印刷品UV上光技术（四）

    【集萃网观察】四、UV上光的光源

    紫外光源是影响UV辐射固化产品固化过程和固化后产品性能的非常关键的因素。高强度、稳定的紫外光源是生产高质量UV上光产品的前提条件。即使有再好的UV光油配方组成，如果光固化不充分，UV光油所有的优势和特点也就无法体现，甚至会造成很多故障和损失，所以在关注光油质量的同时也要认真关注UV光源的质量。

    UV光源主要由灯管、反射器、冷却系统和辅助设备等构成。

    （一）、UV光源

    目前国内外使用的紫外光源大多数为汞弧灯(即通称的紫外灯或汞灯)。汞弧灯是封装有汞的、两端有电极的透明石英管．通电加热灯丝时，管内的汞蒸气受到激发跃迁到激发态，由激发态回到基态时即发射紫外光。由于管内汞蒸气压力不同，所发射的紫外光谱亦有所不同，主要分为低压、中压和高压三类以及无极紫光灯。   

    1．低压汞灯

    汞蒸气压力为10～100Pa，主要发射波长为254nm和185nm，前者约占全部发射能量的95％。

    低压汞灯的功率较小，一般只有几十瓦，而且发射波长短，易产生臭氧，造成空气污染，所以在光固化中很少使用。

    2．中压汞灯

    中压汞灯在国内习惯上被称为高压汞灯，汞蒸气压力为105 Pa，即约为一个大气压，中压汞灯是目前使用最为普遍的紫外光源，其发射的谱线长范围较宽并有重叠，在紫外区其主要发射波长为365nm，其次是366．3nm、334nm、313nm、303nm、280nm、253．7nm。中压汞灯的使用寿命约为1000～1500h。

    3．高压汞灯

    高压汞灯在我国习惯上被称之为超高压汞灯，汞蒸气压力为lO5 ~106Pa，即1~10个大气压。高压汞灯可提供最强的紫外光和可见光，其输出功率可达普通中压汞灯的10倍，工作时其电极温度可达2000℃，而灯管温度则可达600℃，因此需要加以冷却，灯的功率与冷却效率有关。高压汞灯的使用寿命较短，约75～lOOh。

    汞灯的一个重要指标是单位弧长的能量输出，或称线功率，以W／cm表示，线功率直接与照射光强相联系，在光固化中为了克服氧的阻聚提高固化速率，加大照射光强是最有效的办法，因此提高汞灯的线功率是灯具制造商的重要目标。

    目前使用的中压汞灯的线功率多为80W／cm和120W／cm，最大可达240W／cm，而高压汞灯的线功率为50～1000W／cm。

    4．无极紫光灯

    除了上述三种汞灯外，美国Fusion公司还制造了一种无极紫外灯，甚受用户青睐，因为这种灯没有电极，故称为无极灯。其构造非常简单，典型的灯长约为25cm，管中部稍细内装有汞及少量其他为改变发射光谱而添加的金属，如锡、铁、铅等。这种灯是用磁控管产生的微波来激活的。      

    与普通中压汞灯相比，无极灯的优点是：

    (1)可快速启动，关灯后可立即(<1．Os)重新启动，而不必像有极灯那样必须等待灯管冷却；

    (2)输出功率稳定，不像有极灯那样在使用一段时间后会逐渐下降，灯管如出现故障或已届使用时限，输出就降为零；   

    (3)使用寿命长，可达8000h；

    (4)紫外效率较高，即紫外输出功率占总功率的比例较大，达到36％，而有极灯的紫外效率仅为13％。

    无极灯的功率受磁控管技术的限制，目前最高的线功率为240W／cm。

  （二）、反射器

    反射器的主要功能是保证所产生的紫外光都能有效到达辐照印刷品的表面目标。

    反射器的几何形状和反射性能确定了直接辐照和反射辐照的相对比例。因此，当使用紫外灯具进行生产时，保持反射器处于良好的洁净状态、不受污染是非常重要的。对有些应用目的，有时希望将紫外能量在基质上聚焦；而另外一些情形下，又希望将紫外光漫射，以便得到更均匀的曝光程度，为此就需要通过使用反射器来达到目的。

    仅有一个合适的紫外输出灯具还不足以保证生产的紫外能量最大限度地辐照到基质表面，可以通过反射器来解决这一问题。反射器的作用是使UV灯产生的能量定向，它在固化设备设计时是一个重要的考虑因素。通常，反射器所用材料是高抛光铝，以达到最大的反射率，从几何光学角度考虑，反射器有多种几何形状，但是抛物线形和椭圆形代表了两种极端的情形，并得到不同的紫外光强度分布，常用的反射器有三种基本外形：椭圆形、抛物面形和多平面形乃至非聚焦型。

