UV固化科学
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UV固化科学
固化是指在聚合过程中发生的化学反应。聚合过程涉及连接或交联不相连的分子和较短的聚合物链，使它们形成更长、更硬和更坚硬的聚合物链。虽然许多物质具有聚合物结构，但聚合物化学和聚合物工程主要关注涉及塑料和橡胶的材料和过程。
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UV光聚合，也称为辐射固化或简称UV固化，是一种特定的聚合反应类别，其中紫外线能量驱动UV配方材料（如油墨、涂层、粘合剂和挤出材料）内的交联反应。该技术已经在许多不同行业中各种各样的制造过程中成功应用了近三个世纪。这是因为UV固化能够产生高度期望的材料性能，具有高速、占地面积小的安装，能够瞬间高效地将手触潮湿的材料转化为手触干燥的固体结构。
在许多应用中，UV配方由固体或高固体材料制成，不包含液体载体。固体颗粒足够小且足够多，可以像液体一样应用于各种表面。尽管用户和行业供应商有时将UV固化快速结构变化描述为干燥，但UV配方的油墨、涂层和粘合剂并不是干燥的。它们是固化的。
相比之下，传统的水性和溶剂型 formulation 含有实际的液体载体，其主要目的是通过各种印刷、喷涂、涂层和滴注方法将所需的固体含量应用于预期表面。一旦涂布，载体的工作就完成了，必须使用强制空气或热风干燥器将其蒸发或干燥。在蒸发之后，只有固体颗粒留在零件、基材或结构的表面上。对于溶剂型载体，法规通常要求在向环境释放之前，将蒸发的溶剂蒸汽在后燃器中燃烧。
对于许多不使用紫外线光固化而是依赖自然干燥的水性和溶剂型工艺，必须在生产线上整合长干燥隧道和能耗大的烤箱以主动促进蒸发。与紫外线固化不同，干燥过程不会导致化学分子的变化。它们只是留下断开的、残留在非多孔材料（如塑料和金属）表面或稍被多孔结构（如木材和纸张）吸收的残余固体。残余固体通常容易受到划痕、磨损、擦伤、化学破坏和风化的影响。在许多情况下，必须使用清漆顶级涂层以及其它保护机制（如膜层贴合）与水性和溶剂型材料一起使用。
通过紫外线固化，长聚合物链和极其强大的分子结构赋予了高度期望的物理、机械和美学特性，从而最终提高了许多日常物品的整体外观、质量和性能。因此，紫外线固化被广泛应用于制造商生产鲜艳的油墨颜色；视觉、触觉和触觉特殊效果；极其强大的破坏键；优越的化学抗性和耐候性；以及诸如硬度、滑动性和抗冲击性等令人满意的表面质量。紫外线固化对环境友好，因为它消除了耗能的烤箱和干燥隧道、挥发性有机化合物（VOCs）和有害空气污染物（HAPs）。由于紫外线固化过程在几秒钟内进行化学交联，由于反应在终止时已完成，因此在最后一个UV固化站之后，可以立即进行后固化处理、转化、包装、组装、灌装和运输。
光科学
电磁波谱代表了宇宙中所有光的连续范围，包括地球上的物体和天体发出的光。由于光总是从发射源向外部辐射，因此它通常被称为电磁辐射或简称辐射。下图显示了电磁波谱的图形表示。
电磁波谱被分为伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波。紫外线带进一步分为真空紫外线、UVC、UVB、UVA和UVV。无线电波被细分为雷达、电视、调频和调幅，微波作为雷达的一个较小子段被区分，并且更常作为一个在红外线和无线电波之间的独立频段。光谱上的每一段都通过波长、频率和光子能量离散量化。除了可见光在与物体相互作用时产生颜色外，光谱内的所有光都是不可见的。
