紫外线固化技术概述

紫外线固化（UV curing）是一种利用紫外线引发光化学反应，生成聚合物的交联网络的过程。这种技术适用于印刷、涂层、装饰、立体光刻以及各种产品和材料的组装。

与其他技术相比，使用紫外线能量固化是一个低温、高速，并且无溶剂的过程。UV光固化技术起源于19世纪末的光固化效应发现。

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1946年，美国Inmont公司取得了第一个UV光固化油墨专利，标志着UV光固化技术在实际应用中的起步。1968年，德国拜耳公司开发的第一代UV光固化木器涂料，主要用于家具涂装，这标志着光固化技术实用化的开始，并已简化和提高了制造业许多行业的自动化程度。

紫外线固化的原理

当暴露在紫外线光下时，光引发剂会发生化学反应，将独立的低聚物和单体键合成更复杂的链。这些链称为聚合物，这种粘合过程称为光聚合反应。通过这种光聚合反应，可以干燥、粘合物体和材料。

光引发阶段：光引发剂在紫外线照射下吸收光子能量并被激活，其分子外层电子发生跃迁，形成活跃的电子空穴对。

自由基或离子的产生：这些活跃的电子空穴对能够将周围的分子激发为自由基或离子，如氧自由基、碳正离子等。

聚合、接枝、交联反应：这些自由基或离子随后与树脂中的不饱和基团相互作用，引发或促进树脂的双键断裂，实现连续聚合反应，以及树脂之间的接枝和交联，最终形成固态的薄膜。

链增长和终止：在这些自由基或离子引发的聚合过程中，随着时间的推移，体系会发生进一步的交联，固化成膜。同时，自由基可以通过偶合或歧化等方式完成链终止。

这就是为什么紫外固化也称为紫外干燥、紫外粘合或者紫外涂层。

光聚合反应

紫外线固化的应用

紫外线固化技术在多个领域展现出了其独特的应用价值，特别是在光固化涂料、光固化油墨、光固化胶黏剂、光刻胶、印刷电路板制造以及牙科修复方面。在UV光谱的分析中，我们可以看到不同波长的UV光具有不同的穿透力和固化效果。

UV-V，波长范围在445～340nm之间，能够穿透铝层和UV油墨中的不透明成分。随着波长向高频段移动，UV-A(350～320nm)和UV-B(320～280nm)则能显著提升UV处理的速度和程度。

而位于UV光谱顶端的UV-C，其波长较短(280～200nm)，主要影响材料的表面。

紫外线固化的能量设置

在进行紫外固化时，关键是确保粘合剂或其他光固化材料接收正确的剂量，以便尽可能完全固化。剂量是到达每单位面积表面的总能量，由光强度和曝光时间组成。计算公式如下：

剂量(J/cm²) = 强度(W/cm²) x 时间(秒)

那么紫外固化需要多少能量？

首先，了解您的材料所需的最小剂量。例如，增加剂量测试粘合强度，直到强度停止增加。“完全固化”可以定义为，当能量增加而材料性能(硬度或粘性)不再改善。

建议您以此为最小剂量，再加上安全系数(约25%)进行固化。

紫外线固化机的工作原理

UV固化机通过发射UV光线来引发光敏材料的聚合反应，从而实现材料的固化。光敏材料通常包含预聚物、活性稀释剂、光引发剂和颜料等成分。

当这些材料暴露在UV光源下时，光引发剂吸收UV光子的能量，被激发到激发态，然后将能量传递给预聚物和活性稀释剂，使它们发生聚合反应。

这一过程通常在几毫秒至几百毫秒内完成，相对于传统的烘干方法，大大缩短了固化时间。

紫外线固化机的关键技术

UV灯管：UV固化机的核心部件是UV灯管，其光谱范围、功率密度和固化效率对固化质量至关重要。常见的UV灯管类型有汞灯、LED灯和激光器等。

其中，汞灯具有成本低、光谱连续等优点，但使用寿命较短且存在较高的热量输出；LED灯则具有长寿命、高能量效率和窄光谱等优点，但成本相对较高。

反射器和传输系统：为了提高UV光线的利用率，UV固化机通常配备有反射器和传输系统，确保光能有效照射到待固化物体的表面。传输系统的设计要考虑光线路径的优化，以减少光损失。

冷却系统：由于UV固化过程中会产生大量热量，因此UV固化机需要配备冷却系统来保持设备稳定运行。冷却系统的设计直接影响到设备的能耗和固化效果。

控制系统：精确的UV照射时间和强度控制对于获得一致的固化效果至关重要。UV固化机通常配备有先进的控制系统，可以根据固化材料的类型和厚度进行自动调整。

紫外线固化机的应用

紫外线固化机在多个领域中得到了广泛应用，其主要应用包括印刷、电子、医疗器械、汽车、涂料和包装等行业。这些应用利用紫外线光引发化学反应，使液态或半固态材料迅速转化为固体，从而实现快速固化和干燥。

1、印刷行业：紫外线固化技术广泛应用于印刷行业，特别是在数字印刷、柔版印刷和压印印刷中。UV固化油墨可以在几秒钟内干燥，显著提高生产速度并提升印刷质量。

UV固化型喷墨油墨组合物的制作方法

2、电子行业：在电子元件制造中，紫外线固化技术用于粘合剂和涂层的快速固化，确保电子产品的高精度和可靠性。例如，在电路板和电子元件生产中，UV固化技术可以有效固化粘合剂和涂料。

3、医疗器械：紫外线固化技术在医疗器械行业中扮演着重要角色，特别是在导管、针头和静脉输液装置的组装过程中。UV固化粘合剂能够在短时间内形成牢固粘合，避免了热固化可能带来的热损伤风险。

4、汽车制造：在汽车行业中，紫外线固化技术用于车身组装和涂装过程，提高了生产效率，并确保了涂层的高质量和耐用性。

5、涂料和表面处理：紫外线固化技术广泛应用于涂料和表面处理领域，如木材和家具表面处理。UV固化系统提供了传统溶剂基底漆的优质替代品，提高了生产效率并降低了能耗。

6、其他应用：此外，紫外线固化技术还应用于纳米技术、生化科技、燃料电池和太阳能电池等新兴领域，展示了其广泛的适用性和灵活性。

总体来看，紫外线固化技术在新兴领域的发展趋势是向着更高效、环保和多功能的方向发展。在纳米技术领域，通过纳米改性技术进一步提升材料性能将是未来的研究重点。

而在太阳能电池领域，紫外线固化封装技术将继续优化封装材料和工艺，以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和商业化应用前景。此外，随着可持续和气候友好型技术的兴起，紫外线固化技术在工业应用中的需求也将日益增长。

 

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审核编辑 黄宇