uv固化原理

1、UV固化原理,講師：洪伸宜,何謂UV硬化製程？UV膠簡介UV燈源與系統(tǒng)簡介影響UV硬化的因素製程條件選擇及注意事項,Outline,何謂UV硬化製程,紫外線固化是輻射固化的一類，利用紫外線能量引發(fā)化學(xué)聚合、交聯(lián)，迅速將低分子量物質(zhì)轉(zhuǎn)變成高分子量產(chǎn)量。體系中幾乎不含溶劑，因而液膜幾乎100%固化，VOC（揮發(fā)性有機化合物）排放量很低。紫外線固化技術(shù)被認為是一種環(huán)境友好的綠色技術(shù)，亦稱 3E 技術(shù)，即節(jié)能（ energy ）、環(huán)保（

2、 environment ）、經(jīng)濟（ economy ）。,何謂UV硬化製程,傳統(tǒng)乾燥必須要在材料上加30%左右的溶劑，利用加熱或是在常溫下等待很長的時間，讓這30%的溶劑達到完全的揮發(fā)，而變成固態(tài)。,UV硬化方式，則是100%的樹脂一但經(jīng)過UV光照射後，瞬間由液態(tài)變成固體。,UV硬化材料,環(huán)氧樹酯材質(zhì),壓克力材質(zhì),甲基丙烯酸甲酯,環(huán)氧樹酯,?自由基反應(yīng)配方,?陽離子反應(yīng)配方,UV硬化材料,環(huán)氧樹酯材質(zhì),壓克力材質(zhì),?自由基反應(yīng)配方,?

3、陽離子反應(yīng)配方,自由基反應(yīng)方式需要正確的光譜與均勻而強勁的 UV光照射，讓膠材內(nèi)均勻分佈的光啟始劑能夠均勻的接收到UV 光子。一但離開 UV 光照射，反應(yīng)便停止下來。所以讓正確光譜的 UV 光子均勻的照到 UV 膠材內(nèi)的光啟始劑是非常重要的。,陽離子反應(yīng)方式與自由基方式不同。它有一種“ 暗烤 ”的特性。當它照射到正確的 UV 光譜後，一但離開 UV 光後，仍能繼續(xù)反應(yīng)直到完全硬化為止。因此要達到完全硬化，最好在 UV 光照射後再進入溫度

4、烤箱烘烤。,UV硬化材料,一般紫外光硬化樹脂的組成配方可分為以下部份,1.寡聚物(Oligomer)→約佔組成中的50%～80%不等 要求性質(zhì)有(1)低黏度、(2)無臭味，硬化性優(yōu)、(3)低毒性2.單體(Monomer)→約佔總量的20%～50%左右 要求性質(zhì)(1)具光反應(yīng)性、(2)良好的硬化速率、(3)良好的溶劑力、(4)揮 發(fā)性低等3.光起始劑(Photoinitiator)→約佔總量的2%～10% 要求

5、性質(zhì)(1)能夠吸引紫外光輻射能，並能誘始聚合作用、(2)良好的熱安 定性4.添加劑(Additive) 潤濕劑, 消泡劑等界面活性劑5.顏料(Pigment),UV硬化材料,一般紫外光硬化樹脂的基本功能區(qū)分以下部份,UV硬化步驟,UV 自由基固化經(jīng)過以下步驟︰（1）自由基光起使劑受到UV 照射後，激發(fā)分解產(chǎn)生自由基︰（2）鏈引發(fā)︰起使劑的自由基引發(fā)樹脂和單體分子的不飽和雙鍵產(chǎn)生新的自 由基。（

6、3）鏈增長︰由樹脂和單體產(chǎn)生的自由基可以繼續(xù)引發(fā)樹脂和單體分子中的 不飽和雙鍵產(chǎn)生自由基，進行自由基連鎖反應(yīng)。（4）鏈終止︰化學(xué)反應(yīng)中，由於自由基含有未偶化電子，非常活潑，極易傾 向于基他自由基偶合或發(fā)生酸化作用，使鏈反應(yīng)終止。,上述反應(yīng)結(jié)果，生成高分子化合物，使膠液轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。,UV硬化步驟,I?,連鎖聚合形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達到了硬化過程,自由基聚合產(chǎn)生原理,光起始劑,,UV光,產(chǎn)生自由基,,聚合過程

