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光固化涂料技术升级推动LED固化设备研发深入

长颈鹿少年 发表于2016-04-15
真正生气的时候,我会一个劲的骂自己。

表面处理网讯随着半导体照明技术的快速发展发光二极管LED凭借体积小寿命长可靠性高亮度可调等优点由其制成的光源灯具和照明器具产品逐渐进入各种可见光照明和紫外辐照应用领域随着人们对照明应用要求的变化和高光通量和高辐通量应用需求的增加大功率LED的需求不断增长且具体要求也在不断变化而在工业领域如紫外固化光化学合成和光生物改性等应用的紫外光源的功率要求甚至达到了千瓦级以上1~20kW

1紫外固化技术

紫外光固化是指用紫外线UV照射有机涂层使其产生辐射聚合辐射交联和辐射接枝等反应将低相对分子质量的物质转变成高相对分子质量产物的化学过程由于该固化反应中不需要加热反应体系中也基本不含有溶剂或只含有极少量的溶剂且经过辐照后液膜几乎100%固化因此反应引起的挥发性有机化合物VOC排放量非常低基本上不会污染环境是一种绿色环保的固化技术

光固化技术还具有许多卓越的优点

反应速度非常快固化所需时间仅有几秒至几十秒能够有效地提高生产率

固化温度很低不需要额外加热在室温下就可以实现固化比热固化节能约90%适用于不宜高温固化的材料

固化产品性能优良耐腐蚀耐磨损强度高抗冲击

固化成本低产量高产品性价比好

所以光固化是一种高效高品质节能环保的技术

长期以来光固化技术在国际上获得飞速发展其产品在许多行业都得到广泛应用包括光固化涂料光固化油墨光固化胶粘剂光固化保护套光刻胶激光三维成像三维造型等随着全球对环保的日益重视美国德国日本意大利等许多国家已通过立法来限制VOC排放量高的传统涂料的使用UV涂料等环保新材料已逐步取代传统产品

近年来紫外固化技术在地坪涂料中的应用得到了越来越多的关注和推广在欧美市场已取得了商业化的突破地坪要求具有一定的强度和刚度并且根据不同场所有不同的性能要求例如防潮防水保暖耐磨耐腐蚀等传统的地坪涂料都采用化学方法使涂料在自然条件下固化一层涂料通常需要2~6h的干燥时间完全固化则需要24h而在一般地坪涂料的施工过程中需要进行多次打磨→涂漆→固化的过程因此施工期限长人力成本高而紫外固化技术能使涂料在数秒至数十秒内深层固化大大缩短了工期节约了成本而且紫外涂层固化后表面具有非常良好的性能完全能够满足各种场合对地坪的要求

2紫外光源

紫外光源作为光固化反应中必不可少的重要构成之一也有着巨大的需求量根据统计在印刷行业中1998年全球安装的紫外光源固化装置为4.2万套而到2007年已达到了8.5万套增长了一倍以上目前紫外固化技术在地坪涂料的应用中还处于初期阶段随着行业技术的不断发展和成熟对于紫外固化设备的需求也必然大幅增加

当前市场上供应的紫外光源产品有多种不同类型包括气体放电灯如普通中高压汞灯微波中压汞灯无极灯脉冲氙灯等以及紫外LED光源分别应用于不同的行业根据灯功率辐射效率光谱分布价格成本等因素考量这些类型的光源在紫外固化应用中各有其优势和缺点

图1描绘了几种常用紫外光源的光谱包括低压汞灯UV荧光灯中高压汞灯氙灯准分子灯以及UVLED等不同光源发出的紫外光谱存在很大的差异在紫外固化反应中必须要使用光引发剂光引发剂吸收一定波长的能量产生自由基阳离子等从而引发单体聚合交联固化的反应但是不同光引发剂对光子波长的响应范围不同因此在设计地坪涂料紫外固化的施工方案时必须确保紫外光源与光引发剂的匹配

图1 几种常用紫外光源的相对光谱功率分布

图1a描绘的是低气压放电灯的光谱从低压汞灯的光谱中可以看到灯发出的主要是位于254nm的线光谱另外还有少量297313和365nm的紫外辐射这是一种高效的紫外光源通常其254nm辐射效率可达50%以上而且放电设备相对简单可靠在杀菌紫外固化环境污染治理等方面都有着广泛的应用图1a中的另一条谱线是UV荧光灯的光谱该灯实际上就是低压汞灯灯管内表面涂覆紫外荧光粉254nm紫外辐射激发荧光粉后在350nm附近产生较宽的带光谱同时与透射出的低压汞灯其他辐射谱线叠加而成其放电原理与低压汞灯一致但荧光粉的转换效率<60%,导致部分辐射能量的损失且紫外荧光粉的衰减很快尽管低气压放电灯的紫外效率较高但是单灯功率小功率密度低因此很难满足大功率应用的需求

