UV LED技术应用现状及未来

　可行的UV LED应用清单在不断增加，支持这些应用的系统供应商、配方设计师和原始设备制造商的数量也在不断增加，所有这些某方面的持续进步与增长，对UV LED技术的现在和未来来说是个好兆头。因此，那些尚未审查自身是否需要适合自己的相关技术的企业可能会发现是时候开始了。

 

　　对于初创企业，以及多年来一直关注甚至使用该技术的人来说，本文旨在深入了解不断增长的UV LED市场空间，并提供有关如何将UV LED固化系统与特定应用的需求相匹配的一般性指导建议。

 

　　UV输出

 

　　油墨、涂料、粘合剂和挤出材料经过配制，可在一组特定的工艺条件下对给定的UV LED输出做出反应。对于每种应用和配方，都有一个UV工艺窗口，在该窗口内可以实现可接受的固化。该窗口并不窄，但有一组最佳波长，以及最小和最大辐照度和总能量密度组合，从而实现正确的固化。在此窗口内持续运行可以更好地确保最大材料处理速度、非粘性表面、固化深度、既定限度内的固化后迁移、优化产量、随时间推移的产品质量，以及预期用途内的最佳产品寿命和其他所需的标准性 。

 

　　当UV输出正确匹配应用需求并与适当配制的油墨、涂料、粘合剂或挤出材料搭配使用时，UV LED技术就会表现良好。不幸的是，没有一种通用的UV LED系统或工艺窗口能够同样适用于所有市场和机器类型的所有应用。必须根据配方、涂层重量、工厂或车间环境以及材料处理系统的配置和速度来选择UVLED 解决方案及其输出。

 

　　UV LED技术的优势在于LED的离散特性允许更广泛的固化系统设计，从而更好地满足每种独特应用的需求。与传统固化技术相比，这使得灯头形状因数和UV输出能够根据各自的市场和应用进行定制，从而产生更高效、更经济的UV LED固化解决方案。因此，这也意味着商用供应商产品之间的固化性能存在巨大差异，因为固有设计可能非常不同，并且这些差异对于 原始设备制造商和最终用户而言并不总是显而易见。

 

　　应用的演变

 

　　扫描式机器和窄幅单通道印刷机中的UV数字喷墨固定和完全固化、产品组装中使用的丝网印刷和局部固化粘合剂是2000年代中后期采用UV LED固化的首批应用。这些早期应用的共同点是生产线速度较慢，零件加工时间较长。虽然早年单个UV LED系统发出的辐照度（瓦/平方厘米）较低，但通过将灯头安装在距离固化表面10-15毫米的范围内，可以提供足够的辐照度。对于能量密度，解决方案是在静态装置中延长暴露时间，并在动态装置中使用多次通过。

 

　　早期的UV LED应用所需的灯长度通常小于450毫米。结合许多应用仅需要一两个灯即可实现快速固化的事实，总商业投资明显低于需要多个灯和更宽灯的更宽、高速商业印刷机所需的系统。所有这些因素都至关重要，因为早期的UV LED系统功能不是很强大，而且通常比传统选择更昂贵。

 

　　过去20年来，UV LED技术在性能、可靠性、寿命、输出和长度方面取得了显著提高 事实上，单跨灯头现在的长度可达2米，灯的使用寿命通常超过40,000小时。此外，许多配方现在专门针对UV LED输出进行了优化。市场也更善于将UV LED系统与工艺窗口的需求相匹配，并且由于规模经济和整个供应链的更多竞争，设备和配方的价格点都得到了改善。这使得UV LED固化技术超越了UV数字喷墨、局部固化和丝网印刷，进入了要求更高、速度更快和更广泛的商业应用——包括模拟和数字应用。这包括单张纸和卷筒纸胶印、干式胶印、柔印、木材涂层和印后装饰及家栋等。

 

　　当今UV LED技术越来越多地被使用的领域——尽管市场渗透程度不同，并且不一定适用于每个细分市场内的所有应用，但随着时间的推移，这种情况将继续得到改善。需要不同的UV LED灯设计以及特定于应用的配方，才能使多种不同的印刷、涂布和粘合工艺变得可行。因此，对于每种应用，各方（UV LED 固化系统供应商、配方设计师、OEM机器制造商、集成商和最终用户）之间建立牢固的工作关系非常重要。在所有情况下，如果存在可行的配方，则可以通过一些反复试验和工艺优化来实现可行的UV LED解决方案。这一切都归结为识别过程变量并将UV LED系统与应用、配方和材料处理设备相匹配。

 

　　将UV LED系统与应用、配方和材料处理设备相匹配

 