    1．椭圆形反射器

    椭圆形反射器属聚焦型反射器，在椭圆形反射器中，灯管安装于椭圆的一个焦点之上，紫外光被反射到椭圆另一焦点，待固化产品通过该焦点时，将会受到最大强度的紫外辐照。   

    灯管的直径越小，聚焦后的光点也就越窄，对于同样的椭圆形反射器来说，峰强度就越高。

    它是供固化连续涂装平板型基材使用的最常用的设计，灯和反射器组合位于加工区上方，椭圆形反射器使灯光在涂料表面形成聚焦的光束，聚焦使发射的能量集中，形成高的光通量强度，一支lOOW／cm的汞蒸气灯可产生40W／cm2的功率强度，从而达到最大的固化效率。

    2．抛物面形反射器

    抛物面形反射器将光线平行反射，从而导致紫外强度分布较宽，使得灯具与产品之间距离的大小对光强度的影响不是很大。

    抛物面形反射器提供平行光束，它产生的光强度约为椭圆形反射器的10％，适用于涂装容器或其他不适合聚焦的立体部件。

    最近在反射器的设计方面致力于减少反射器对红外光的反射，以减少基材上的热量沉积，为此要尽可能地使反射器能透过或吸收红外光，反射器设计的另一新发展是利用更为有效的聚集，以增加最大照度，另外还可在焦点的下方放一透镜，以使不经过反射的光也聚焦到焦点上。

    （三）、冷却系统

    灯管和反射器的冷却对灯具的正常运转具有最重要的意义，紫外灯具会发射大量的红外光，对有些基材(例如塑料薄膜等)来说，这些红外光会导致基材温度升高得太多，尤其是椭圆形反射器，要特别注意尽可能地减少基材的升温，目前有多种适用的技术。反射器材料的研究目标之一就是要使反射器具有吸收红外线的功能。

    对弧光灯周围的温度加以控制的方法包含空气冷却和水冷。

    1．空气冷却

    灯具的冷却可通过洁净的空气进行，空气中的颗粒会烧结到灯具之上，灯具内的温度和压力决定了等离子体的离子化条件。

    所有的中压汞灯都需要通风以冷却灯的表面，冷却起着以下几方面的作用。

    (1)控制灯的表面温度，有助于防止灯管过热而缩短使用寿命。电弧(常用来做等离子体的触发器)可达到远高于灯体(石英)的熔化温度，如果不能进行充分冷却，石英灯具性能将会退化，紫外输出将会减少，但是如果过度冷却，也可能会导致灯管不易维持等离子体状态。通常，UV灯具的温度处于600?800~C之间。

    (2)灯温不稳定会造成不规则的光谱输出，进而影响固化效率。

    (3)排气不仅可以尽量减小基材的升温，而且有助于把可能产生的臭氧及其他的烟气排离工作场所。

    因为氧气会阻止自由基的聚合进程，所以对很多的应用来说，空气固化并不能提供良好的应用性能。虽然在这一领域已经取得了很大的进展，也确实有很多工业化的紫外固化生产线在空气环境下运行，然而紫外固化设备的新发展仍然为人们不断提供新的选择。

    2．水冷

    水冷比空气冷却的优点多，并由此开发了使用氮气置换氧气的生产工艺，在光束抵达基材前滤去其红外成分和在基材下方装水槽是两种常用的方法，其中，滤去红外成分又可采用水滤法或分光反射镜法。这些方法可以单独使用，也可以彼此结合使用。

    水滤法：可以将灯管置于填充了水的石英夹套之中，不断用循环水冷却，这个方法也可以吸收红外线，但缺点是同时大幅度减少了紫外输出功率，如果将冷却夹套放在基材的底部，即可在一定程度上缓解这一问题，但使用这种方法，必须使冷却夹套和基材之间紧密接触，此外，还要解决水的渗漏问题。

    （四）、辅助设备

    1．动力系统

    动力系统包括灯具的启动以及维持电压和电流，以便得到所需的UV功率输出，辐射器在5kYDC以上工作，因此动力系统包括变压器、二极管、电容器等。此外，动力系统还包括一些必要的调节和控制电路，以确保灯具能正常和安全地工作。

    与光源配套的电源由高压变压器和电容器两大部分组成。这种电源系统通常体积庞大且笨重，但近年来开发了小型、轻便的电源，并能连续可调或小间隔可调，可提供高达6kW以上的功率。

    2．排气装置

    在固化装置区域一般要求安装排气装置，以便及时带走固化过程中所产生的热和臭氧。臭氧是由氧经过空气放电所产生的，研究表明，由UV灯具产生的臭氧的危害性并不是十分明显，但是存在着难闻的气味。

    3．光罩

    UV光对眼睛和皮肤都有害处，眼睛直视短波长UV光(<200nm)会造成永久性的伤害，高强度的UV光会使皮肤被“灼伤”。

    由于存在类似的潜在危险，工业上的UV灯具都安装有光罩，以避免UV光直接泄露到工作空间。

    4．光闸

    在有些场合，尤其在涂敷并固化可燃或热敏性的基材时，灯具必须具备瞬间切断UV源的能力。否则，倘若流水线出现停车故障，高强度的辐射会使基材被点燃或熔化。而且汞灯重新启动的时间长，不宜随意开关，因此有必要为UV灯安装一个遇到流水线故障时能自动闭合的光闸。光闸闭合时，灯转换成半功率输出，并可在极短时间内回复全功率工作。