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光固化涂料手艺升级推动LED固化装备研发深入

时间：2016-04-19 泉源：《涂料手艺与文摘》

0.小序

随着半导体照明手艺的快速生长，，发光二极管(LED)依附体积小、寿命长、可靠性高、亮度可调等优点，，由其制成的光源、灯具和照明用具产品逐渐进入种种可见光照明和紫外辐照应用领域。。。。。随着人们比照明应用要求的转变和高光通量和高辐通量应用需求的增添，，大功率LED 的需求一直增添，，且详细要求也在一直转变。。。。。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抵达了千瓦级以上(1～20 kW)。。。。。

1.紫外固化手艺

紫外光固化是指用紫外线(UV)照射有机涂层，，使其爆发辐射聚合、辐射交联和辐射接枝等反应，，将低相对分子质量的物质转酿成高相对分子质量产品的化学历程。。。。。由于该固化反应中不需要加热，，反应系统中也基本不含有溶剂或只含有少少量的溶剂，，且经由辐照后液膜险些100%固化，，因此反应引起的挥发性有机化合物(VOC)排放量很是低，，基本上不会污染情形，，是一种绿色环保的固化手艺。。。。。

光固化手艺还具有许多卓越的优点

反应速率很是�？？？？�，，固化所需时间仅有几秒至几十秒，，能够有用地提高生产率；；；；；；

固化温度很低，，不需要特殊加热，，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质料；；；；；；

固化产品性能优良，，耐侵蚀、耐磨损、强度高、抗攻击；；；；；；

固化本钱低，，产量高，，产品性价比好。。。。。

以是光固化是一种高效、高品质、节能环保的手艺。。。。。

恒久以来，，光固化手艺在国际上获得飞速生长，，其产品在许多行业都获得普遍应用，，包括光固化涂料、光固化油墨、光固化胶粘剂、光固化保�；；；；；ぬ住⒐饪探骸⒓す馊上瘛⑷煨偷�。。。。。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 排放量高的古板涂料的使用，，UV 涂料等环保新质料已逐步取代古板产品。。。。。

近年来，，紫外固化手艺在地坪涂料中的应用获得了越来越多的关注和推广，，在西欧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，，并且凭证差别场合有差别的性能要求，，例如防潮、防水、保暖、耐磨、耐侵蚀等。。。。。古板的地坪涂料都接纳化学要领，，使涂料在自然条件下固化，，一层涂料通常需要2～6 h 的干燥时间，，完全固化则需要24 h。。。。。而在一样平常地坪涂料的施工历程中，，需要举行多次打磨→涂漆→固化的历程，，因此施工限期长，，人力本钱高。。。。。而紫外固化手艺能使涂料在数秒至数十秒内深层固化，，大大缩短了工期，，节约了本钱。。。。。并且紫外涂层固化后外貌具有很是优异的性能，，完万能够知足种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主要组成之一，，也有着重大的需求量。。。。。凭证统计，，在印刷行业中，，1998年全球装置的紫外光源固化妆置为4.2 万套，，而到2007 年已抵达了8.5 万套，，增添了一倍以上。。。。。现在紫外固化手艺在地坪涂料的应用中还处于初期阶段，，随着行业手艺的一直生长和成熟，，关于紫外固化装备的需求也一定大幅增添。。。。。

目今市场上供应的紫外光源产品有多种差别类型，，包括气体放电灯如通俗中高压汞灯、微波中压汞灯(无极灯)、脉冲氙灯等，，以及紫外LED 光源，，划分应用于差别的行业。。。。。凭证灯功率、辐射效率、光谱漫衍、价钱本钱等因素考量，，这些类型的光源在紫外固化应用中各有其优势和弱点。。。。。

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，，差别光源发出的紫外光谱保存很大的差别。。。。。在紫外固化反应中必需要使用光引发剂，，光引发剂吸收一定波长的能量，，爆发自由基、阳离子等，，从而引发单体聚合交联固化的反应。。。。。可是差别光引发剂对光子波长的响应规模差别，，因此在设计地坪涂料紫外固化的施工计划时，，必需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漫衍