7、,,I?,,具官能基單體,不飽和基,I?,,,紫外光固化膠的組成,預(yù)聚物是UV 膠的骨架，它是具有活性的低分子聚合物，預(yù)聚物的主要功能是提供膠層的關(guān)鍵性能，例如︰黏度、抗張強度、剪切強度、硬度和柔順性等。在光固化自由基體系中使用的預(yù)聚物是一些含雙鍵的不飽和聚合物，主要有︰聚丙烯酸酯、環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、不飽和聚酯、聚烯烴/硫醇等，其中環(huán)氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯回應(yīng)活性高、原料豐富、品種多、價格適中，所以用量最多。,紫外光固

8、化膠的組成,1、預(yù)聚物 (Oligomer),紫外光固化膠的組成,單體按官能度的多少可分為單官能單體、二官能單體及多官能單體單官能單體固化生成線型聚合物，它有利于提升膠層的柔韌性和附著；二官能和多官能單體不僅起回應(yīng)性稀釋劑的作用，而且起交聯(lián)劑的作用，它們對膠層的硬度、韌性和強度有重要影響。增加單體的官能度可加速固化過程，為適應(yīng)生產(chǎn)具有良好性能的粘合劑，常使用單官能、二官能和多官能的混合物。,2、 單體,單體又叫活性稀釋劑，其

9、主要作用是調(diào)節(jié)黏度和參加聚合回應(yīng)。,紫外光固化膠的組成,光引發(fā)劑是任何UV 固化體系都需要的主要組分之一，對UV 固化體系的靈敏度（固化速率）起決定作用。光引發(fā)劑有自由基光引發(fā)劑和陽離子光引發(fā)劑，分別應(yīng)用于自由基體系和陽離子體系。自由基引發(fā)劑常用的有羰基化合物、偶氮化合物、有機硫化物、氧化還原物質(zhì)、鹵素化合物、有機金屬化合物、增咸染料等。應(yīng)用較廣泛且效果較好的是羰基化合物，主要有聯(lián)苯甲 、二苯甲酮、安息香及其醚化合物如安息香乙

10、醚、安息香丁醚等。,3、 光引發(fā)劑,UV 燈源種類,UV 燈源種類,電極式UV 燈(Electrode Arc Lamp)? 中壓水銀燈 高壓水銀燈 金屬鹵素燈 脈衝式氙氣燈無電極式UV 燈(ElectrodelessLamp),傳統(tǒng)電極式UV 燈源系統(tǒng) – 燈管,? UV 燈管- 中壓水銀燈? 燈管直徑 : 23 - 25 mm? 內(nèi)部壓力 : 1 – 2 大氣壓力? 啟動氣體 : 氬氣? 電極材質(zhì) : 鎢?

11、燈管外壁 : 石英? 內(nèi)部氣體 : 水銀或其他添加物? 期望燈管壽命 : 1000 小時? 燈管功率 : 200W/in – 800W/in? 燈管長度 : 4 – 90 英吋,電極式 UV 光源(Arc UV Lamp),一根石英管 , 抽真空後 , 注入水銀或填充一些特殊材料 , 二端各放置一個電極後封口 . 二端的電極再以陶瓷絕緣導(dǎo)線或直接以金屬接頭與電源供應(yīng)器相連接 .特點 :1) 燈管長度從 4 英吋到 90 英吋

12、2) 燈管便宜 , 普遍性高3) 設(shè)備較便宜 4) 單位強度 : 200 ; 300 ; 400 …… 800 W/inch ..缺點 :1) 燈管放射強度容易衰減 , 燈管壽命較短 .2) 燈管較粗 23 ~ 26 mm 直徑 , 故聚焦設(shè)計不容易 , 光反射強度較少 .3) 光譜選擇方便性低 . 且光譜會隨使用時間加長而平移 .4) 冷卻系統(tǒng)為上吸式 , 容易造成燈管及反射鏡罩污染 .5) 所放射出之 UV 光比率

13、較低 . IR(紅外線)光比率相對偏高,無電極式 UV 光源,是由一根石英管 , 抽真空後 , 注入一定量的水銀或填充一些特殊材料再封口而成 . 燈管內(nèi)沒有電極存在 . UV 光是由微波激發(fā)燈管內(nèi)的水銀或特殊材料而產(chǎn)生,特點 :1) 燈管長度 : 6 英吋和 10 英吋二種 . 可用串接式無限延伸而無強度均勻性的問題。2) 燈管強度有 : 300 , 500 , 600W/inch 等 。3) 燈管直徑 : 9 mm ;11 mm