光区之间的边界不是刚性的，没有官方确定的波长来划分它们的界限。因此，不同的行业、组织、标准和测量仪器参考的范围略有不同。对于UV固化的目的，通常使用以下范围。
真空紫外线 (100 – 200 nm) – 电磁波谱中100到200纳米之间的部分。真空紫外线波长因此得名，因为它们在真空中传播良好，不能在空气中传播。从固化系统发出的真空紫外线仅在紫外线系统和固化表面在氮气惰性环境中操作时对光聚合过程有效。根据惰性环境中的氧气浓度，真空紫外线可能会生成臭氧。
UVC (200 – 280 nm) – 电磁波谱中波长在200到280纳米之间的部分。UVC通常被称为短波紫外线或杀菌紫外线，人眼无法看到。臭氧通常在240纳米及更短的UVC波长下产生。UVC波长在紫外线化学反应的表面被吸收，并驱动表面固化。
UVB (280 – 315 nm) – 电磁波谱中280到315 nm之间的部分。UVB对人眼不可见。UVB波长比UVC更深入地穿透化学物质，但没有UVA和UVV深。
UVA (315 – 400 nm) – 电磁波谱中315到400 nm的部分。UVA占据了最大的紫外线能量，通常被称为长波紫外线。UVA位于人类眼睛能看见颜色的最低限。UVA波长能够深入紫外线化学反应。
UVV (400 – 450 nm) – 电磁波谱中400到450纳米的部分。V代表可见光，因为这些波长被人类眼睛感知为颜色，并且重叠了可见光谱的一小部分。UVV波长能够深入到紫外线化学中。
紫外线 (100 – 450 nm) – 电磁波谱中波长在100到450纳米之间的部分。紫外线和可见光的界限没有明确规定，通常认为在400到450纳米之间。紫外线的波长在人的肉眼中看到的紫色之外。
可见光 (400 – 700 nm) – 电磁波谱中波长在400到700纳米之间的部分。可见光包含所有颜色的色调，不同颜色是由不同波长或不同波长组合反射 off 物体产生的。可见光谱通常用彩虹来表示。
红外线 (700 nm – 0.1 mm) – 电磁波谱中波长在700 nm到0.1 mm之间的部分。红外线的波长在人眼看到的红色之外。一些红外线波长会发出热能，而另一些则不会。红外线波长是电极和微波紫外线固化系统辐射热的主要因素。准单色的紫外线LED固化系统不会发出红外线。
微波 (0.1 mm – 10 cm) – 位于雷达和电磁波谱中更宽的无线电波部分边缘的0.1 mm到10 cm之间的狭窄频段。微波可以用于驱动特定类型的无电极或微波固化系统中的紫外线固化灯。
虽然传统的宽带紫外线光源，如微波和电弧灯，会发射UVA、UVB、UVC和UVV以及可见光和红外光，但商业上可获得的LED固化光源发射的UVA波段相对狭窄，更接近可见光（365、385、395和405纳米）。因此，传统上广泛使用的紫外线化学物质通常无法很好地与UV LED配合使用，并且必须重新配方才能仅使用更长的UVA和UVV波长进行固化。幸运的是，墨水、涂层和粘合剂公司正在越来越多地设计UV LED化学物质，使得一种配方可以使用LED和传统灯进行固化。在未来几年，越来越多的配方将转向这种双重固化能力，并推动行业逐步但不可避免地向UV LED固化方向发展。
波长、频率和光子能量
电磁波谱的每一段都是通过波长、频率和光子能量离散量化的。波长是测量光波上对应点之间的距离。它通常用希腊字母lambda (l)表示。频率是特定波长发生的速率。它以每秒周期或赫兹（Hz）为单位测量，通常用字母（f）或（v）表示。频率和波长由光速关系，其中频率是光速除以波长。当波长变长时，频率降低。相反，当波长变短时，频率增加。
