正切展开公式UV(紫外光固化) 能量和强度

2020年11月7日发(作者：富文)

图一阐述了处理窗口的概念，来说明任何紫外光固化过程都是按照“速度—
—能量” 曲线来运行的。根据这个曲线，速度和能量成简单的反比关系。例如，
如果速度加倍，工件表面所吸收的 能量减少了一半。
紫外光固化工艺曲线将适用于特定的紫外光油墨、基材和灯具中。随着速
度 的增加，能量减少，工件表面所接收的能量越来越少，最终将不足以进行完
全固化。这个能量吸收量的临 界点就是固化窗口的一个极限。图例中，能量是
沿着水平轴线运行的。在很多紫外光固化过程中，能量密 度或辐照甚至比能量
本身还要重要。
辐照强度：
包括最重要的峰值辐照。因为辐照 强度的分布图形主要与灯具外形存在一
定的函数关系，而且除非灯具被移出焦点，否则该函数关系就会保 持不变。辐
照强度的度量单位是毫瓦平方厘米或瓦平方厘米。辐照强度由灯具的电气输入
功率、 灯具功效、辐射输出、发射功效（由灯具的几何形状、灯管尺码和光线
焦点等决定）等因素决定。
xx和短波xx
可以在紫外灯管中添加物质而成为有时被称为“掺杂”或添加式灯管。被添< br>加的物质也能被蒸发并达到等离子状态。紫外光一部分来自水银，一部分来自
这些添加物。但添加 物发射其特有的波长。从图2b和2c的D灯和V灯光谱分
布图表中，我们可以看出添加物能改变灯管的 输出。D灯在350~400nm范围的
输出强。它也发射部分短波长紫外光，但在有时称作紫外“UV A”波段的范围内非
常有效（有时候把紫外光波长分为“A”，“B”和“C”三个波段）。紫外“A” 波段常常
指320~400nm或300~450nm。紫外“B”波段常常指280~320nm，而 紫外“C”波段
指200~280nm。因为这种分类并不是很准确，我更愿意用长波、中波和短波来< br>区分。
V灯添加了别的物质，它仍然发射短波，但不是很多。但它在400~450nm
范围内有非常强、非常有效的输出。
1 3


人们可设计出在长 波、中波或短波有强输出的不同的紫外灯管。然而却不
能设计出在所有波段都有效的紫外灯管，而且这也 不是我们所希望的，因为不
能激活光引发剂的波段内的紫外光能是无效的、被浪费的能量。选择特定灯管
的主要原因在于它所发出的紫外光能避免被待固化物质吸收，但其波长又能激
活光引发剂。
白色怪物
现在，在图5中，“绘制”出了二氧化钛与众不同的紫外光吸收特性，二氧
化钛是典型的常用白色颜料，它吸收几乎所有的紫外光并反射可见光。这使得
白色难于用紫外光进行固化 。白色物质有一个“窗口”，大约在400~430nm。如
果我们使用长波长的V灯，这种灯在这个窗 口范围内很有效，因此我们就能成
功地固化白色油墨。这就是我们为什么要花大量篇幅说明灯管光谱分布 与紫外
固化物质吸收性相匹配的原因。聚焦紫外光固化还有许多有待揭开的神秘：
与灯管输出效果和光谱分布同样重要的是，灯管的焦距与反射罩的作用。
此刻，我们得将灯管 发射的辐射能量与抵达工件表面的能量区别开来。可
瞬间抵达表层的光称为辐照。辐照常常不准确地称为 “强度”。
下面对辐照与辐射作一个区别：
用灯管来照亮墙壁。当灯管从墙壁处移开时，灯 的辐射没变，但对墙壁辐
照减少了。（你会发现，如果你不清楚我们谈论的是灯管强度还是到达表面的< br>强度，那就可能造成混淆。）
精确使用反射罩能在不增加灯管输入功率的情况下增加工件表层的 辐照。
能量最聚集的那一点就是最高或峰值辐照所在的点。
图6阐述了反射罩将能量聚集在工 件表面上。一些未聚焦的光线也能抵达
表层，但它对油墨固化的效果不如聚焦的光线。用作说明的是一种 椭圆形反射
罩，它具有大约75%的能量收集效果（参见下问有关反射罩的内容）。换句话
说， 灯管发出的75%的能量将被反射罩收集并聚焦。
固化难关
2 3


我们用一种黑色的汽车玻璃丝网印刷油墨（它以难固化闻名）来做一个有
趣的关于固 化深度，以及辐照是如何影响固化深度的演示。
用两只D灯来固化油墨，这两只灯仅仅在辐照上有差别 ，一个灯的辐照是
另一个灯的两倍。使用第一个灯照射一次达到的固化深度是一密耳（mil）。再次照射并不能显著增加其固化深度。而另一个灯能发出两倍的辐射，它只照射
一次达到的固化深度是 前一个灯两次照射达到深度的两倍，尽管两者的辐射剂
量是一样的。这里，我们应该清楚所说的辐射剂量 指的是什么。剂量就是辐照
乘以时间，或者累积的光能。放慢带速，剂量增加了，加快带速，剂量减少< br>了。如果油墨暴露在灯管下的时间越长，油墨表层接收到的剂量越高，但辐照
并不是越高。（我们 将发现增加剂量不但没什么帮助，反而有害于热敏感性的
基材）。
第二个灯管再照射一次—— 剂量加倍了——但并未显著增加固化深度。由此
我们认识到通过多次暴光来增加剂量并不是令光子穿透油 墨抵达底层光引发剂
的有效方法。固化深度更受峰值辐射而不是剂量的影响。
这个事实有几个 实用意义。正如我们注意到的，更高的灯管输出（不一定
是Win功率更高）、选择有效输出紫外波长合 适的灯管以及更小直径的灯管都
能显著增强辐照。多次照射、多灯逐一照射以及降低带速能增加剂量，但 对增
加辐照没什么意义。
3 3