理解并量化来自UV固化源的能量排放

在UV固化过程中，汞蒸汽和UV LED灯头发出的紫外线能量的特性包括辐照度、能量密度、光谱输出和光谱辐照度。理解这些元素及其量化方式，使用户能够更好地将UV固化光源与配方、工艺和材料处理的需求匹配。当UV输出适当地匹配时，能够在所需的线速度和所需的作业或偏移距离下成功且高效地进行光聚合。此外，当辐照度和能量密度的窗口在长时间内保持时，能够一致且可重复地生产高质量的产品。

通常引用的描述紫外线输出的元素包括：

• 辐照度 (W/cm2) – 这是到达固化表面的所有前向角度的辐射功率，单位面积上的功率。1 通常以有效辐照度 在规定的带宽内报告，并且在参考特定的测量紫外线固化系统工作距离时最有意义。

• 能量密度 (J/cm2) – 这是到达固化表面的辐射能量每单位面积。1 通常以有效能量密度 在特定频段内报告。虽然它可以被认为是最高峰值辐照度乘以时间，但对于大多数UV固化设置和生产线安装来说，计算能量密度会稍微复杂一些。这将在文章后面讨论。  

• 光谱输出 – 这是灯的辐射输出（W）与波长（nm）的关系。它以W/nm或W/10nm表示。1

• 光谱辐照度 – 这是每单位面积的灯的辐射功率（W/cm2）与波长（nm）的关系。换句话说，它是每种波长的辐照度。它的单位是W/cm2/nm。

辐照度、能量密度、光谱输出和光谱辐照度因灯的类型、灯供应商、灯头设计、施加的电功率和运行小时数而异。此外，最终到达固化表面的辐照度和能量密度的大小在很大程度上受到系统如何集成到生产线以及系统在调试后维护得有多好这两个因素的影响。幸运的是，一旦紫外线固化系统与配方适当地匹配并正确地集成到生产线上，固化过程将非常具有可重复性，并且可以通过定期测量辐照度和能量密度以及定期的系统维护来控制。

辐照度

辐照度 (W/cm2) 是紫外线固化系统在某瞬间单位面积上的功率，通常称为灯的强度。由于W/cm2的单位等同于J/cm2/s，辐照度可以被认为是能量密度 (J/cm2) 传递到固化表面的速度。换句话说，辐照度是剂量率。

在整个宇宙中，电磁波在离开各自的发射源时，能量会发散。随着波的发散，相应的辐照度也会减小。根据反平方定律，辐照度与所行进距离的平方成反比。因此，如果已知发射源一定距离处的辐照度，可以使用反平方定律计算在第二个距离处的辐照度。

在紫外线固化灯头的附近，辐照度仅大约与反平方定律成正比。这是因为工程师在灯头设计中加入反射器和其他光学元件，以在短距离内重新定向紫外线光线并最小化光线的自然扩散。此外，在紫外线LED灯头的情况下，发射源由许多小二极管组成，每个二极管作为一个单独的辐射光点源。为了使从多个LED点光源发射的波均匀混合并最终形成一个均匀辐射的单一光源，需要较短的传播距离。反射器、光学元件和使用多个二极管在紫外线固化灯头的短距离内绕过了反平方定律。

工程师使用光学元件和反射器来聚焦或使UV固化系统的输出平行化。光学元件和反射器会集中光线，从而在预期的工作距离处增加辐照度的强度，或者在定义的工作距离范围内保持辐照度的相对恒定。对于传统的电弧灯和微波灯，聚焦集中区域被称为焦点。相反，没有焦点或其它光学元件的常规和UV LED系统，会导致光线在灯头组件外部自然发散。这会覆盖一个更广泛的表面面积的UV光。将灯头安装在使得固化表面在焦点之外的情况下，也会产生类似的结果。通常，漫射系统、安装在焦点之外的系统，以及安装在越来越大的工作距离上的系统会导致固化表面的辐照度降低。

对于电弧灯，辐照度在焦点处最大。对于没有焦点的UV LED固化系统，以及具有漫射分布的常规灯，辐照度在灯头或石英窗的出口附近最大。由于技术固有的差异，UV LED固化系统可以设计成发出更少、类似或显著更高的辐照度值，与中压汞灯相比。然而，UV LED系统在更窄的波长范围内发出这种辐照度，这使得直接比较传统和LED固化系统变得困难。正如之前所述，两种技术的辐照度值受到光传播距离的严重影响。因此，灯头与紫外线测量工具顶部表面或灯头与固化表面之间的偏移距离是重要的，并且在设置和记录保存时应始终注意。