频率和波长都可以用来计算光谱中所有电磁辐射的能量。这可以通过使用以下两个等价公式之一来实现，这些公式被称为普朗克-爱因斯坦关系：
根据普朗克-爱因斯坦关系，较短波长的UVC具有比较长波长的UVA更多的能量。由此推论，紫外线波段的所有波长都比可见光、红外线、微波和无线电波具有更多的能量，但比X射线和伽马射线的能量少。
辐照度 (W/cm2)
辐照度是到达表面的辐射功率每单位面积。它以瓦特或毫瓦特每平方厘米 (W/cm2 或 mW/cm2) 表示。辐照度的其他常用术语包括功率密度和瓦特密度。尽管从技术上讲不正确，但辐照度通常被称为强度，每当使用强度时，通常 understood 指的是辐照度。辐照度通常测量并报告为在广泛的紫外线波长范围内或在每个更窄的 UVC、UVB、UVA 和 UVV 段中的最高峰值值。辐照度应始终参考用于测量的辐射计以及辐射计相对于紫外线源的位置。
对于一定的固化表面与UV固化系统之间的距离，每种灯功率设置下的辐照度是固定的，且与生产线速度或曝光时间无关。换句话说，灯功率增加时，固化表面的辐照度增加；灯功率减少时，固化表面的辐照度减少。只要灯功率设置和距离不变，固化表面的该辐照度值保持恒定，无论生产线速度如何变化。
对于平板玻璃UV LED固化系统和漫射型汞蒸汽灯，表面固化各点与灯头之间的距离会影响辐照度。在两种情况下，距离越大，固化表面的辐照度越低。这是因为射出光源的光线在传播过程中会扩散或发散。这减少了光的浓度，降低了辐照度。对于聚焦型汞蒸汽灯，当固化表面位于焦点长度内或外时，辐照度在焦点长度处最大，并随固化表面移动到焦点长度内或外而减小。聚焦型汞蒸汽灯的目的是将大部分辐射的紫外线能量集中到一个狭窄的波段内，以增加绝对辐照度。
在生产情况下，大多数固化表面都会暴露在动态辐照度下。当灯头在固化表面移动而不停止，或者当固化表面在灯头下方移动而不停止时，就会发生动态辐照度。当固化表面上的点位置接近、反对以及远离紫外线源时，每个位置在每个时刻所对应的峰值辐照度会有所不同。
一个动态辐照度分布可以呈现许多形状，但它通常如下面的图形所示，以钟形曲线存在。在图表中，辐照度分布上的每个点都捕捉了每个时刻的峰值辐照度，钟形曲线的顶部表示当固化表面通过汞蒸汽灯的焦点区域或通过UV LED灯的中心时的瞬间。峰值辐照度较高的光源其分布峰值较高。峰值辐照度较低的光源其分布峰值较短。分布的宽度由UV灯头的宽度以及生产线速度或曝光时间驱动。
能量密度 (J/cm2)
能量密度是单位面积到达的总辐射能量，单位为J/cm2 或mJ/cm2。能量密度是辐照度（W/cm2 或mW/cm2）在暴露时间内积分的结果。这在之前的图像中以辐照度曲线下的面积表示。暴露时间，因此能量密度或曲线下的面积，通过减慢线速度、增加停留时间、添加额外的固化源或在紫外线LED的情况下使用更宽的喷头来增加。图形上，这些操作将钟形曲线的宽度在更长的时间内展开，使峰值变平，或者当使用多个灯头串联时，创建多个明显的峰值。
对于给定的固化应用，一旦正确的光谱输出和最低阈值辐照度传递到固化表面，影响固化速率和程度的最重要因素是能量密度。虽然辐照度是能量传递或功率的速度，能量密度是传递的总能量。提供更大能量密度的UV固化光源允许在比低能量密度的固化系统更高的线速度下进行固化。
虽然从技术上来说不正确，但能量密度通常被称为剂量，而无论何时使用剂量，通常都理解为能量密度。为了清晰起见，能量密度是指传递的能量，而剂量是指吸收的能量。在实际操作中，吸收能量很难量化；而能量密度可以通过紫外线辐射计和能量密度测试条来近似计算。在报告通过辐射计获得的能量密度值时，始终需要注意计量器和线速度。
UV固化化学和光聚合