图1(a)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254 nm 的线光谱，，另外尚有少量297、313 和365 nm 的紫外辐射。。。。。这是一种高效的紫外光源，，通常其254 nm 辐射效率可达50%以上，，并且放电装备相对简朴可靠，，在杀菌、紫外固化、情形污染治理等方面都有着普遍的应用。。。。。图1(a)中的另一条谱线是UV 荧光灯的光谱，，该灯现实上就是低压汞灯灯管内外貌涂覆紫外荧光粉，，254 nm 紫外辐射引发荧光粉后，，在350 nm 周围爆发较宽的带光谱，，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。。。。。只管低气压放电灯的紫外效率较高，，可是单灯功率小，，功率密度低，，因此很难知足大功率应用的需求。。。。。

现在中高压汞灯是最常用的大功率紫外光源，，光谱如图1(b)所示，，其功率密度能抵达5～25 kW/m, 辐射强度很大，，并且光谱规模很是�？？？？�，，笼罩了紫外到可见区域。。。。。可是固化反应中的光敏剂对差别波长光的吸收响应差别，，有些光敏剂对辐射光有较强的选择性，，只有特定波长规模内的辐射光才华使反应有用举行，，其他的辐射是无效的。。。。。因此这种宽光谱类型的光源，，在现实的应用中保存辐射能量的铺张。。。。。

微波中压汞灯与通俗中高压汞灯类似，，具有很高的功率密度，，辐射强度大，，光谱也相似，，且比通俗汞灯的启动时间短，，但也保存与通俗汞灯相类似的问题。。。。。并且由于接纳微波驱动的方法，，微波汞灯的尺寸受到一定的限制。。。。。

脉冲氙灯也是较量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。。。。。可是从1(b)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较量低的。。。。。

图1(c)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爆发高强度的窄带光谱辐射，，发出的紫外波长宽度仅有几个nm，，因此很是适适用于波长选择性强的应用。。。。。可是准分子灯的辐射效率比汞灯要低，，并且价钱很是腾贵，，成为制约其应用的主要缘故原由。。。。。

陪同着十多年来半导体手艺的快速生长，，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、使用无邪利便的特点，，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古板照明光源。。。。。随着紫外LED 芯片的辐射效率提升和价钱下降，，紫外LED 光源实现了在365 nm 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偏向，，有望逐步替换现有的汞灯等古板气体放电光源。。。。。图1(d)是差别芯片的UV- LED 光谱，，可以看到现在UV-LED 在365 nm 以上有多种差别的中心波长可以选择，，因而可以知足光引发剂的使用要求。。。。。凭证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 涂层等反应中的效果较量，，紫外LED 基本能够抵达与古板气体放电光源相同的效果，，固化后涂层的特征能知足要求。。。。。

表1 几种主要紫外光源的参数较量

表1 枚举并较量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相比的竞争优势，，其系统能效是中高压汞灯的4～5倍，，并且是可以知足大功率应用要求的。。。。。

相比于现在以气体放电灯作为紫外光源的固化妆置，，紫外LED 固化系统的奇异优点有：

1.LED光谱规模窄，，有用波长辐射效率高。。。。。紫外LED 发出的光谱较量窄，，半宽仅有十几个nm，，光谱能量集中。。。。。而近年来紫外LED 芯片手艺取得了长足的前进，，现在主波长365 nm 以上的LED 芯片发光效率可达40%以上。。。。。汞灯等光源只管总辐射效率较量高，，可是由于其光谱组成很是重大，，涵盖紫外到可见区域，，以是有用的紫外波段辐射效率相对较低。。。。。因此，，只要知足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 灯具的辐射使用效率就更高。。。。。

