Co to jest utwardzanie promieniami UV?
Chociaż w tym artykule omawiany jest temat „Matowania powierzchni za pomocą utwardzania ekscymerowego promieniowaniem UV”, ważne jest najpierw wyjaśnienie, na czym polega utwardzanie promieniami UV.
Utwardzanie promieniami UV to wszechstronna technologia stosowana w wielu zastosowaniach drukowania i powlekania. Nadaje się do druku atramentowego, fleksograficznego, wklęsłego, sitodrukowego, offsetowego, szczelinowego, pręta Mayera, wałka, kurtyny i natrysku, a także do wielu innych metod przenoszenia i osadzania. Pary rtęci, diody elektroluminescencyjne (LED) i lampy ekscymerowe dostarczają energię UV do części i podłoży w środowiskach produkcyjnych. Niektóre procesy produkcyjne obejmują nawet kombinacje trzech technologii w celu uzyskania określonych właściwości, które nie są możliwe przy zastosowaniu wyłącznie jednej technologii utwardzania promieniami UV.
Utwardzanie promieniami UV umożliwia przetwórcom wąskim, średnim i szerokim wstęgom szybkie utrwalanie farb, powłok, klejów i wytłoczek w linii, na niewielkiej powierzchni i z dużą prędkością, jednocześnie zapewniając właściwości użytkowe lepsze od tych, które można osiągnąć w przypadku konwencjonalnie suszonych materiałów. Utwardzanie promieniami UV nie powoduje wysuszenia. Jest to reakcja chemiczna na poziomie molekularnym, która przekształca mokre w dotyku materiały przypominające ciecz w usieciowane polimery, które są całkowicie suche w dotyku. Na korzyść konwerterów ta przemiana materiału następuje w ułamku sekundy.
Preparaty UV składają się zazwyczaj w 100% z substancji stałych, nie zawierają płynnych nośników, które należy odparować i nie wymagają energochłonnych suszarek termicznych, które również przenoszą ciepło do wstęgi. Gdy wstęga opuści stację utwardzania promieniami UV, jest natychmiast gotowa do dalszej obróbki, arkuszowania, cięcia wzdłużnego, przewijania i wysyłki. Co więcej, powierzchnie utwardzane promieniowaniem UV nie zarysowują się, nie niszczą ani nie ulegają uszkodzeniu, gdy przechodzą przez dalsze elementy linii produkcyjnej lub sprzęt wykończeniowy. Wszystko to sprawia, że towary w toku nie znajdują się w zapasach, zmniejsza ilość odpadów i skraca czas realizacji.
Reakcje inicjowane promieniami UV tworzą silne wiązania chemiczne pomiędzy cząsteczkami i zapewniają doskonałą przyczepność do podłoża. Dla porównania, konwencjonalne procesy suszenia wstęg i arkuszy pozostawiają rozłączone pozostałości stałe pozostające na powierzchni nieporowatych podłoży, takich jak folie polimerowe i papiery powlekane, lub rozproszone w górnych warstwach materiałów porowatych, takich jak papiery niepowlekane. Inną cechą procesów sieciowania inicjowanych promieniami UV jest wytwarzanie długich, ciągłych łańcuchów molekularnych, które zapewniają wysoce pożądane i solidne właściwości funkcjonalne i estetyczne.
Mat kontra połysk
Materiały utwardzane promieniowaniem UV naturalnie wyglądają na błyszczące i błyszczące. Dzieje się tak dlatego, że preparaty UV składają się w 100% z substancji stałych i mają niską masę cząsteczkową. Te dwie cechy pozwalają preparatom UV płynnie i równomiernie przepływać po wstędze podczas aplikacji, a następnie natychmiastowo utwardzać się na miejscu. Gładkie powierzchnie są z natury odblaskowe, co oznacza, że światło jest kierowane z utwardzonej powierzchni pod tym samym kątem padania. Im bardziej odblaskowa powierzchnia, tym bardziej błyszcząca i bardziej lustrzana się wydaje.
Alternatywnie, powierzchnie matowe są szorstkie i mają większą powierzchnię całkowitą. W rezultacie powierzchnie matowe pochłaniają więcej światła niż powierzchnie błyszczące. Matowe powierzchnie rozpraszają również odbite światło w wielu kierunkach. Nazywa się to odbiciem rozproszonym i powoduje, że matowe powierzchnie wydają się matowe oraz wykazują właściwości przeciwodblaskowe i zapobiegające pozostawianiu odcisków palców.