UV 固化反应依赖于在特殊配方的油墨、涂层、胶粘剂和挤出材料中分散的光引发剂。当光引发剂暴露在100到450纳米波长的光线下时，它们吸收UV能量并产生自由基或阳离子物种。激发的物种通过引发、传递和终止反应，迅速改变原材料组分的分子结构。UV 固化应用主要使用自由基固化机制，阳离子应用仅占所有UV可固化化学成分的少数百分比。
自由基固化会产生自由基，驱动交联反应。需要持续且直接的紫外线照射来引发和传播自由基固化。反应在几秒钟内迅速终止，并形成具有所需特性的新材料。自由基化学特别容易受到氧气的影响，尤其是在固化表面。氧气分子会从固化过程中夺取自由基和/或降低自由基的强度。增加灯的辐照度、在氮气环境中固化和改变化学成分是广泛用来对抗氧气抑制的工具。
一种替代且较少使用的固化机制是阳离子固化。这种反应会产生阳离子，驱动交联反应。在阳离子固化中，需要紫外线暴露来启动固化，但后续的反应可以在没有持续或完全直接光线的情况下进行。根据化学成分和应用情况，阳离子固化过程可能需要几分钟、几小时甚至几天才能完全终止。阳离子化学对水分和温度都比较敏感，这些因素都可能干扰交联反应。因此，在使用阳离子化学时，应监测和控制环境条件。
UV固化配方，无论是自由基还是阳离子，都是由商业上可获得的材料制成的。尽管选择相当多样，但大多数原材料都归入以下类型。
光引发剂 –分子吸收特定波长范围内的紫外线能量，并通过生成自由基或阳离子来驱动光聚合反应。光引发剂的重量百分比占总UV配方的0.5到15%。
单体 – 低分子量和结构简单的树脂分子类型，能够自我或与其他相似分子键合以形成紫外线交联聚合物。单体是用于调节整体粘度并影响固化材料性能的反应性稀释剂。单体可能占总配方重量的50%，在少数情况下，可以部分或全部被水或溶剂取代。
低聚物 – 低分子量且结构简单的树脂分子类型，能够自我或与其他相似分子键合以形成紫外线交联聚合物。低聚物构成交联材料的骨架，影响许多固化材料的性能，并且在配方中重量百分比介于50%到80%之间。
添加剂 – 所有在固化前添加以调整混合物的特性以及在固化后调整聚合物特性的成分。添加剂包括流动调节剂、消泡剂、分散剂和光稳定剂等。添加剂和颜料一起构成了整体UV混合物中最小的部分。
颜料 – 一种特殊的添加剂，赋予配方颜色。
光引发剂、单体、低聚物、添加剂，有时还有颜料，由化学家混合在一起，形成UV可固化油墨、涂料、胶粘剂和挤出物。当暴露在最佳UV波长（nm）和辐照度（W/cm2）组合下时，化学物质内会生成自由基或阳离子物种。光聚合反应在极短的时间内发生，处理时间以秒的分数计算。具体时间以及混合物的适当交联能力取决于原材料的混合比例；发射源的波长（nm）、辐照度（W/cm2）和能量密度（J/cm2); 应用; 生产线设置; 以及使用自由基或阳离子固化机制。以下插图显示了未固化的UV配方以及当配方暴露于适当的UV能量来源时发生的交联。
紫外线配方的液体特性使材料能够被挤压、喷涂、喷射、点胶、滚涂、浸涂、印刷、溅射、真空镀膜或涂抹到各种表面和材料上。一旦涂抹，暴露于紫外线能量即可引发一种传播和交联的反应，高效且有效地将分子键合到坚固的均匀结构中。
UV固化过程
在紫外线固化过程中发生的交联反应只是在固化前和固化后发生的一系列许多相关制造过程中的一个步骤。所有步骤都应被识别、纳入过程、评估彼此的影响，然后加以控制，以一致地生产符合质量和最终使用性能要求的产品。
与UV固化相关的工艺步骤通常包括：
固化表面的评估 – 固化表面的形状、结构、材料类型、材料质量、表面能和清洁度都很重要。这些方面决定了是否需要预处理；合适的油墨、涂层或粘合剂配方；材料处理；以及紫外线灯头的必要方向。在工艺开发期间以及正常生产期间应定期评估表面。