14、 和13 mm . 聚焦設(shè)計容易 , 可有 75% 以上的光反射 強度。4) 相同設(shè)備 , 只要變換燈管就可選擇不同的光譜放射來配合不同的 UV 材料變化。5) 燈管放射強度穩(wěn)定 , 使用時間加長也不會影響其放射強度或光譜偏移 . 壽命較長 可達 3000 小時以上 。6) 冷卻系統(tǒng)為下吹式 , 燈管和反射鏡罩的清潔比較容易管理。,電極式與無電極式之比較,傳統(tǒng)電極式UV燈源系統(tǒng) – 燈組,?反射鏡罩?快門?電源

15、供應(yīng)器?遮光?上吸式冷卻系統(tǒng)?安全裝置,傳統(tǒng)電極式UV燈源系統(tǒng)(Electrode Lamp),燈管 燈管材質(zhì)是石英玻璃，直徑約1英吋，內(nèi)含水銀與游離氣體。燈內(nèi)的水銀在室溫是液態(tài)，燈管兩端的電極通電後會產(chǎn)生電弧(Arc)。燈管的溫度隨著上升使水銀產(chǎn)生氣化，這段氣化時間，一般稱作暖機。暖機時間約從20秒到幾分鐘左右，且當關(guān)燈後無法馬上再開燈使用，必須要等15-20分鐘，讓燈管冷卻後，才能重新開燈使用。工作時，石英玻璃表面溫度介於

16、攝氏700度至900度。另外還有一種是金屬鹵素燈(Metal halide Lamp)，一般而言金屬鹵素燈的壽命比中壓水銀燈管短，而且光譜容易產(chǎn)生偏移。在正常操作下前1000小時，會衰減約15%左右或更多。,UV光的產(chǎn)生，是利用高電壓，將石英管中的化學(xué)物質(zhì)氣化而放射UV光。,傳統(tǒng)電極式UV燈源系統(tǒng)(Electrode Lamp),燈管的壽命，與每次使用的時間長短、點燈之次數(shù)、反射鏡罩內(nèi)溫度的控制、電源供應(yīng)器的穩(wěn)定性等因素都有關(guān)係。

17、一般燈管都有約1000小時的保用時間，這是基於每次開燈後，必須使用四小時以上的累積時間而言。當然如使用不正確的反射鏡燈罩設(shè)計，和不適合的電源供應(yīng)器，以及開關(guān)過於頻繁而造成燈管的損害，是不在保用的範圍內(nèi)。高溫下，長電極式燈管容易造成中間部份下垂，無法保持在焦線上，會造成寬幅產(chǎn)品，無法均勻的硬化。,UV燈源反射鏡,反射鏡 在工業(yè)用 UV 硬化技術(shù)是一個非常重要的角色 . 燈管直接照射到素材 ,只佔約 30 % , 有約 70%左右是靠反射鏡

18、反射到素材,一般工業(yè)用UV 硬化應(yīng)用 ,UV 燈源大部份採用橢圓形反射鏡 . 使用橢圓形設(shè)計的原因 , 是因橢圓形反射鏡基本上有二個焦點 , 燈管是裝置在第一個焦點 .另一個焦點是預(yù)硬化物的位置,影響硬化完全的因素,UV 光譜的分佈 光照射強度 UV 光吸收劑量 氧氣的影響 紅外線照射 塗膜厚度,影響硬化完全的因素,UV 光譜的分佈,UV 光譜的分佈,一般我們所稱的紫外線(UV)，是指光譜中波長為200-400nm範圍的光線而

19、言- 波長280nm以下 ? 遠紫外線，又稱殺菌波(Germicidal)或UV-C - 波長280-320nm ? 中紫外線，又稱紅斑波或(Erythermal)或UV-B - 波長320-400nm ? 近紫外線，又稱黑光波或(Black light)或UV-A - 波長 400nm 以上範圍為可見光 , 又稱 UV-V,UV 光譜的分佈,UV的穿透率比較,依上例圖UV短波對材料表乾有影響，而長波對材料深處有影響。失

20、去短波會使表面黏黏的，失去長波其密著性會變差。,波長(Wavelength),波長(Wavelength),釘釘子理論,UV光照射強度,UV 光照射強度 UV 光照度的表示單位: mW/cm2 或 W/cm2,聚焦或非聚焦,?素材表面UV光的強度?燈管和反射鏡幾何形狀的特性?不受速度(照光時間)影響,UV光照射強度,第二釘釘子理論,UV光照射強度,為何要聚焦(Focus)??UV 的穿透更深?改善素材/ 油墨界面的硬化