Formulatorzy UV tworzą materiały matowe lub półbłyszczące poprzez dodanie środków matujących. Środki matujące to cząstki stałe, takie jak krzemionka koloidalna, węglan wapnia oraz wosk lub talk, które utwardzają się na powierzchni materiału. Zróżnicowanie wielkości cząstek i składu tych dodatków wpływa na sposób rozpraszania światła z utwardzonej powierzchni, a tym samym na jej matowość. Niestety, istnieją ograniczenia co do ilości środków matujących, które można dodać do preparatów i w związku z tym możliwego do uzyskania zmniejszenia połysku. Dzieje się tak dlatego, że zbyt duże stężenie cząstek stałych zmniejsza przezroczystość i zwiększa lepkość, co utrudnia aplikację preparatu. Włączenie ekscymerowych lamp UV do procesów utwardzania umożliwia przetwórcom wytwarzanie matowych powierzchni bez użycia środków matujących.
Źródła utwardzania promieniami UV
Chociaż technologie wykorzystujące parę rtęciową, diody LED i lampy ekscymerowe emitują energię ultrafioletową, mechanizmy wytwarzania energii, a także charakterystyka odpowiedniej emisji promieniowania UV są bardzo różne. Zrozumienie tych różnic ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego zastosowania technologii i maksymalizacji jej wartości.
Lampy rtęciowe
Lampy rtęciowe to rodzaj średniociśnieniowych lamp wyładowczych, w których niewielka ilość rtęci elementarnej i określonej mieszaniny gazu obojętnego odparowuje do postaci plazmy w zamkniętej rurze kwarcowej. Po odparowaniu plazma rtęciowa generuje promieniowanie UV o szerokim spektrum, które promieniuje pod kątem 360° z rurki kwarcowej. Optymalnie ukształtowane reflektory umieszczone za rurą kwarcową służą do koncentracji emitowanej energii UV na wstędze lub arkuszu. Rysunek 1 (a) przedstawia kilka lamp rtęciowych i zespołu głowicy lampy.
Więcej informacji na temat systemów lamp rtęciowych firmy GEW można znaleźć tutaj.
Lampy UV-LED
Lampy LED to półprzewodnikowe układy elektroniczne składające się z wielu chipów wykonanych z cienkich, półprzewodzących, krystalicznych materiałów połączonych elektrycznie ze sobą w jednym rzędzie lub w kombinacji rzędów i kolumn. Kiedy wolne elektrony z obszaru ujemnego diody LED przechodzą do obszaru dodatniego, przechodzą do stanu o niższej energii. Odpowiedni spadek energii jest uwalniany z półprzewodnika w postaci połączenia światła i ciepła. Ciepło emitowane przez diody LED wynika z nieefektywności elektrycznej, a nie z energii podczerwieni.
Diody LED UV emitują quasi-monochromatyczne pasma długości fali energii po podłączeniu do źródła prądu stałego. Emitowane światło jest rzucane do przodu z każdej diody LED pod pełnym kątem 180° bez użycia odbłyśników, można je szybko i łatwo włączać i wyłączać oraz ma pełną liniową regulację mocy. Ilustrację trzech modułów LED zintegrowanych w znacznie dłuższy układ składający się z większej liczby modułów oraz odpowiadającej im głowicy lampy LED przedstawiono na rysunku 1 (b). Każdy z fioletowych kwadratów na grafice reprezentuje pojedynczą diodę LED.
Więcej informacji na temat systemów utwardzania UV LED firmy GEW można znaleźć tutaj.
Lampy ekscymerowe
Podobnie jak lampy rtęciowe, lampy ekscymerowe są rodzajem lamp wyładowczych. Lampy ekscymerowe składają się z rurki kwarcowej, która służy jako bariera dielektryczna. Rurka wypełniona jest rzadkimi gazami zdolnymi do tworzenia cząsteczek ekscymeru lub ekscypleksu. Różne gazy wytwarzają różne wzbudzone cząsteczki i określają, jakie konkretne długości fal są emitowane przez lampę.
Zwinięta elektroda biegnie wzdłuż wewnętrznej długości rurki kwarcowej, podczas gdy elektrody uziemiające biegną wzdłuż zewnętrznej długości. Do lampy podawane są impulsy napięcia o wysokich częstotliwościach. Powoduje to przepływ elektronów wewnątrz elektrody wewnętrznej i wyładowanie przez mieszaninę gazów w kierunku zewnętrznych elektrod masowych. To zjawisko naukowe znane jest jako wyładowanie z barierą dielektryczną (DBD).