目前中高压汞灯是最常用的大功率紫外光源光谱如图1b所示其功率密度能达到5~25kW/m,辐射强度很大而且光谱范围非常宽覆盖了紫外到可见区域但是固化反应中的光敏剂对不同波长光的吸收响应不同有些光敏剂对辐射光有较强的选择性只有特定波长范围内的辐射光才能使反应有效进行其他的辐射是无效的因此这种宽光谱类型的光源在实际的应用中存在辐射能量的浪费

微波中压汞灯与普通中高压汞灯类似具有很高的功率密度辐射强度大光谱也相似且比普通汞灯的启动时间短但也存在与普通汞灯相类似的问题而且由于采用微波驱动的方式微波汞灯的尺寸受到一定的限制

脉冲氙灯也是比较常用的紫外固化光源其总体辐射强度较大输出热量较低能够形成高脉冲的辐射但是从1b可以看出氙灯的辐射能量主要集中在可见和红外区域紫外辐射占总辐射的比例很小因此用于紫外固化的效率是相对比较低的

图1c是几种准分子紫外光源的光谱准分子光源最大的特点是能够产生高强度的窄带光谱辐射发出的紫外波长宽度仅有几个nm因此非常适合用于波长选择性强的应用但是准分子灯的辐射效率比汞灯要低而且价格非常昂贵成为制约其应用的主要原因

伴随着十多年来半导体技术的快速发展固态紫外光源即紫外LED光源成为了紫外固化光源的新贵众所周知LED具有能效高寿命长节能环保使用灵活方便的特点在可见照明领域LED光源和灯具逐渐成为主流照明产品正逐步取代从小功率到大功率的传统照明光源随着紫外LED芯片的辐射效率提升和价格下降紫外LED光源实现了在365nm以上UVA应用领域的开拓为特种紫外光源的研究和开发开启了新的方向有望逐步替代现有的汞灯等传统气体放电光源图1d是不同芯片的UV-LED光谱可以看到目前UV-LED在365nm以上有多种不同的中心波长可以选择因而可以满足光引发剂的使用要求根据Anyaogu等人对氙(Xe)灯系统汞灯系统以及紫外LED光源固化木质涂层PC涂层等反应中的结果比较紫外LED基本能够达到与传统气体放电光源相同的效果固化后涂层的特性能满足要求

表1 几种主要紫外光源的参数比较

表1列举并比较了几种紫外光源的效率功率密度等参数从表1中可以明确看出UV-LED的整个系统能效具有无可比拟的竞争优势其系统能效是中高压汞灯的4~5倍而且是可以满足大功率应用要求的

相比于目前以气体放电灯作为紫外光源的固化装置紫外LED固化系统的独特优点有

1LED光谱范围窄有效波长辐射效率高紫外LED发出的光谱比较窄半宽仅有十几个nm光谱能量集中而近年来紫外LED芯片技术取得了长足的进步目前主波长365nm以上的LED芯片发光效率可达40%以上汞灯等光源尽管总辐射效率比较高但是由于其光谱组成非常复杂涵盖紫外到可见区域所以有效的紫外波段辐射效率相对较低因此只要满足UV-LED的辐射中心波长与涂料中光引发剂的响应波长的匹配性那么紫外LED灯具的辐射利用效率就更高

2结构紧凑单位面积的辐射功率即功率密度在对地坪涂料进行快速固化的过程中固化反应对紫外辐射的功率密度有较高的要求采用的紫外光源的功率达到了千瓦级以上而LED体积小结构紧凑芯片集成封装制成的灯具可以实现很高的功率密度能够得到较强的辐照度而且整个系统装置能够制作得比较轻巧便捷便于施工操作

3单面出光系统效率高中高压汞灯等气体放电光源是向全空间发射紫外光的因此在实际应用中为了提高效率固化反应系统中通常配有反射罩灯具效率只有约60%造成较大的辐射损失而LED是半空间出光的紫外辐射的方向性较好灯具效率可达90%

4使用寿命长可即开即关长寿命是LED的主要优点之一传统的气体放电灯使用寿命一般只有1000~4000h而紫外LED的使用寿命可以达到20000~30000h此外汞灯等气体放电光源启动较慢灯从启动到稳定工作需要0.5~1h且寿命受电极影响很大频繁开关灯会严重影响电极性能从而大大缩短灯的寿命所以这些灯在使用过程中必须持续燃点能耗大而LED的寿命与开关次数没有明显关联又能够实现瞬时启动所以可以仅在需要进行紫外辐射时点灯其实际使用寿命远远超过气体放电灯的寿命另外紫外LED灯具这种即开即关的特点也能够避免不必要的电力消耗更加符合节能环保的要求

