工作的唯一參數﹐只要該參數在設定值內﹐就表明該設備處于正常工作狀態。

a.點檢方法﹕使用光強測量儀測量出燈管的UV能量﹐參照燈管的能量值﹐依測量值判定設備是否正常

工作﹐若設備不是正常工作﹐則需進行保養﹔

b. 保養方法﹕更換新燈泡﹔若更換新燈管后還不能正常工作﹐則須請供應商來維修

九. 如何确定制程時間

每种型號的UV膠都有各自的技術參數﹐里面有注明該种UV膠的硬化特性﹐硬化時間及硬化深度与不同UV燈光強關系的曲線圖﹐只要确定UV等的光強及要硬化的膠水的厚度﹐就可以從曲線圖上取得最佳的硬化時間。例如﹕某种UV膠的硬化深度与不同UV燈光強關系的曲線圖如下圖﹐只要确定UV燈管的類型及測量其UV光強﹐就可以從圖上得到最佳的硬化時間。

十. 安全防護

由于UV(短于200nm)光線直接照射眼睛會造成永久性傷害﹐同時﹐高強度的UV光會嚴重灼傷皮膚﹐故使用UV設備一定要安全防護。一般有以下措施﹕

1.密封系統使得從外面無法看到UV光線﹔

2.适當的通風系統以冷卻反射罩和燈座﹔

3.燈管和操作員之間有屏蔽

>UV過濾眼鏡/護目鏡

>适當設置擋板

>在送料區有UV過濾塑料/擋板

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