紫外LED光源對油墨固化效率的研究

董克凡，劉 昕

(西安理工大學(xué) 印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院，陜西 西安 710048)

紫外光固化[1-2]是指固化材料吸收紫外光線(主要以365 nm、385 nm和395 nm為主峰[3]的波段)從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的化學(xué)反應(yīng)過程。目前，紫外光固化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于印刷、包裝、廣告、建材、電子、汽車、醫(yī)學(xué)等[4]行業(yè)。在印刷行業(yè)，相對于傳統(tǒng)的汞燈存在的高能耗、預(yù)熱時(shí)間長、產(chǎn)生臭氧等問題，新型的紫外LED具有波長范圍固定、針對性的輻射固化、紫外光利用率高、效率高、使用壽命長、功耗低、噪聲小、散熱效果極好、低碳環(huán)保、環(huán)境污染小、不產(chǎn)生臭氧等優(yōu)點(diǎn)。但是紫外LED燈存在單一波長的紫外LED光固化裝置只能適用于LED專用油墨這種局限性問題，限制了其在印刷領(lǐng)域的應(yīng)用，使得在有些方面不能達(dá)到全自動化生產(chǎn)而需要人工對其進(jìn)行分類印刷。

為了解決上述問題，增加設(shè)備的靈活性，使其可以根據(jù)油墨的種類自主選擇光源的波段和波長，本文提出了不同波長紫外光LED排列組合方案，由于單一的紫外LED難以滿足生產(chǎn)需要，該方案通過選擇三種不同波長(365 nm、385 nm和395 nm)的紫外LED并通過在空間上合理的陣列設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)輻射面的光功率、光斑尺寸和實(shí)際的使用要求，并通過具體的實(shí)驗(yàn)，對不同波長的紫外LED能量進(jìn)行分析對比，從而驗(yàn)證該方案的可行性和有效性。

1 理論分析

1.1 設(shè)計(jì)原理

紫外光固化需要在極短的時(shí)間內(nèi)，讓固化材料吸收固化光源所提供的高強(qiáng)度均勻紫外光線。由于紫外光線是不可見光，在印刷固化中通常用輻照能量[5](單位為mJ/cm2)來表示固化所需要的紫外光能量的大小。單一的紫外LED在無聚光情況下是達(dá)不到固化所需能量的，所以通常情況下有兩種方式來增加紫外LED的輻照度：①在紫外LED發(fā)光面前增加有聚光效果的透鏡[6-7]，將紫外LED發(fā)散的輻射能量集中，如圖1所示，a點(diǎn)代表紫外LED位置，l代表紫外LED到透鏡的距離，l′代表透鏡到工作面的距離，S代表光斑面積；②增加紫外LED的數(shù)量，采用陣列結(jié)構(gòu)，使光源的輻照度達(dá)到固化的需求。

圖1 紫外LED和聚光透鏡裝置

目前在醫(yī)學(xué)上紫外光固化用的紫外LED點(diǎn)光源裝置會采用第一種方式，典型產(chǎn)品的單管紫外LED能量在200 mJ時(shí)，若采用聚光透鏡使得光斑直徑為4 mm，匯聚點(diǎn)的輻射能量可達(dá)到800 mJ/cm2。但是這種方法得到的輻射能量受到單個(gè)紫外LED發(fā)光能量以及發(fā)光面的限制，工作距離短(一般不超過5 cm)、光斑面積小，而且其溫度經(jīng)過聚光透鏡之后在光斑內(nèi)會有所升高，只適應(yīng)于固化時(shí)能夠承受較高表面溫度且不易變形的材料。第二種方式使用多個(gè)紫外LED，采用合理的陣列結(jié)構(gòu)，增加了其照射范圍，改變紫外LED參數(shù)還可以實(shí)現(xiàn)較大工作距離的使用要求。本文通過優(yōu)化第二種方式，使用不同波長的紫外LED混合連接成陣列結(jié)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)計(jì)不同的紫外LED陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，必須滿足以下幾點(diǎn)要求：工作距離[8]、產(chǎn)生的光斑面積以及輻照能量的大小等指標(biāo)，而且需要結(jié)合單個(gè)紫外LED的大小尺寸在空間上進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)排布[9]。

圖2 空間紫外LED陣列裝置的幾何結(jié)構(gòu)

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

紫外光固化油(UVD-LED-5001S1黑色油墨)：工業(yè)級，深圳市美聯(lián)興油墨有限公司；365 nm LED燈珠：廠牌韓國LG，型號LEUVA33U70RL00；385 nm LED燈珠：廠牌韓國LG，型號LEUVA33U70TL00；395 nm LED燈珠：廠牌韓國LG，型號LEUV-V624A；光固化機(jī)：廠牌科之藝，型號KJC-4LED；紫外能量計(jì)：廠牌林上，型號LS121；測速儀：廠牌Victor，型號VC6236P。