5无热辐射安全性更高汞灯等气体放电光源除了产生紫外辐射等以外放电过程中还会形成大量的可见和近红外热量损耗为了维持灯内放电物质的蒸气压因此光源的表面温度非常高放电管表面温度达700~900℃在地坪施工尤其是室内环境施工过程中可能会产生一些挥发性的易燃易爆气体遇到汞灯等光源的高温照射容易引起燃烧或爆炸等安全事故而LED是一种冷光源其发出的光中不含红外辐射且LED芯片产生的热量通过散热结构设计从背面基板导出并采用合理的制冷设施冷却散热因此光源表面温度低也不会在被照射表面产生热量积聚能够避免此类事故的发生

3紫外光源与光引发剂的匹配

目前为止高辐射效率的UV-LED发出的中心波长都在365nm以上因此在选择与UV-LED固化系统匹配的涂料配方时必须要选用在长波处具有较大吸收光谱的光引发剂而采用汞灯作为紫外光源的固化系统中最常用的是光引发剂1173(2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮)该光引发剂的吸收光谱在短波300nm左右有很大的吸收峰但是在长波380nm附近吸收率很低如图2所示因此该种光引发剂并不适用于UV-LED固化系统使用UV-LED固化系统应该选择吸收光谱较长的光引发剂如光引发剂819苯基双2,4,6-三甲基苯甲酰基氧化膦等

图2 紫外光源与光引发剂吸收的光谱匹配

可以用有效紫外利用效率来评价固化系统中光源与光引发剂的匹配性该参数综合考量了紫外光源的辐射效率以及光引发剂的吸收谱而没有考虑光源的实际功率有助于对应用体系的整体效率进行客观评价不仅可用于紫外固化系统也可以用于其他紫外应用

表2 UV耐污地坪消光面漆参考配方

以UV耐污地坪消光面漆为例其参考配方如表2所示配方中采用了光引发剂1173与中压汞灯相配合能达到较好的固化效果其有效紫外利用效率为0.058而中心波长为380nm的UV-LED与该光引发剂的有效紫外利用效率仅为0.014只有中压汞灯的1/4而如果采用光引发剂819则配合UV-LED的有效紫外利用效率可达1.118远大于配合中压汞灯的0.226因此光引发剂819与UV-LED的匹配性更好

当然光引发剂在紫外固化反应中的效率对于整体效率的评价也会造成影响但有效紫外利用效率的提出为紫外光源与光引发剂的方案选择提供了参考依据而不同光引发剂之间的比较需要对各种光引发剂的吸收谱进行更加定量地测定这还有待进一步的研究工作

4高效大功率紫外LED光固化系统

为了满足光固化工业应用对大功率紫外光源的照明需求针对现有的大功率LED封装技术难点我们研究开发了千瓦级以上的大功率紫外LED光固化系统该LED固化系统采用铜板与氮化铝板的三明治封装结构直接以铜板作为电极连接AlN板作为绝缘导热板实现了高功率密度的封装结构

图3 地坪涂料LED紫外固化系统及其光源模组

采用铜板电极代替薄膜电路板连接可以将LED模组的电流负载能力提高10倍以上解决了印刷电路板薄膜的限流问题增大了LED模组的驱动电流将单位面积的封装功率提高到20~500W/cm2在大功率集成封装中为LED芯片的串并联组合提供了更多的选择能够更为合理地设计灯具的电压和电流等参数降低了对驱动电源的设计要求

AlN板作为铜板正负电极之间铜板电极与散热器之间的绝缘层既能达到良好的绝缘效果又能够确保芯片热量的高效导出从而改善LED模组的散热特性而且AlN板表面无需镀金属膜制作工艺简单能够有效提高成品率降低制造成本

另外LED模组封装中采用自制的高效导热胶作为粘结材料该导热胶的导热系数可达120W/mK以上确保了芯片与基板铜板与AlN板之间的热传导降低了封装结构的内部热阻进一步优化了LED模组的散热性能

图3为自主研发的一款地坪涂料LED紫外固化系统和光源模组的照片这种移动式的紫外固化系统的输入功率密度达到200W/cm2总功率14kW结构小巧操作方便施工简单能很好地应用于各种不同的地坪固化处理

5结语

紫外固化作为一种高效环保的绿色技术近年来得到快速地发展和推广尤其随着我国经济的增长紫外固化应用存在着巨大的市场潜力在这种发展趋势下急需开发大功率紫外LED光固化系统以满足应用的需求针对大功率LED模组封装中存在的技术难点已发明了采用铜板与AlN板的三明治封装结构有效改善了大功率LED模组的散热性能提高了模组的载流能力并设计研发出了千瓦级以上的紫外LED光固化系统

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