21、?對素材有較好的黏著性?有更均勻的硬化程度,累積照度(Dose),?累積照度(Radiant Energy Density)或稱輻射能量密度?到達塗佈表面的總能量?單位表示 J/cm2 或 mJ/cm2 = 照度(W/cm2 )或(mW/cm2) x 時間(sec)mW/cm2x t = J/cm2?受速度(照光時間)影響,累積照度(Dose),累積能量?速度-成反比燈源功率-成正比燈排數(shù)-成正比

22、,累積照度(Dose),UV 光吸收劑量有很多不同的照射方式可以得到相同的吸收劑量:1,000 mJ/cm2 = 100 mW/cm2 x 10 sec.= 200 mW/cm2 x 5 sec.= 500 mW/cm2 x 2 sec.= 1,000 mW/cm2 x 1 sec.,上項累積量都一樣，但得到的硬化結(jié)果卻有很大的不同,累積照度(Dose),累積照度(Dose),紅外線照射,Stefan-Boltzmann 公

23、式P = e * σ * T? * AP : 放射出來的熱e : 石英玻璃常數(shù)σ : Stefan-Boltzmann 常數(shù) T? : 表面溫度A : 燈管表面積,紅外輻射主要是由 UV 源的石英泡發(fā)射出來的紅外能量。,塗膜厚度與UV能量關(guān)係,膜厚比膜薄需要更多的UV能量 膜厚度多寡與所需的UV能量不是呈線性關(guān)係 內(nèi)塗層UV能量隨深度呈指數(shù)降低,如果增加一倍的塗佈厚度會怎麼樣？,塗膜厚度與UV能量關(guān)係,在這一個

24、例子中，塗層厚度增加一倍到2μm,需要增加到10倍的紫外光照射才能達到和1μm厚度一樣的固化效果。,硬化條件,何謂 “硬化條件” ?硬化UV 材料，主要的硬化條件，其考慮的因素有 :1. UV 照度 ? 燈管輸出強度，反射鏡的設(shè)計，照射距離，塗膜厚度。2. UV 累積能量 ? 生產(chǎn)效率，溫度。3. UV 光譜分佈 ? 燈管種類的選擇 。以上三個因素的適當搭配所提供的“UV 光” ，照射UV 材料，使UV 材料硬化，而達到業(yè)者產(chǎn)

25、品規(guī)範的要求。我們稱此“UV 光”為合適的“硬化條件” 。,硬化條件,UV 製程的注意事項,1. 光源的穩(wěn)定性2. 反射鏡的乾淨度3. 石英玻璃的清潔度4. 其它UV 光所經(jīng)路徑的影響5. 冷卻系統(tǒng)的管理6. 塗佈製程的管理(膜厚, 溶劑殘存….)7. 氧氣濃度的管理,UV固化製程,高強度的UV系統(tǒng),優(yōu)良的UV膠,最佳的硬化條件,優(yōu)異的UV固化製程,正確的UV 光譜的分佈 挑選對的UV燈管 ? BEF適用D燈

26、與H燈 足夠的照射強度(W)與能量(J)挑選好的UV系統(tǒng)? 無電極式燈 > 電極式UV燈 (Nordson、Fusion) > (志聖、光源）,照度 ( W/cm2 ) x 時間 ( sec )= 能量 ( J/cm2 )Intensity 強的照射強度(W)Dose 充足的反應(yīng)能量（J）,Comment： 欲提高成型速度，需搭配強的UV照射強度,光學(xué)折射率高信賴性（RA）通過塗佈製程

27、穩(wěn)定收縮率低（翹曲低）,高強度UV系統(tǒng)條件,D燈與H燈的UV 光譜,BEF 的UV膠反應(yīng)波長 ? 365mm,釘子理論 ? UV燈照度一定要強,UV燈照度一定要強 ? 建議使用高強度UV系統(tǒng)UV系統(tǒng)採無電極式 ( Nordson、Fusion)UV燈管採D燈,UV膠使用注意事項,避光?？梢姽庖材苁鼓z水緩慢固化，因此不可以 長時間暴露在空氣中。 防潮。吸潮后膠水性能會有所下降，因此不可以 長時間打開瓶蓋。 常溫。當溫