2.2 原理方法

利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE(design of experiment)來設(shè)計(jì)測試參數(shù)并分析其結(jié)果，更重要的是利用其中的“篩選設(shè)計(jì)(screening design)”找出不同工作距離、不同波長的紫外LED燈珠陣列以及不同的運(yùn)行速度對油墨固化速率的影響。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以UVD-LED-5001S1黑色油墨為例，設(shè)定墨層厚度為5μm，要使得墨層能夠完全固化，則輻射度要求E大于1 000 mJ/cm2，單管LED輻照度Es為150 mJ/cm2，則最低需要紫外LED的數(shù)量N=7，在空間尺寸上要求紫外LED的數(shù)量N<18，故紫外LED的數(shù)量N=7實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求。實(shí)驗(yàn)選用365 nm、385 nm和395 nm三種不同波長的紫外LED燈珠，將63個(gè)LED分成9組，每7個(gè)串聯(lián)起來，以9×7的空間形式分布于基板上，LED行距為2.2 mm(見圖3)。其中，365 nm燈珠排列在第1行和第2行，395 nm燈珠排列在第3行到第5行，385 nm燈珠排列在第6行和第7行，具體實(shí)物圖和發(fā)光效果圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程中，將使用光固化機(jī)(含有傳動帶)來分別安裝兩只不同組合的紫外LED燈組，使用測速儀來檢測傳送帶的速度，并對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比分析。

圖3 365 nm、385 nm和395 nm紫外LED組合陣列系統(tǒng)

3 結(jié)果和討論

3.1 改變工作距離對固化效果的影響

當(dāng)工作距離變?yōu)? cm和3 cm時(shí)，固定紫外LED陣列為365 nm、385 nm和395 nm的燈珠，傳送帶速度調(diào)節(jié)至36 m/min，其輻射能量值如表1所示，從表1中可以得出，5 cm相對于3 cm的工作距離，其輻射能量降低。

表1 不同工作距離輻射能量對比表

(1)

式中：ρL為不同的工作距離對輻射能量產(chǎn)生影響所占的百分比；EL3為工作距離為3cm時(shí)的輻射能量；EL5為工作距離為5 cm時(shí)的輻射能量。

3.2 改變紫外LED燈珠陣列對固化效果的影響

當(dāng)改變燈珠陣列時(shí)，選用385 nm和395 nm紫外LED燈珠陣列裝置與365 nm、385 nm和395 nm紫外LED燈珠陣列裝置，此時(shí)調(diào)節(jié)傳送帶速度為36 m/min，固定器工作距離為5 cm，其輻射能量值如表2所示，從表2中可以得出，365 nm、385 nm和395 nm的紫外LED陣列相對于385 nm和395 nm的紫外LED陣列，其輻射能量降低。

(2)

式中：ρα為不同波長的紫外LED燈珠陣列對輻射能量產(chǎn)生影響所占的百分比；E2為2種不同LED燈珠陣列組合的輻射能量；E3為3種不同LED燈珠陣列組合的輻射能量。

表2 不同波長的紫外LED燈珠陣列輻射能量對比表

3.3 改變運(yùn)行速度對固化效果的影響

當(dāng)傳送帶速度分別為36 m/min和18 m/min時(shí)，選定紫外LED陣列裝置為385 nm和395 nm的燈珠，并且工作距離設(shè)定為5 cm，此時(shí)輻射能量對比值如表3所示，從表3中可以得出，傳送帶速度36 m/min的紫外LED陣列相對于傳送帶速度18 m/min的紫外LED陣列，其輻射能量降低。

(3)

式中：ρv為不同的運(yùn)行速度對輻射能量產(chǎn)生影響所占的百分比；E18為傳送帶運(yùn)行速度為18 m/min時(shí)的輻射能量；E36為傳送帶運(yùn)行速度為36 m/min時(shí)的輻射能量。

表3 不同的運(yùn)行速度輻射能量對比表

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，固化所需的輻射能量值，會根據(jù)傳送帶運(yùn)行速度的不同、不同波長紫外LED光源的混合使用以及工作距離的不同而產(chǎn)生相應(yīng)的改變。根據(jù)上述3個(gè)表格可以得出幾點(diǎn)結(jié)論：①更換不同的紫外LED陣列結(jié)構(gòu)，設(shè)備固化效率變化幅度在10%以內(nèi)；②當(dāng)設(shè)定的工作距離的變化量在1～2cm之間時(shí)，設(shè)備固化效率變化幅度在10%～20%之間；③在其他條件不變的情況下，調(diào)節(jié)傳送帶速度，固化效率最大可提升50%。在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，為了增加固化效率，可以降低其工作距離、改變紫外LED燈珠的組成或調(diào)整其工作速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在固化效果上，365 nm、385 nm、395 nm三種不同LED的光源和385 nm、395 nm兩種不同LED的光源都能達(dá)到穩(wěn)定的能量值。

4 結(jié) 語

本文充分利用紫外LED的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種可以適用于不同型號波長的紫外LED陣列裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置滿足現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需要，可以靈活高效地發(fā)揮不同型號的紫外LED優(yōu)勢，使油墨能夠完全固化，并且性能良好、成本低廉、綠色環(huán)保。可以根據(jù)實(shí)際需要，通過增減LED的數(shù)量來控制固化所需的輻射能量值。本設(shè)計(jì)只針對紫外LED陣列，若采用單個(gè)光學(xué)透鏡，效果會更加理想。