除了电弧灯和UV LED的辐照度依赖于灯头配置（如聚焦或漫射）之外，UV固化系统的发出辐照度随着灯功率和偏移距离的相应变化而增加和减少。只要灯功率和灯头相对于固化表面的位置不改变，并且忽略随时间逐渐退化的灯，无论网纹、片材或零件在UV固化系统前如何快速或缓慢移动或停留，辐照度在辐照度曲线上的每个点上保持恒定。

在实际操作中，由于大多数UV固化过程都包含某种形式的材料处理或灯头自动化，固化表面通常相对于发射源移动。因此，照射到固化表面上一小移动区域的辐照度在曝光时间内并不是恒定的。这种动态曝光是由于发射输出的微小变化、由于网版弹跳或零件形状导致的工作距离波动、快门动作的时间延迟、固化表面经过固定灯头，或灯头经过固定固化表面。动态曝光是指任何在配方反应时间内固化表面经历变量辐照度的过程。

想象一个较小的区域在更大的网、片或部件上移动，靠近、在下方和远离一个固定的紫外线固化光源。当选定的区域接近光线时，到达该区域的峰值辐照度迅速增加。该区域的辐照度继续增加，直到在区域通过灯头的焦点或中心点时达到最大值。当同样的较小区域在固化表面上继续远离灯头的焦点或中心点时，到达该区域的峰值辐照度迅速减少。紫外线辐照度曲线图地说明了传递到固化表面的峰值辐照度如何随时间变化。对于刚刚描述的情况，紫外线辐照度曲线图类似于钟形曲线。

相比之下，静态曝光是指在配方整个反应时间内，固化表面经历恒定辐照度的任何过程。这在点固化和区域固化应用以及特殊设计的固化腔中是可能的。在每种情况下，灯头和固化表面都不移动，整个固化表面在整个反应过程中均匀曝光，所交付的紫外线能量是瞬间开启和瞬间关闭。静态曝光由以下矩形辐照度分布图表示。

能量密度

能量密度 (J/cm2) 是系统在单位时间内每单位面积所传递的总能量，通常称为剂量。从数学上讲，能量密度是辐照度随时间的积分，通常通过将峰值辐照度乘以曝光或暴露时间来估算。然而，使用乘法估算通常会得出过高的能量密度值，因为固化表面的辐照度很少是静态的。这通过以下静态和动态辐照度曲线图得到了说明，其中能量密度等同于曲线下的面积。

矩形轮廓表示静态曝光，其中辐照度在时间上是恒定的。相比之下，钟形轮廓表示动态曝光，其中无论是固化表面还是灯头相对于另一个在移动。矩形轮廓下的面积可以通过将峰值辐照度乘以总曝光时间来轻松计算。在动态曝光的情况下，将峰值辐照度（在钟形曲线的顶部出现）乘以总曝光时间会严重高估能量密度。

能量密度可以通过增加灯功率、降低线速度、增加停留时间、增加更多灯或者在光线下多次通过固化表面来提高。虽然在某些特定气氛、集成和灯方向的情况下，能量密度会有所变化，但大多数应用中工作距离对能量密度的影响较小。对于LED灯，使用具有优化间距的更宽灯体也可以提供额外的能量密度。

光谱输出和光谱辐照度

光谱输出是灯的辐射输出（W）与波长（nm）的关系。光谱输出以W/nm或W/10nm表示。1 与之密切相关的是光谱辐照度，它是每单位波长的辐照度（W/cm2/nm）。1 两者都使用分光光度计进行测量，分光光度计结合了辐射计和单色仪的功能，以细分为带宽的测量辐照度。1

紫外线和可见光波长通常以十亿分之一米（0.000000001 m）或纳米（nm）为单位来测量。供参考，一张纸的厚度约为100,000纳米。ISO2标准紫外线光谱范围定义为10到400纳米，而可见光范围为400到700纳米。为了紫外线固化的目的，行业机构和专家将紫外线光定义为200到450纳米之间的波长。因此，在实践中经常引用和使用不同的，有时重叠的范围。用光谱输出或光谱辐照度图来说明和传达紫外线固化光源的波长分布以及分布 across 的相对功率是最好的方法。

