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1、UV固化原理 講師 洪伸宜 1 何謂UV硬化製程 UV膠簡介UV燈源與系統簡介影響UV硬化的因素製程條件選擇及注意事項 Outline 2 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化學聚合 交聯 迅速將低分子量物質轉變成高分子量產量 體系中幾乎不含溶劑 因而液膜幾乎100 固化 VOC 揮發性有機化合物 排放量很低 紫外線固化技術被認為是一種環境友好的綠色技術 亦稱3E技術 即節能 energy 環保 environment 經濟 economy 3 何謂UV硬化製程 傳統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
2、的揮發 而變成固態 UV硬化方式 則是100 的樹脂一但經過UV光照射後 瞬間由液態變成固體 4 UV硬化材料 環氧樹酯材質 壓克力材質 甲基丙烯酸甲酯 環氧樹酯 自由基反應配方 陽離子反應配方 5 UV硬化材料 環氧樹酯材質 壓克力材質 自由基反應配方 陽離子反應配方 自由基反應方式需要正確的光譜與均勻而強勁的UV光照射 讓膠材內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膠材內的光啟始劑是非常重要的 陽離子反應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 仍能繼續反應直到
3、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烤箱烘烤 6 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 不等要求性質有 1 低黏度 2 無臭味 硬化性優 3 低毒性2 單體 Monomer 約佔總量的20 50 左右要求性質 1 具光反應性 2 良好的硬化速率 3 良好的溶劑力 4 揮發性低等3 光起始劑 Photoinitiator 約佔總量的2 10 要求性質 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 7
4、UV硬化材料 一般紫外光硬化樹脂的基本功能區分以下部份 8 UV硬化步驟 UV自由基固化經過以下步驟 1 自由基光起使劑受到UV照射後 激發分解產生自由基 2 鏈引發 起使劑的自由基引發樹脂和單體分子的 飽和雙鍵產生新的自由基 3 鏈增長 由樹脂和單體產生的自由基可以繼續引發樹脂和單體分子中的 飽和雙鍵產生自由基 進 自由基 鎖反應 4 鏈終止 化學反應中 由於自由基含有未偶化電子 非常活潑 極 傾向于基他自由基偶合或發生酸化作用 使鏈反應終止 上述反應結果 生成高分子化合物 使膠液轉變為固體 9 UV硬化步驟 I 連鎖聚合形成了網狀結構 達到了硬化過程 自由基聚合產生原理 光起始劑 UV光
5、產生自由基 聚合過程 I 具官能基單體 不飽和基 I 10 紫外光固化膠的組成 預聚物是UV膠的骨架 它是具有活性的低分子聚合物 預聚物的主要功能是提供膠層的關鍵性能 如 黏 抗張強 剪 強 硬 和柔順性等 在光固化自由基體系中使用的預聚物是一些含雙鍵的 飽和聚合物 主要有 聚丙烯酸酯 環氧丙烯酸酯 聚氨酯丙烯酸酯 飽和聚酯 聚烯烴 醇等 其中環氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯回應活性高 原 豐富 品種多 價格適中 所以用 最多 紫外光固化膠的組成 1 預聚物 Oligomer 11 紫外光固化膠的組成 單體按官能 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 于
6、提升膠層的柔韌性和附著 二官能和多官能單體 僅起回應性稀釋劑的作用 而且起交 劑的作用 它們對膠層的硬 韌性和強 有重要影響 增加單體的官能 可加速固化過程 為適應生產具有 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 其主要作用是調節黏 和 加聚合回應 12 紫外光固化膠的組成 光引發劑是任何UV固化體系都需要的主要組分之一 對UV固化體系的 敏 固化速 起決定作用 光引發劑有自由基光引發劑和陽 子光引發劑 分別應用于自由基體系和陽 子體系 自由基引發劑常用的有羰基化合物 偶氮化合物 有機 化物 氧化還原物質 鹵素化合物 有機 屬化合物 增咸染 等 應用
7、較廣泛且效果較好的是羰基化合物 主要有 苯甲 二苯甲酮 安息香及其醚化合物如安息香乙醚 安息香丁醚等 3 光引發劑 13 UV燈源種類 UV燈源種類 電極式UV燈 ElectrodeArcLamp 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 14 傳統電極式UV燈源系統 燈管 UV燈管 中壓水銀燈 燈管直徑 23 25mm 內部壓 1 2大氣壓 啟動氣體 氬氣 電極材質 鎢 燈管外壁 石英 內部氣體 水銀或其他添加物 期望燈管壽命 1000小時 燈管功 200W in 800W in 燈管長 4 90英吋 15 電極式UV光源 ArcUVLam
8、p 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線或直接以金屬接頭與電源供應器相連接 特點 1 燈管長度從4英吋到90英吋2 燈管便宜 普遍性高3 設備較便宜4 單位強度 200 300 400 800W 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 26mm直徑 故聚焦設計不容易 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光比率較低 IR 紅外線 光比率相對偏高 16 無電極式UV光源 是由一根石英管 抽真空後 注入