2.结构紧凑，，单位面积的辐射功率(即功率密度)大。。。。。在对地坪涂料举行快速固化的历程中，，固化反应对紫外辐射的功率密度有较高的要求，，接纳的紫外光源的功率抵达了千瓦级以上。。。。。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，，能够获得较强的辐照度，，并且整个系统装置能够制作得较量轻盈便捷，，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，，因此在现实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，，紫外辐射的偏向性较好，，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。。。。。古板的气体放电灯使用寿命一样平常只有1000～4000 h，，而紫外LED 的使用寿命可以抵达20000～30000h。。。。。别的，，汞灯等气体放电光源启动较慢，，灯从启动到稳固事情需要0.5～1h，，且寿命受电极影响很大，，频仍开关灯会严重影响电极性能从而大大缩短灯的寿命，，以是这些灯在使用历程中必需一连燃点，，能耗大。。。。。而LED 的寿命与开关次数没有显着关联，，又能够实现瞬时启动，，以是可以仅在需要举行紫外辐射时点灯，，着实际使用寿命远远凌驾气体放电灯的寿命。。。。。另外，，紫外LED 灯具这种即开即关的特点也能够阻止不须要的电力消耗，，越发切合节能环保的要求。。。。。

5.无热辐射，，清静性更高。。。。。汞灯等气体放电光源除了爆发紫外辐射等以外，，放电历程中还会形成大宗的可见和近红外热量消耗。。。。。为了维持灯内放电物质的蒸气压，，因此光源的外貌温度很是高(放电管外貌温度达700～900℃)。。。。。在地坪施工尤其是室内情形施工历程中，，可能会爆发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清静事故。。。。。而LED 是一种“冷光源”，，其发出的光中不含红外辐射，，且LED 芯片爆发的热量通过散热结构设计从背面基板导出并接纳合理的制冷设施冷却散热，，因此光源外貌温度低，，也不会在被照射外貌爆发热量积累，，能够阻止此类事故的爆发。。。。。

3.紫外光源与光引发剂的匹配

现在为止，，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，，必需要选用在长波处具有较大吸收光谱的光引发剂。。。。。而接纳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，，可是在长波380nm 周围吸收率很低，，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�；；；；；�) 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“有用紫外使用效率”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，，而没有思量光源的现实功率，，有助于对应用系统的整体效率举行客观评价，，不但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。。。。。配方中接纳了光引发剂1173，，与中压汞灯相配合，，能抵达较好的固化效果，，其有用紫外使用效率为0.058，，而中心波长为380 nm 的UV-LED 与该光引发剂的有用紫外使用效率仅为0.014，，只有中压汞灯的1/4。。。。。而若是接纳光引发剂819，，则配合UV-LED 的有用紫外使用效率可达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。。。。。

虽然，，光引发剂在紫外固化反应中的效率关于整体效率的评价也会造成影响，，但有用紫外使用效率的提出，，为紫外光源与光引发剂的计划选择提供了参考依据。。。。。而差别光引发剂之间的较量，，需要对种种光引发剂的吸收谱举行越发定量地测定，，这尚有待进一步的研究事情。。。。。

4.高效大功率紫外LED 光固化系统

为了知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 封装手艺难点，，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 固化系统接纳铜板与氮化铝板的三明治封装结构，，直接以铜板作为电极毗连，，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

接纳铜板电极取代薄膜电路板毗连，，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20～500 W/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，，既能抵达优异的绝缘效果，，又能够确保芯片热量的高效导出，，从而改善LED 模组的散热特征。。。。。并且AlN 板外貌无需镀金属膜，，制作工艺简朴，，能够有用提高制品率，，降低制造本钱。。。。。

另外，，LED模组封装中接纳自制的高效导热胶作为粘结质料。。。。。该导热胶的导热系数可达120 W/(m K)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抵达200 W/cm2，，总功率14kW，，结构小巧，，操作利便，，施工简朴，，能很好地应用于州差别的地坪固化处置惩罚。。。。。

5.结语

紫外固化作为一种高效环保的绿色手艺，，近年来获得快速地生长和推广。。。。。尤其随着我国经济的增添，，紫外固化应用保存着重大的市场潜力。。。。。在这种生长趋势下，，急需开发大功率紫外LED 光固化系统以知足应用的需求。。。。。针对大功率LED 模组封装中保存的手艺难点，，已发明了接纳铜板与AlN 板的三明治封装结构，，有用改善了大功率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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