光谱输出/辐照度图是一条线或柱状图，纵轴表示系统的辐射输出或辐照度，横轴表示相应的波长。光谱输出/辐照度是灯的类型因素，汞、铁和镓中压蒸汽灯以及365、385、395和405 nm的LED灯的光谱输出/辐照度是不同的。光谱输出/辐照度还取决于机械和电气系统设计特征，这些特征影响光线从灯头 directional 发射的方式；反射器、窗口和其他特征的物理性质；驱动灯的功率；以及冷却系统的有效性。产品的光谱输出/辐照度图是灯和系统供应商提供的规格。仅供参考，不是技术领域用户通常测量或再现的内容。需要指出的是，单个紫外线灯或LED的光谱输出和光谱辐照度在光源与其它组件完全集成后，与紫外线固化系统的光谱输出和光谱辐照度存在显著差异。

光谱输出/辐照度可以以多种方式显示，包括以绝对值表示的 (W/nm) 或 (W/cm2/nm) 或任意、相对和标准化（无单位）的措施。通常，曲线图以线或条形图的形式显示信息，其中条形图通常积分输出在10 nm的波段上。使用10 nm的波段使信息更容易解释，并减少量化线发射光谱效应的难度1。相对和标准化的光谱图是最常见的表示方式。

测量什么，如何测量？

虽然光谱输出和光谱辐照度是使用专用分光光度计测量的灯具规格，但辐照度和能量密度可以使用更便宜的、现成的、便携式辐射计在实地测量。

在某些情况下，例如 GEW 的 mUVm 选项，UV 监测 可以直接集成到灯头和相应的系统控制中。任何时间的辐照度和能量密度是通过辐射计测量的，读数总是相对于辐射计供应商选择的标准校准源。现场测量的值从来不是绝对值，而是与工厂校准源直接相关的相对值。这意味着不同的仪器可能会报告不同的值。

因此，辐射计最适合用作过程控制设备，其中相同的仪表和测量协议被一致地用于监测特定实验室或生产线的紫外线输出随时间的变化。当测量的辐照度或能量密度值低于最低水平时，可以进行系统调整以使过程重新受控。需要注意的是，辐射计是设计用来测量汞蒸汽灯或LED的。同一种仪表不能同时测量这两种类型的发射源。

辐照度计在指定的波长范围内，每秒多次采样系统的辐照度。采样记录的频率称为采样率。采样是随着仪器在光源前移动而发生的。系统报告的峰值辐照度是采样数据点中单一的最大值。在不同带宽（如UVC、UVB、UVA和UVV）下测量的峰值辐照度值不是累加的，因为峰值辐照度的定义是在特定波长或一系列波长下测量的最大值。辐照度值被采样的波长范围是仪器的一个固定规格，由仪器光电二极管的灵敏度和范围决定。

当辐射计经过紫外线源时，收集到的峰值辐照度数据点的完整集合形成了辐照度分布曲线。该分布曲线的积分，即曲线下的面积，是能量密度。对于像下图中钟形分布曲线这样的动态暴露，能量密度是通过计算和累加许多较小面积来确定的。每个小矩形的面积是通过将分布曲线上每个数据点乘以数据点之间的时间间隔来确定的。这是一个成熟的非线性分布曲线面积积分方法，因此测量能量密度的辐射计被称为积分辐射计。

汞和UV LED固化源的光谱输出差异

传统UV固化系统的输出涵盖紫外线 (UV)、可见光和红外波长。因此，无论是弧形还是微波UV灯都被称为宽带或宽谱。标准中压汞蒸气系统的输出在紫外线、可见光和红外线方面大致相等。通过添加少量金属掺杂剂（如铁 (Fe)、镓 (Ga)、铅 (Pb)、锡 (Sn)、铋 (Bi) 或铟 (In)）可以在紫外线波段内稍微改变光谱分布。往基态汞和惰性气体混合物中添加金属的灯通常被称为掺杂、添加剂或金属卤化物灯。

相比之下，UV LED的输出集中在紫外线范围内，同时也有一定的可见光输出，但没有红外光输出。当电流通过制造的固态二极管阵列时，UV LED会发出光。许多个离散的二极管被封装成一排、多排或列，或其他配置。二极管阵列形成了发射源的长度和宽度。UV LED系统的光谱输出基于复杂的材料科学，数百或数千个二极管在洁净室的晶圆上逐层生长，然后在制造后被单独切片或提取。LED的发射波长在生产后无法改变或调谐；然而，其辐照度的大小对于给定的固化系统来说 highly adjustable，并且通常比电弧和微波灯的调节范围更大。

