科普紫外線光固化技術（UV機）基礎知識
時間:2017-08-29 13:40來源:未知點擊: 次
一、概述：
UV(紫外光)固化是輻射固化的一類，輻射固化是利用電磁輻射，如紫外線（UV）或電子束（EB）照射涂層，產生輻射聚合、輻射交聯和輻射接技等反應。迅速將低分子量物質轉變成高分子量產物的化學過程，固化是直接在不加熱的底材上進行的，體系中不含溶劑或含極少量溶劑，輻照后液膜幾乎100%固化，因而VOC（揮發性有機化合物）排放量很低。因此，自60年代末以來，這一技術在國際上得到飛速發展，其產品在許多行業都得到廣泛應用。
１、分類：
輻射固化按應用可分為輻射固化膠粘劑、輻射固化涂料、輻射固化油墨。按所用的輻射源可分為紫外（UV）光固化機、電子束（EB）固化、可見光固化。
2、紫外光基本知識：
紫外線（簡稱UV）是屬于電磁波輻射的一段，電磁波譜包括無線電波、紅處線、可見光、紫外線、X射線、γ射線，波長范圍從10-14米至106米，如圖３所示。紫外線只其中很窄的一段，波長范圍為10~400nm（nm：納米，1nm=10-9 m）可劃分為長波紫外線（UVA）、中波紫外（UVB）、短波紫外線（UVC）、超短波紫外線。波長越短，能量越強，穿透能力越弱。
長波UVA，波長介于320~400nm，具有較強的穿透能力，能穿透玻璃，這一波段的紫外線能量與多數化學鍵能相當，容易引光化學反應，通常用于光固化機的即是UVA。固化uv膠以365nm最佳。
中波UVB，波長介于280~320，穿透力較弱，玻璃對它有強烈的吸收。太陽光中含有豐富的UVA和UVB。
短波UVC，波長介于200~280nm，臭氧層對它有強烈的吸收，所以太陽光中UVC在到地面之前就被臭氧層吸收了，UVC對生物體就很強的破壞作用，可殺死細菌、病毒，因此常用于消毒。
紫外線會損害皮膚和眼睛，UVA會使皮膚變黑、松馳、皺紋；UVB會產生急性皮炎（即曬傷）等癥，皮膚會變紅、發痛，長期照射還容易導致皮膚癌變，因此在進行光固化作業時，應注意防護：
（1）、固化機應有適當屏敝裝備，紫外光不易透出；
（2）、適當的個人防護，穿長袖衣服、布工作手套，戴防紫外線眼鏡、面罩，不要直視燈具。
（3）、注意環境通風，以防臭氧積聚。
一般而言，也不必太過擔心，因設備制造商在設計時一般都把保護裝備考慮在內，只要按規定操作沒事的。
3、 輻射固化的特點：
輻射固化的優點：
（1）無需混合的單組分體系，使用方便；
（2）固化速度快，幾秒至幾十秒即可完成固化，有利于自動化生產線，提高勞動生產率；
（3）固化溫度低，節省能源，室溫即可固化，可用于不宜高溫固化的材料，紫外光固化所消耗的能量與熱固化樹脂相比可節約能耗~90%；
（4）無污染，可采用低揮發性單體和齊聚物，不使用溶劑，100%固化，故基本上無大氣污染，也沒有廢水污染問題；
（5）性能優良，耐磨、抗溶劑、搞沖擊、強度高。
輻射固化的缺點：
（1）設備投資較大，特別是電子束固化設備，輻射固化膠粘劑的價格高于常規膠粘劑的價格，這都分可由能耗低，生產效率高得到補償；
（2）由于紫外光穿透力較弱，固化深度有限，因而可固化產品的幾何形狀受到限制，不透光的部位及紫外光照射不到的死角不易固化；
（3）紫外光能產生臭氧，需要排風系統。
二、固化機理：
UV光固化體系分為自由基體系和陽離子體系，兩者固化機理成分都有所不同。自由基體系是由光引發劑受UV照射激發產生自由基，引發單體和預聚物聚合交聯；陽離子體系是由陽離子光引發劑受輻射產生強質子酸，催化加成聚合，使樹脂固化，下面以自由基體系為例說明：
UV自由基固化經過以下步驟：
（1）自由基光引發劑受到UV照射后，激發分解產生自由基：
（2）鏈引發：引發劑產生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，由于自由基含有未偶化電子，非?；顫姡瑯O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。
三、紫外光固化膠的組成
1、預聚物
預聚物是UV光固化膠的骨架，它是具有反應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：粘度、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反應活性高、原料豐富、品種多、價格適中，所以用量最多。
2、 單體
輻射固化組分中單體又叫活性稀釋劑，其主要作用是調節粘度和參加聚合反應。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，它有利于提高膠層的柔韌性和附著；二官能和多官能單體不僅起反應性稀釋劑的作用，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。
自由基固化體系所用的單體主要有于（甲基）丙烯酸酯類、乙烯基類和乙烯基醚類等，如苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸異辛酯、丙烯酸異冰片酯、二縮三丙二醇二丙烯酸酯、已二醇二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯等。應用這些單體除了考慮粘合的性能，成本等因素外，還要考慮刺激性和毒性，一些刺激性和毒性較大的品種逐漸被淘汰，更多刺激性和毒性低的品種被開發出來并用于工業生產。
陽離子固化體系所用的預聚物和單體與環氧樹脂膠粘劑相類似。
3、 光引發劑
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，主要有聯苯甲酰、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。
陽離子光引發劑品種少且價格高，所以一直以來陽離子固化體系發展緩慢，所占的份額低。目前應用的種類有二芳基碘鹽，三芳基硫鹽和芳茂鐵鹽等。
與自由基光固化體系相比，陽離子光固化體系具有以下優點：
（1）固化時體積收縮小，附著力強；
（2）不被氧氣所阻聚，在空氣氛圍中可獲得快速而完全的固化；
（3）固化反應不易終止，適用于厚膜和色漆的固化。
表1列出了陽離子固化體系與自由基固化體系的簡單對比。
表１ 陽離子固化與自由基固化體系的比較
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指 標
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自由基固化體系
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陽離子固化體系
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樹 脂