9、一定量的水銀或填充一些特殊材料再封口而成 燈管內沒有電極存在 UV光是由微波激發燈管內的水銀或特殊材料而產生 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 9mm 11mm和13mm 聚焦設計容易 可有75 以上的光反射強度 4 相同設備 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 冷卻系統為下吹式 燈管和反射鏡罩的清潔比較容易管理 17 電極式與無電極式之比較 18 傳統電極
10、式UV燈源系統 燈組 反射鏡罩 快門 電源供應器 遮光 上吸式冷卻系統 安全裝置 19 傳統電極式UV燈源系統 ElectrodeLamp 燈管燈管材質是石英玻璃 直徑約1英吋 內含水銀與游離氣體 燈內的水銀在室溫是液態 燈管兩端的電極通電後會產生電弧 Arc 燈管的溫度隨著上升使水銀產生氣化 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攝氏700度至900度 另外還有一種是金屬鹵素燈 MetalhalideLamp 一般而言金屬鹵素燈的壽命比中壓水銀燈管短 而且光
11、譜容易產生偏移 在正常操作下前1000小時 會衰減約15 左右或更多 UV光的產生 是利用高電壓 將石英管中的化學物質氣化而放射UV光 20 傳統電極式UV燈源系統 ElectrodeLamp 燈管的壽命 與每次使用的時間長短 點燈之次數 反射鏡罩內溫度的控制 電源供應器的穩定性等因素都有關係 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計 和不適合的電源供應器 以及開關過於頻繁而造成燈管的損害 是不在保用的範圍內 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 會造成寬幅產品 無法均勻的硬化 21 UV
12、燈源反射鏡 反射鏡在工業用UV硬化技術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 左右是靠反射鏡反射到素材 一般工業用UV硬化應用 UV燈源大部份採用橢圓形反射鏡 使用橢圓形設計的原因 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 另一個焦點是預硬化物的位置 22 影響硬化完全的因素 UV光譜的分佈光照射強 UV光吸收劑 氧氣的影響紅外線照射塗膜厚 影響硬化完全的因素 23 UV光譜的分佈 24 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範圍的光線而言 波長280nm以下 遠紫外線 又稱殺菌波 Germicidal 或UV C
13、 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 Blacklight 或UV A 波長400nm以上範圍為可見光 又稱UV V 25 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 失去短波會使表面黏黏的 失去長波其密著性會變差 26 波長 Wavelength 27 波長 Wavelength 釘釘子理論 28 UV光照射強 UV光照射強 UV光照 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
14、間 影響 29 UV光照射強 第二釘釘子 30 UV光照射強 為何要聚焦 Focus UV的穿透更深 改善素材 油墨界面的硬化 對素材有較好的黏著性 有更均勻的硬化程度 31 累積照度 Dose 累積照度 RadiantEnergyDensity 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 cm2xt J cm2 受速度 照光時間 影響 32 累積照度 Dose 累積能量 速度 成反比燈源功率 成正比燈排數 成正比 33 累積照度 Dose UV光吸收劑 有很多 同的照射方式可以得到相同的吸收劑 1 000
15、mJ cm2 100mW cm2x10sec 200mW cm2x5sec 500mW cm2x2sec 1 000mW cm2x1sec 上項累積量都一樣 但得到的硬化結果卻有很大的不同 34 累積照度 Dose 35 累積照度 Dose 36 紅外線照射 Stefan Boltzmann公式P e T AP 放射出 的熱e 石英玻璃常 Stefan Boltzmann常 T 表面溫 A 燈管表面積 紅外輻射主要是由UV源的石英泡發射出來的紅外能量 37 塗膜厚度與UV能量關係 膜厚比膜薄需要更多的UV能量膜厚度多寡與所需的UV能量不是呈線性關係內塗層UV能量隨深度呈指數降低 如果增加一倍的
16、塗佈厚度會怎麼樣 38 塗膜厚度與UV能量關係 在這一個例子中 塗層厚度增加一倍到2 m 需要增加到10倍的紫外光照射才能達到和1 m厚度一樣的固化效果 39 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 反射鏡的設計 照射距離 塗膜厚度 2 UV累積能量 生產效率 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 而達到業者產品規範的要求 我們稱此 UV光 為合適的 硬化條件 40 硬化條件 41 UV製程的注意事項 1 光源的穩定性2 反射鏡的乾淨 3 石英玻璃的清潔 4 其它UV光所經 徑的影響5 卻系統的管 6 塗佈製程的管 膜厚 溶劑殘存 7 氧氣濃 的管 42 UV固化製程 高強度的UV系統 優良的UV膠 最佳的硬化條件 優異的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燈與H燈足夠的照射強 W 與能量 J 挑選好的UV系統 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
