UV-LED固化關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

UV-LED固化是指用LED發(fā)出的光使油墨、油漆、涂料、漿料、膠粘劑等流體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，區(qū)別于傳統(tǒng)汞燈發(fā)出的紫外寬光譜光固化技術(shù)，即UV固化。兩者的共同點(diǎn)都是依靠光照射激發(fā)光引發(fā)劑，進(jìn)而促使流體中所包含的單體和預(yù)聚物通過聚合反應(yīng)結(jié)合，形成硬化的膜層。

UV-LED固化系統(tǒng)幾乎不產(chǎn)生熱量，適用于多種熱敏介質(zhì)，例如塑料薄膜印刷基材。與傳統(tǒng)的汞燈相比，UV-LED燈能節(jié)省2/3的能量。LED光源的使用壽命是傳統(tǒng)UV光源的多倍。UV-LED技術(shù)的另外一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是UV-LED燈不需要預(yù)熱時(shí)間，可以根據(jù)需要隨時(shí)開啟或關(guān)閉。這些特點(diǎn)正是目前綠色包裝印刷新技術(shù)的典型代表之一，本文總結(jié)了UV-LED固化技術(shù)的特點(diǎn)，探討了其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題和解決辦法。

UV-LED與傳統(tǒng)的UV固化工藝的比較

UV-LED固化工藝是從UV固化工藝發(fā)展而來的，與傳統(tǒng)UV系統(tǒng)相比，UV-LED固化可以最多降低70%的能耗。傳統(tǒng)的UV固化利用了200~450nm的整個(gè)紫外光譜，而UV-LED固化只集中在紫外光譜中一個(gè)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(shù)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(huì)上推出的H-UV系統(tǒng)，采用單個(gè)UV燈頭和高靈敏度的UV固化油墨，實(shí)現(xiàn)了四色印刷即時(shí)固化。海德堡推出了Drystar低能耗UV燈系統(tǒng)，用于商業(yè)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(shí)，紫外燈內(nèi)的特殊材料同時(shí)消除會(huì)產(chǎn)生臭氧的290nm以下波長的光。高寶印刷公司也在Drupa展會(huì)上推出了VariDryHRUV系統(tǒng)，可以靈活地將能量輸出調(diào)節(jié)在80~200W/cm2。

表1是UV-LED固化系統(tǒng)與傳統(tǒng)的UV固化系統(tǒng)在技術(shù)特點(diǎn)方面所作的比較。從表1可以看出，UV-LED固化系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的UV固化系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(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(fā)熱，而UV-LED輻射能量可控制，發(fā)熱少，對(duì)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(duì)印刷精度稍作調(diào)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(guān)閉，無需UV固化所必需的預(yù)熱及降溫時(shí)間，作業(yè)效率得到提高。

(5)UV-LED方式無臭氧的產(chǎn)生，改善了工人的工作環(huán)境，無需再安裝捕捉和焚化設(shè)備來消除臭氧的危害。

(6)由于UV-LED光源設(shè)備與相關(guān)配套裝置非常緊湊，設(shè)置簡單，節(jié)省空間。從上述各種優(yōu)勢可見，UV-LED固化系統(tǒng)不僅明顯降低成本而且還減少了對(duì)環(huán)境的污染、能源的損耗。

UV-LED固化關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展方向

UV-LED固化技術(shù)從UV固化技術(shù)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(nèi)容。

在光固化設(shè)備方面，長波長(395nm)高功率輸出的UV-LED光源設(shè)備研制取得了較大的進(jìn)步，2010年標(biāo)簽博覽會(huì)展出10臺(tái)UV-LED燈，英國某公司推出了波長為395nm、功率為12W/cm2的LED系統(tǒng)，2013年標(biāo)簽博覽會(huì)則展出78臺(tái)UV-LED設(shè)備，數(shù)量增長了8倍。另外，UV-LED固化范圍也從原先的個(gè)別點(diǎn)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(bào)道。目前，許多印刷設(shè)備已經(jīng)100%使用UV-LED固化技術(shù)。