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丙烯酸酯樹脂、不飽和樹脂、聚酯、聚烯烴／硫醇等
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環氧樹脂、乙烯基醚樹脂
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單 體
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丙烯酸酯、乙烯基化合物等
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脂環族環氧化合物、乙烯基醚（ＶＥ）
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引發劑
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自由基
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陽離子（超強酸）
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固化速度
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快
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對ＥＰ：中等；對ＶＥ：快
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后固化
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可忽略
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強
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對氧的敏感性
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強
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無
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對堿的敏感性
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無
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強
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對潮氣的敏感性
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無
|
強
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氣 味
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高
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低
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價 格
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低
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高
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固化膜特性
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收縮率高，附著力差
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收縮率低，附著力好
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總之，盡管由于開發時間短，以及價格等因素，陽離子光引發體系目前僅占整個UV固化市場約5%，但鑒于上述較之自由基固化體系的優點，將是一類大有前途的光引發體系。由于基礎研究和開發的時間較短，因此尚有很多不夠完善的地方。例如，研究出能夠更多地吸收ＵＶ，或吸收更長波長的陽離子引發劑使之免受顏料的影響，這可能就是今后在該領域的一個發展方向。
４、其它助劑
其它助劑有穩定劑、附著力增強劑、顏料色素、觸變劑等，種類和要求大體上與一般丙烯酸粘合劑相同。唯獨顏料和色素的使用需注意對紫外線的吸收和散射，可能會影響固化速度和固化深度。
四、固化裝置
用于UV膠固化的輻射裝置通稱光固化機，可分為履帶式、箱式、點光源系列。它的構造比較簡單，主要由光源、反射器、冷卻系統（風冷或水冷）和傳動裝置（傳送帶）組成。
紫外線由紫外燈產生，常用的紫外燈源有低壓汞燈、中壓汞燈、
高壓汞燈、
氙燈、金屬鹵化物燈以及最新式的
無極燈。其中中壓汞燈相對便宜、易于安裝和維護，且在此340~380nm范圍波長的強烈輻射峰，正好落在許多光引發體系的吸收譜。因此中壓汞燈獲得廣泛的應用。
五、紫外光固化膠粘劑的應用
自1960年，國外報道了UV光固化膠粘劑以來，人們對其進行了大量的研究．并取得了令人矚目的成就。如今UV膠已在許多工業裝配領域成功應用，尤其是需要快速裝配的高技術產業領域，例如LCD制造業、照相機等光學產品制造業、光盤制造業（CD、VCD、DVD、DVD一R）、手表制造業、蜂鳴器、手機按鍵的裝配、電子線路板的制造、偏光部件的制造等光電信息產業的電子部件制造。在日用品領域，例如玻璃家具的制造、玻璃工藝品的組裝、玩具、珠寶等裝飾品的組裝上也普遍使用UV膠。甚至傳統產業也在大量使用UV膠進行裝配，例如磁電機的裝配?？色@得快速、高效的生產效率。
隨著科技人員不斷的研究進取，UV膠的一些缺點得到了克服，應用領域得到擴展。例如，應用新型的光引發劑可使固化波長向可見光方向擴展，可用可見光固化；應用高效的光引發劑可用于有色或含填料體系的粘接，可在透光率低至0.01~20%的基體之間的粘合。又如，將UV固化技術和厭氧固化、熱固化技術相結合制造出雙重固化的產品，它不僅能對透光部分進行光固化，非透光部分也可進行厭氧或熱固化。
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