以下光谱辐照度图表说明了宽波段汞灯与商业上可用的紫外线LED之间的大致关系。标准汞输出由许多绿色阴影的峰值表示，而紫外线LED输出则由较高的紫色钟形曲线表示。大约三分之一的汞输出落在右侧的红外区域（700纳米至1毫米），该区域在图示中未显示。相比之下，紫外线LED系统没有红外线，这意味着它们不像传统汞灯那样将大量总热量传递到固化表面。然而，紫外线仍然是辐射能量的一种形式，当紫外线到达表面时，部分紫外线能量最终会转化为热能。

这个光谱辐照度图表传达了哪些重要信息？

光谱辐照度图表清楚地说明了汞（Hg）宽带输出和UV LED技术在UVC（200至285 nm）、UVB（285至315 nm）、UVA（315至400 nm）、UVV（400至450 nm）和可见光（400至700 nm）波长范围内的准单色输出之间的差异。其次，它展示了 broadband灯在不同波长的辐照度相对大小，并表明使用UV LED可以获得比汞更高的辐照度。最后，虽然汞灯和UV LED系统都发出紫外线能量，但显然在波长和辐照度方面存在显著差异，这些差异必须在系统、配方和应用开发中加以考虑。

应当强调的是，此图表是典型GEW电弧灯和GEW商用LED系统的通用示意图。对于另一种产品，电弧灯的分布会略有不同，而对于增材灯，分布会显著不同。从采购的角度来看，UV LED是由半导体制造商根据波长公差和输出来供应和定价的，典型公差为±5 nm。因此，二极管堆叠总会有些微小的偏差，这会影响LED曲线峰值的光谱分布和波长。对于LED，小的波长偏移通常不会产生太大的影响。对于大多数UV LED固化应用，在交联过程中，起更大作用的是在特定紫外线LED波长下辐照度和相应的能量密度的大小。

在实际中，如何使用光谱输出/辐照度图表？

光谱输出/辐照度图表主要用来比较不同的固化灯或系统设计，并正确地将它们与现有的UV配方的光引发剂包和颜料负载匹配。配方师和原材料供应商也依靠光谱输出/辐照度图表来开发新的化学成分。并不是所有的UV光源都能固化所有的配方，某些光谱发射在某些应用中比其他应用更适用。这是因为配方师从一系列商业上可获得的光引发剂中进行选择。光引发剂是化学成分中吸收UV光并在聚合物内驱动交联的部分。尽管光引发剂在广泛的波长范围内吸收UV光，给定的光引发剂对某些波长总是更活跃，并且需要最低阈值辐照度才能引发。不同的光引发剂在设计、与UV能量的反应以及与其他化学物质的反应方面也会产生不同的美学和功能聚合物特性。配方师根据制造线和印刷机的需求以及最终产品使用的需要，将现有的光引发剂吸收曲线与光谱输出图表进行评估，并做出权衡和混合决策。配方师将现有的光引发剂吸收曲线与光谱输出图表进行比较，并根据生产线、印刷机以及最终产品使用要求的需要进行权衡和混合决策。配方师将现有的光引发剂吸收曲线与光谱输出图表进行比较，并根据生产线、印刷机以及最终产品使用要求的需要进行折衷和混合决策。

电弧和UV LED固化系统的工作波长穿透

如以下图像所示，较长的UVA和UVV波长能够穿透到油墨、涂层和粘合剂中，而较短的UVC波长则在化学物质的表面被吸收。基于这些信息以及商业固化装置的光谱输出和光谱辐照度，配方师推荐哪些光源和灯类型更适用于他们的油墨、涂层和粘合剂。这些推荐以灯规格（汞、铁、镓等）或LED波长偏好（365、385、395或405 nm）的形式出现。最终，配方师的任务是确保他们的产品能够在广泛的UV固化系统中工作，这些系统不一定会发出相同输出，这并不总是件容易的事。

图2：VUV和UVC的波长在表面被吸收，而UVA和UVD的波长在配方的整个厚度内被吸收。配方被设计成对UV固化源发出的特定波长分布作出反应。

没有直接模仿宽光谱汞灯的UV LED光源，但LED发出的较长波长导致其光谱分布更类似于铁或镓灯的上部，这些灯在385到405纳米范围内也发出一些输出。385、395和405纳米的LED以及掺铁和镓的灯都利用较长的、接近可见光的波长，能够深入化学物质并产生更好的穿透固化，特别是在较厚、不透明的白色和高度着色的配方中。对于UV LED清漆，实现不发黄的硬、化学和抗刮擦表面固化是主要挑战。这是因为大多数涂料配方依赖于宽带灯发出的较短UVC波长在表面进行交联。以及对较长波长的UV LED光反应的光引发剂在曝光过程中可能会变黄或浑浊。虽然这种轻微的变色可以通过油墨中的颜料轻松遮盖，但在透明化学物质中可能更明显。

