UV固化原理

講師：洪伸宜何謂UV硬化製程？UV膠簡介UV燈源與系統簡介影響UV硬化的因素製程條件選擇及注意事項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）。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。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。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)一般紫外光硬化樹脂的基本功能區分以下部份名稱功能含量類型预聚物材料的主體，决定了其主要性能≥50%環氧丙烯酸酯，聚氨酯丙烯酸酯，其它光起始劑（光敏劑）吸收UV，引發聚合≤10%自由基型陽離子型單體（活性稀释劑）調整黏度参與固化反應，影響固化膜性能30-50%單官能基雙官能基多官能基其它（颜（染）料、阻聚劑、稳定劑、表面活性劑等視用途不同而異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不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不飽和雙鍵產生自由基，進行自由基連鎖反應。（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，極易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。I‧OligomerMOligomerIMMMOligomerMOligomerMMIMOligomerMMMMOligomerMMI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光產生自由基聚合過程I‧具官能基單體不飽和基I‧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，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聚物是一些含雙鍵的不飽和聚合物，主要有︰聚丙烯酸酯、環氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、不飽和聚酯、聚烯烴/硫醇等，其中環氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯回應活性高、原料豐富、品種多、價格適中，所以用量最多。紫外光固化膠的組成1、預聚物(Oligomer)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性稀釋劑的作用，而且起交聯劑的作用，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，為適應生產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，其主要作用是調節黏度和參加聚合回應。光引發劑是任何UV固化體系都需要的主要組分之一，對UV固化體系的靈敏度（固化速率）起決定作用。光引發劑有自由基光引發劑和陽離子光引發劑，分別應用于自由基體系和陽離子體系。自由基引發劑常用的有羰基化合物、偶氮化合物、有機硫化物、氧化還原物質、鹵素化合物、有機金屬化合物、增咸染料等。應用較廣泛且效果較好的是羰基化合物，主要有聯苯甲、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)•UV燈管-中壓水銀燈•燈管直徑:23-25mm•內部壓力:1–2大氣壓力•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•燈管功率:200W/in–800W/in•燈管長度:4–90英吋一根石英管,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。特性無電極式Microwave電極式燈ArcLamp燈管壽命5000–8000hr1000–3000hr均勻性通常在10%或更佳燈管不衰減介於15%-25%,端損失影響均勻性輸出穩定性/時間比90%以內整個壽命期一般在壽命末期約50%在工作表面的紅外線強度56w/in(300w/in)125w/in(300w/in)點燈時間3–5秒70%以上功率15秒後達全功率數分鐘達全功率快門需求不需要需要快門控制UV光源反射鏡罩快門電源供應器遮光上吸式冷卻系統安全裝置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。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。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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-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-VUV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。釘釘子理論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)影響第二釘釘子理論為何要聚焦(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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)影響累積能量速度-成反比燈源功率-成正比燈排數-成正比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:1,000mJ/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Stefan-Boltzmann公式P=e*σ*T⁴*AP:放射出來的熱e:石英玻璃常數σ:Stefan-Boltzmann常數T⁴:表面溫度A:燈管表面積紅外輻射主要是由UV源的石英泡發射出來的紅外能量。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塗佈厚度會怎麼樣？在這一個例子中，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。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”。1.光源的穩定性2.反射鏡的乾淨度3.石英玻璃的清潔度4.其它UV光所經路徑的影響5.冷卻系統的管理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1.正確的UV光譜的分佈挑選對的UV燈管BEF適用D燈與H燈2.足夠的照射強度(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)1.Intensity強的照射強度(W)2.Dose充足的反應能量（J）Comment：欲提高成型速度，需搭配強的UV照射強度1.光學折射率高2.信賴性（RA）通過3