　　可供选择的UV LED固化系统和供应商越来越多。所有产品都声称具有非常相似的产品功能和操作优势，最明显的区别在于峰值辐照度、冷却方法、灯外形尺寸和系统集成。不幸的是，仅了解这些知识不足以将UV LED固化系统与给定应用相匹配。技术规格表很少解释为什么产品最适合给定的应用，也很少参考给定卷材、纸张运行速度下的标称电输入功率和能量密度。匹配 UV LED固化系统时，应考虑以下一般准则。

 

　　最终固化特性：最终固化所需的机械、化学、功能和美学特性以及预期的产品用途应予以明确，并有助于推动配方化学，并最终决定当今UV LED固化解决方案是否可行。例如，油墨、光油和自由基糖浆粘合剂通常可以很好地与LED固化，并满足大多数图形印刷要求。然而，有机硅脱模剂、UV热熔胶和工业硬涂层仍处于开发阶段，距离大规模商业化还需要数年时间。

 

　　波长：目前商业化的固化波长包括365、385、395和405纳米。对于大多数油墨应用，39纳米是首选波长，365和385纳米波长的使用程度较低。结构粘接粘合剂通常在365或405纳米下效果最佳，具体取决于配方，但在385或395纳米下也能类似地固化。叠印上光往往与395纳米的油墨波长相匹配，而当谈到工业涂料（功能性涂料和硬质涂料）时，还没有达成共识，因为开发仍在进行中。

 

　　辐照度窗口：配方化学物质必须在最小和最大峰值辐照度（瓦/平方厘米）内固化。在低于最低辐照度的情况下操作将导致固化不充分。如果灯发出足够的能量密度，则增加辐照度超过最大值，这并不一定会比在既定辐照度窗口内进行固化产生更好的结果。不幸的是，没有一种通用的辐照度可以满足所有配方的需求。每个市场应用都是不同的，窗口处的最佳发射辐照度范围从几百mW/cm2到甚至超过30W/cm2。

 

　　然而，比发射的辐照度更重要的是传递到基材固化表面的实际辐照度，因为辐照度随着行进距离的平方而减小。由于瓦特是焦耳/秒，因此辐照度可以重写为焦耳/秒/cm2，是从UV LED灯头发射UV能量的速率。值得注意的是，一旦辐照度使化学物质吸收UV波长的能力饱和，多余的辐照度就会在固化表面转化为热能。

 

　　能量密度窗口：配方和生产线速度决定了化学反应完全所需的能量密度（焦耳/平方厘米）。能量密度越大，整体固化效果越好，生产线速度越快，有时峰值辐照度越低。并非所有发出相同峰值辐照度的UV LED系统都具有相同的能量密度。可以通过使用在设计上发射更大能量密度的灯、组合使用多个灯、减慢生产线速度或增加曝光时间来增加能量密度。

 

　　工作距离：这定义为UV LED发射窗口与固化表面之间的偏移。必须针对应用和机器设置指定，因为辐照度随着距离的增加而迅速降低。为了适应更长的工作距离，请考虑使用更强大的灯（更大的辐照度、更大的能量密度或两者兼而有之）或采用光学器件或反射器来限制或准直指定距离内的UV波长的LED 解决方案。

 

　　冷却机制：工厂环境、OEM或最终用户的偏好以及UV LED系统设计决定了冷却机制是强制通风还是循环水。并非所有UV LED产品都提供风冷型，功率较高的系统通常采用水冷型。空气冷却可以是正冷，即空气被推入灯头并排出到印刷机环境，也可以是负冷，即空气从印刷机环境通过灯头被拉出并通过管道排出。由于UV LED系统不排放臭氧，因此无需将冷却空气排出设施外。

 

　　安装空间：安装位置和机器设置决定了UV LED灯头的允许空间。水冷系统通常比风冷系统更紧凑。风冷系统还要求进气口和出气口周围有最小间隙，以确保足够的循环和散热。

 

　　光学和屏蔽：灯与不需要的固化表面的接近度和方向会影响光学器件和屏蔽的使用。应小心确保数字喷墨喷头、油墨和涂料盘以及机器上的热敏材料阻挡UV。此外，所有光线均应远离操作员的直接视线。

 

　　最近，寻找汞蒸气灯替代品的监管压力、可持续发展倡议和全球能源危机正在推动UV LED固化系统的更快采用，并引领化学配方的创新。随着开发的不断进行，UV LED固化技术正在成为越来越多应用中的首选UV源。尽管无法跨应用和机器类型互换使用完全相同的系统，但确实存在满足许多应用需求的UV LED解决方案集。

 

　　虽然OEM可能会在新机器和改造中默认使用已建立的LED固化设备，但始终建议最终用户通过测试或参考以前的安装来确认正确的系统与流程的特定需求相匹配。请遵循本文中的指南，并与UV LED固化系统供应商、配方设计师、OEM机器制造商、集成商和最终用户密切合作，以确保整体UV LED固化取得更大的成功。