UV-LED固化系統相對傳統的UV固化系統

　導讀：UV-LED固化是指用LED發出的光使油墨、油漆、涂料、漿料、膠粘劑等流體轉變為固體，區別于傳統汞燈發出的紫外寬光譜光固化技術，即UV固化。兩者的共同點都是依靠光照射激發光引發劑，進而促使流體中所包含的單體和預聚物通過聚合反應結合，形成硬化的膜層。
　　
　　UV-LED固化系統幾乎不產生熱量，適用于多種熱敏介質，例如塑料薄膜印刷基材。與傳統的汞燈相比，UV-LED燈能節省2/3的能量。LED光源的使用壽命是傳統UV光源的多倍。UV-LED技術的另外一個重要優點是UV-LED燈不需要預熱時間，可以根據需要隨時開啟或關閉。這些特點正是目前綠色包裝印刷新技術的典型代表之一，本文總結了UV-LED固化技術的特點，探討了其發展的關鍵技術問題和解決辦法。
　　
　　UV-LED與傳統的UV固化工藝的比較
　　
　　UV-LED固化工藝是從UV固化工藝發展而來的，與傳統UV系統相比，UV-LED固化可以最多降低70%的能耗。傳統的UV固化利用了200~450nm的整個紫外光譜，而UV-LED固化只集中在紫外光譜中一個狹窄的范圍，通常是395~405nm。目前UV-LED固化體系雖然有一些是在365nm處固化的，但大多數還是集中在395nm左右，是UV-LED固化常用波長。
　　
　　2008年小森印刷公司在德國Drupa展會上推出的H-UV系統，采用單個UV燈頭和高靈敏度的UV固化油墨，實現了四色印刷即時固化。海德堡推出了Drystar低能耗UV燈系統，用于商業和軟包裝印刷，其利用UV反射器，在降低來自紫外燈熱量的同時，紫外燈內的特殊材料同時消除會產生臭氧的290nm以下波長的光。高寶印刷公司也在Drupa展會上推出了VariDryHRUV系統，可以靈活地將能量輸出調節在80~200W/cm2。
　　
　　UV-LED固化系統相對傳統的UV固化系統，具有以下優點：
　　
　　(1)UV-LED與UV固化相比，只需要其1/4的電能消耗，大大減少了能源消耗和CO2的排放量。
　　
　　(2)汞燈的輻射水平很容易超過10W/cm2，用于表面固化很容易發熱，而UV-LED輻射能量可控制，發熱少，對于塑膜等耐熱性差或熱敏感承印材料的印刷熱影響小，只需對印刷精度稍作調整即可。
　　
　　(3)UV-LED光源元件壽命約為UV光源元件壽命的12倍，光源更換頻率大幅降低，器材耗用隨之減少。
　　
　　(4)UV-LED可做到瞬間開啟或關閉，無需UV固化所必需的預熱及降溫時間，作業效率得到提高。
　　
　　(5)UV-LED方式無臭氧的產生，改善了工人的工作環境，無需再安裝捕捉和焚化設備來消除臭氧的危害。
　　
　　(6)由于UV-LED光源設備與相關配套裝置非常緊湊，設置簡單，節省空間。從上述各種優勢可見，UV-LED固化系統不僅明顯降低成本而且還減少了對環境的污染、能源的損耗。
　　
　　UV-LED固化關鍵技術及其發展方向
　　
　　UV-LED固化技術從UV固化技術衍生而來，主要涉及到395nm固化光源和可在395nm光作用下固化的新材料體系兩部分內容。
　　
　　在光固化設備方面，長波長(395nm)高功率輸出的UV-LED光源設備研制取得了較大的進步，2010年標簽博覽會展出10臺UV-LED燈，英國某公司推出了波長為395nm、功率為12W/cm2的LED系統，2013年標簽博覽會則展出78臺UV-LED設備，數量增長了8倍。另外，UV-LED固化范圍也從原先的個別點固化，拓展到如今的面固化，但高效、大功率、三維體固化仍未見報道。目前，許多印刷設備已經100%使用UV-LED固化技術。