一般来说，UV LED系统在深度穿透固化方面比传统系统具有优势。这是由于UVA和UVV波长的集中；然而，当配方未针对发出非UVC波长的光源进行优化时，UV LED在表面固化方面可能会遇到困难。当匹配不佳时，UV LED固化可能会使某些配方摸起来粘腻或 greasy。优化化学成分、正确选择UV LED源、使用更高的辐照度和谨慎整合通常可以消除表面固化问题。将UVC二极管添加到LED固化设备中，可能最终对更复杂的工业涂层是必要的；然而，尽管275至285 nm波长范围内的UVC LED在峰值辐照度、可靠性和寿命方面取得了重大改进，该技术落后于UVA LED，并且在大多数应用中尚未具有经济可行性。今天在制造线上安装和运行的大多数UV LED固化系统是395 nm，而大多数用于印刷应用的油墨、涂层和粘合剂都是为此波长设计的。

辐照度、能量密度和波长

辐照度、能量密度和波长在紫外线固化中都起着至关重要的作用。首先，必须向固化表面提供最低水平的辐照度，以确保光引发剂包装在容易吸收的波长范围内。在这种情况下，光引发剂吸收紫外线能量，生成自由基，并驱动化学键的交联。在动态紫外线固化过程中， bell-shaped 辐照度分布的最外端通常会低于最低阈值辐照度，不能在化学物质中产生足够的交联，但随着固化表面靠近灯头，很快就能建立更合适的辐照度。其次，在反应长度范围内必须保持最低辐照度阈值或更高。最后，一旦必要的辐照度被传递并保持在固化表面，能量密度成为固化的主要驱动力，并且是最快生产线速度或最短循环时间的限制因素。换句话说，能量密度是制造线上最大材料处理速度和在UV油墨、涂层和粘合剂中可实现的光聚合程度的重要贡献者。

紫外线化学的演变

将近70年来，根据市场和应用，UV固化行业已经制定了针对传统汞灯和掺汞灯的光谱发射的化学物质。所有历史化学物质都使用了特定设计以响应汞灯的宽光谱输出的原材料。一些配方商在2005年至2010年间开始了窄带UVA LED化学物质的专门开发工作。然而，大多数成熟的固化行业直到终端用户兴趣增加且UV LED固化可行性和经济性改善后才延迟参与。2010年至2020年间，更多的配方商进入了这一领域，许多其他配方商，特别是在工业涂料领域，随着日历接近2021年，才刚刚开始。这也可以应用于许多传统固化系统供应商，他们推迟发布UV LED系统，直到市场需求实现。

通常情况下，为广泛谱汞灯系统设计的传统配方的UV化学物质在使用长波长和准单色的UV LED时无法很好地固化。由于光谱输出的差异，传统化学物质必须重新配方才能在UV LED光源下完全固化。随着越来越多的油墨、涂层和粘合剂公司开发UV LED产品，他们越来越多地设计化学物质，以便单个配方可以在LED和传统广泛谱灯之间进行固化。这种化学物质被称为双固化化学物质，旨在帮助减少SKU并简化向UV LED技术的过渡。

在未来几年里，越来越多的配方将具备双固化能力，而汞单固化配方将被取代并最终停止生产。这并不意味着所有历史上为电弧灯设计的东西都会在明天消失，许多行业，特别是那些使用功能性工业油墨和涂层以及那些运行复杂的三维零件轮廓并在更大的工作距离上进行固化的行业，需要对配方、灯具和集成进行进一步的研究开发。这句话只是意味着，有必要关注每个特定行业正在发生的事情，以了解LED对现有UV制造过程的影响。向UV LED的过渡正在进行中；然而，相对于每个行业和应用的需求，这一过渡是逐步和渐进的。关注应用的光谱输出、光谱辐照度、辐照度和能量密度需求是确定特定电弧灯或特定UV LED固化系统是否能固化油墨、涂层或粘合剂以及哪种灯类型或LED波长对整体工艺和化学反应最优化的关键。  

1- RadTech North America. (2005). 术语表 – 用于紫外线 (UV) 固化过程设计和测量的术语. RadTech UV 测量小组. 第 1 – 6 页. https://www.radtech.org/images/pdf_upload/UVGLOSS_rev4-05.pdf
2 – 国际标准化组织.