预处理和基材改性 – 零件和材料表面通常需要清洁、消除静电或处理以增加表面能。这些步骤通常是为了促进油墨、涂层和粘合剂的润湿并提高附着力而进行的。处理方法包括清洗；化学浴或擦拭；防静电装置；底漆、底色或施胶剂的涂抹；火焰；电晕；等离子体；打磨；以及喷砂等。
物料搬运 – 材料表面通常以片材、狭缝或三维零件的形式通过生产设备。物料搬运必须使油墨、涂层或胶粘剂均匀地施加到材料表面，然后在灯头规定的偏移距离处暴露于紫外线源。
墨水、涂层或粘合剂配方 – 应用、材料表面、配方交付方法、固化系统及其UV输出、线速度或循环率，以及最终使用要求都会决定配方所需的特性。与配方供应商分享这些细节以确保使用最佳配方是非常重要的。
配方输送设备 – 油墨、涂层和粘合剂在生产过程中可以通过多种方式进行应用，包括喷涂、喷射、挤出、滚涂、浸涂、转移、溅射、真空涂布或 flooding。应用设备应与配方、被固化零件的类型以及其材料和形状或轮廓相匹配。生产线速度也是一个因素，因为它决定了所需的能量密度。
液体载体的蒸发 – 一些包含水或溶剂载体的UV配方也需要在暴露于紫外线之前将其蒸发。在某些情况下，零件到达固化源的路径时间足以完成蒸发，而在其他情况下，必须在过程中加入干燥机制以加速蒸发。
UV固化 – 自由基化学需要直接的视线UV暴露，UV波长与配方中的光引发剂匹配，最低阈值辐照度以适应灯与固化表面的距离，并有足够的能量密度以在所需的线速度下固化。在许多应用中，每种油墨、涂层和粘合剂都需要一个专用的UV固化系统。在其他应用中，多个配方可以通过单个灯头曝光同时固化。
辅助工艺设备 – 许多UV固化应用需要其他设备来协助固化或管理工艺条件。这包括氮气惰化系统、冷却辊或冷却板、正压或加压灯头或固化腔、洁净室、外部光学元件、UV滤波器和集成的UV测量系统。
后固化处理 – 部件或材料表面固化后，通常需要进行转换、精加工、组装、填充、包装和运输。
质量检查 – 每个应用程序都有不同的质量和性能规范。有时这包括颜色匹配。在其他情况下，可能是更多的功能性特征。应建立过程，提供可量化的目标，并在生产过程中定期监测，必要时校正过程变量。
最终用途性能 – 最终产品的使用条件在确定此列表中所有先前的工艺步骤方面至关重要。与所有与工艺相关的供应商就最终用途进行讨论非常重要。
资格、批准和认证 – 处理和紫外线固化的产品最终会供应给另一方，他们可能有特定的要求，这些要求决定了整个生产过程是否适合他们的需求或公司目标。从购买方获得适当的资格、批准和认证，并且保持适当的检验记录，通常是一个重要的步骤。
虽然提供的项目列表代表了一个UV固化过程的概述，但这不一定是所有可能活动的完全 comprehensive 列表。每个UV固化应用和每条UV制造线都将具有独特的特性，可能会引入未列出的工艺步骤。无论如何，评估UV固化应用、工艺将要被整合的制造线、后固化处理活动以及最终产品使用作为完整的工艺过程，其中每个步骤都可能对其他步骤产生影响总是很重要的。幸运的是，一旦UV固化工艺建立，它将变得非常可靠、可重复和可控。
总体而言，UV固化使制造商能够生产具有高度期望的物理、机械和美学性能的产品，从而最终改善许多日常物品的整体外观、质量和性能。了解UV固化的基础知识、光科学、UV化学和过程变量，有助于选择最佳的UV固化光源和配方，正确整合，过程控制，并稳定地生产高质量的产品。
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