UV-LED釋放的能量已經(jīng)可以與傳統(tǒng)UV固化燈泡釋放的能量相當(dāng)，甚至更高。16W/cm2的LED固化系統(tǒng)已經(jīng)正式進(jìn)入量產(chǎn)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(shí)。復(fù)旦大學(xué)張善端團(tuán)隊(duì)研制出10kW大功率紫外LED固化系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。大連海事大學(xué)趙歡等研制了一種陣列型UV-LED光源，可靈活調(diào)節(jié)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(jìn)入實(shí)用還需要一定的時(shí)間。

UV-LED點(diǎn)、面光源設(shè)備已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)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(shù)也在持續(xù)改進(jìn)中，因此，隨著LED技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)展，開發(fā)大功率、光強(qiáng)在三維可控、發(fā)射波長與光引發(fā)劑吸收波長匹配、結(jié)構(gòu)更簡單是其發(fā)展方向。

在UV-LED光固化新材料方面，2006年，只有極少數(shù)油墨與UV-LED技術(shù)兼容。富林特集團(tuán)在UltrakingXCURA品牌下，選用光引發(fā)劑能吸收波長較高部分，推出單張紙和轉(zhuǎn)輪膠印用新型低能耗、UV-LED固化高反應(yīng)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(yīng)活性很高，不需要多個(gè)固化光源。

到2013年，20多家油墨和材料供應(yīng)商支持并配置UV-LED油墨，包括太陽化工、愛克發(fā)、德國Ruco、Marabu等公司。相當(dāng)數(shù)量的材料供應(yīng)商都以他們的材料與UV-LED兼容作為賣點(diǎn)。新的樹脂、單體、預(yù)聚物以及光引發(fā)劑的出現(xiàn)使得UV-LED技術(shù)應(yīng)用越來越廣。

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，UV-LED固化系統(tǒng)可以提高顏料含量，以獲得更鮮艷的色彩。這對(duì)UV-LED固化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展十分重要，傳統(tǒng)UV固化系統(tǒng)中固體粒子容量相對(duì)較小，而UV-LED固化系統(tǒng)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(yīng)用領(lǐng)域。

目前不僅油墨在廣泛應(yīng)用UV-LED技術(shù)，涂料和膠粘劑正在專門配置成為能夠UV-LED固化的產(chǎn)品，印刷電路板(PCB)、電子元器件封裝也相應(yīng)地用UV-LED固化替代傳統(tǒng)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(jìn)而解決UVLED的散熱問題。另外，其還具有光強(qiáng)分布均勻穩(wěn)定、設(shè)備成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且在各項(xiàng)性能上均比傳統(tǒng)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(fā)新的引發(fā)劑、單體、預(yù)聚物固化體系，提高光固化反應(yīng)活性。采用在UV-LED固化系統(tǒng)中加入光、聲、電、磁功能納米材料，形成新的無機(jī)功能粉末分散在有機(jī)載體中的新型漿料，將之與3D打印制造結(jié)合將帶來更多技術(shù)創(chuàng)新和更大的市場。

UV-LED的市場未來

隨著UV-LED系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的成熟，UV-LED固化系統(tǒng)體積變得越來越小，甚至成為便攜式。UV-LED光源設(shè)備以及油墨、油漆、涂料、漿料等液態(tài)光固化系統(tǒng)的創(chuàng)新其直接結(jié)果是整體成本下降和應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。

法國里昂YoleDeveloppement公司在對(duì)UV-LED領(lǐng)域所做的研究中預(yù)測，由于擁有成本低、設(shè)備小巧、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，UV-LED芯片和封裝市場將有大幅度增長，到2017年將達(dá)到2.7億美元。UV-LED在近幾年內(nèi)有望占據(jù)全球UV設(shè)備、輔助設(shè)備和耗材1/3以上的市場份額。

UV-LED固化技術(shù)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(diǎn)，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(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新和市場的熱點(diǎn)