　　
　　UV-LED釋放的能量已經可以與傳統UV固化燈泡釋放的能量相當，甚至更高。16W/cm2的LED固化系統已經正式進入量產兩年，基本滿足最快的固化速度需要，而且這種LED光源的壽命超過兩萬小時。復旦大學張善端團隊研制出10kW大功率紫外LED固化系統，相關技術正在進行產業化。大連海事大學趙歡等研制了一種陣列型UV-LED光源，可靈活調節輻照面上光功率密度分布，使得三維物體的高效固化成為可能，進入實用還需要一定的時間。
　　
　　UV-LED點、面光源設備已經在實際應用。近年來，LED光源在波長控制、出光效率以及大功率LED光源散熱技術也在持續改進中，因此，隨著LED技術和半導體技術的進展，開發大功率、光強在三維可控、發射波長與光引發劑吸收波長匹配、結構更簡單是其發展方向。
　　
　　在UV-LED光固化新材料方面，2006年，只有極少數油墨與UV-LED技術兼容。富林特集團在UltrakingXCURA品牌下，選用光引發劑能吸收波長較高部分，推出單張紙和轉輪膠印用新型低能耗、UV-LED固化高反應性油墨和涂料。這種油墨可以在特定的非多孔性涂布或非涂布基材上印刷，油墨的反應活性很高，不需要多個固化光源。
　　
　　到2013年，20多家油墨和材料供應商支持并配置UV-LED油墨，包括太陽化工、愛克發、德國Ruco、Marabu等公司。相當數量的材料供應商都以他們的材料與UV-LED兼容作為賣點。新的樹脂、單體、預聚物以及光引發劑的出現使得UV-LED技術應用越來越廣。
　　
　　實際應用結果表明，UV-LED固化系統可以提高顏料含量，以獲得更鮮艷的色彩。這對UV-LED固化技術應用領域的拓展十分重要，傳統UV固化系統中固體粒子容量相對較小，而UV-LED固化系統具有更高的固體粒子容量，表明在該體系中可以加入更多的具有光、聲、電磁功能的納米粒子，極大地拓展了其應用領域。
　　
　　目前不僅油墨在廣泛應用UV-LED技術，涂料和膠粘劑正在專門配置成為能夠UV-LED固化的產品，印刷電路板(PCB)、電子元器件封裝也相應地用UV-LED固化替代傳統的UV固化。以印刷電路板(PCB)曝光為例，采用掃描式的曝光方式，可以有效地減少UV-LED光源的尺寸面積，進而解決UVLED的散熱問題。另外，其還具有光強分布均勻穩定、設備成本低等諸多優點，并且在各項性能上均比傳統的曝光工藝高，完全滿足PCB曝光工藝。
　　
　　在光固化新材料方面，開發新的引發劑、單體、預聚物固化體系，提高光固化反應活性。采用在UV-LED固化系統中加入光、聲、電、磁功能納米材料，形成新的無機功能粉末分散在有機載體中的新型漿料，將之與3D打印制造結合將帶來更多技術創新和更大的市場。
　　
　　UV-LED的市場未來
　　
　　隨著UV-LED系統開發技術的成熟，UV-LED固化系統體積變得越來越小，甚至成為便攜式。UV-LED光源設備以及油墨、油漆、涂料、漿料等液態光固化系統的創新其直接結果是整體成本下降和應用領域的拓寬。
　　
　　法國里昂YoleDeveloppement公司在對UV-LED領域所做的研究中預測，由于擁有成本低、設備小巧、環境友好的優點，UV-LED芯片和封裝市場將有大幅度增長，到2017年將達到2.7億美元。UV-LED在近幾年內有望占據全球UV設備、輔助設備和耗材1/3以上的市場份額。
　　
　　UV-LED固化技術具有高效能、無VOC、臭氧以及汞排放、工藝溫度低和高固體粒子容量的特點，將成為油墨、油漆、涂料、功能漿料、電子元件封裝膠粘劑、3D打印制造領域技術創新和市場的熱點。