Gdy elektrony przemieszczają się przez gaz, wchodzą w interakcję z atomami i tworzą pod napięciem lub zjonizowane formy, które wytwarzają cząsteczki ekscymera lub ekscypleksu. Cząsteczki ekscymeru i ekscypleksu mają niewiarygodnie krótki czas życia, a podczas rozkładu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego emitowane są fotony o rozkładzie quasi-monochromatycznym. Obraz lampy ekscymerowej i odpowiadającej jej głowicy przedstawiono na rysunku 1 (c).
Więcej informacji na temat systemów utwardzania ekscymerowego firmy GEW można znaleźć tutaj.
Krytyczne różnice w emitowanych długościach fal
Jednym z najważniejszych wyróżników łuku elektrodowego, lamp LED i lamp ekscymerowych jest rozkład widmowy. Lampy rtęciowe są lampami szerokopasmowymi, ponieważ emitują mieszankę VUV (100 do 200 nm), UVC (200 do 285 nm), UVB (285 do 315 nm), UVA (315 do 400 nm), UVV (400 do 450 nm), światło widzialne (400 do 700 nm) i podczerwień (700 do 1 mm). Chociaż wypromieniowane światło o dowolnej długości fali zawiera energię, którą można przekształcić w ciepło, głównym pasmem wytwarzającym ciepło są fale podczerwone. Lampy utwardzające LED emitują głównie wąskie pasma UV skupione w jednym z następujących obszarów: UVA (365, 385, 395 nm) lub UVV (405 nm), podczas gdy lampy ekscymerowe emitują wąskie pasma UV skupione w VUV (172 nm), UVC (222 nm) lub UVA (308, 351 nm).
Krótsze fale, takie jak VUV i UVC, mają stosunkowo minimalną penetrację przez folie w połączeniu ze stosunkowo większą energią na foton. Natomiast dłuższe fale, takie jak UVA i UVV, mają stosunkowo większą penetrację przez folie, ale zawierają mniej energii na foton. Zależność między absorpcją długości fali a głębokością transmisji dla każdego pasma energii ultrafioletowej pokazano na rysunku 2.
Matowanie powierzchni lampami ekscymerowymi
Fotony próżniowego UV (100 do 200 nm) zawierają najwięcej energii ze wszystkich długości fal UV, ale są całkowicie absorbowane w górnych 10 do 200 nm błony. W rezultacie lampy ekscymerowe 172 nm sieciują jedynie najbardziej zewnętrzną powierzchnię preparatów UV i zawsze należy je łączyć szeregowo z systemami rtęciowymi lub LED, aby osiągnąć pełną głębokość utwardzania.
Za każdym razem, gdy nałożona folia UV jest wystawiona na działanie fal o długości około 172 nm w środowisku obojętnym azotem, górna część folii natychmiast marszczy się i odrywa od leżącego pod spodem, nieutwardzonego materiału. To marszczenie wprowadza mikrofałdy i zwiększa całkowitą powierzchnię farby drukarskiej lub powłoki. To sprawia, że ekscymer idealnie nadaje się do matowania i eliminuje potrzebę stosowania środków matujących.
Dwuetapowy proces utwardzania wykorzystuje ekscymer do utwardzania powierzchni oraz rtęć lub diody LED do końcowego utwardzania. Trzystopniowy proces utwardzania obejmuje lampę LED małej mocy lub rtęciową lampę łukową domieszkowaną galem przed lampą ekscymerową. Ta lampa „wstępnie żelująca” zwiększa lepkość atramentu lub powłoki, aby ograniczyć wypływ i poprawić równomierność zmatowienia w całej wstędze; osiąga się również pewną ograniczoną kontrolę nad poziomem połysku. Ilustrację stopniowego procesu utwardzania ekscymerowego promieniowaniem UV przedstawiono na rysunku 3.
Marszczenie powierzchni folii za pomocą lamp ekscymerowych powoduje powstanie bardziej chropowatej powierzchni w porównaniu z preparatami utwardzanymi parami rtęci lub diodami LED. Szorstkie powierzchnie pozwalają na wchłonięcie większej ilości światła przez utwardzony materiał, jednocześnie rozpraszając odbite światło w wielu kierunkach. Rezultatem jest piękny matowy wygląd, który zapewnia ochronę przed odblaskami i odciskami palców, a także odporność na plamy, ścieranie chemiczne i fizyczne oraz zużycie, zawsze związane z utwardzaniem promieniami UV. Bardzo niski połysk około 2 GU nie jest możliwy w przypadku środków matujących, ale można go łatwo osiągnąć poprzez utwardzanie ekscymerowym promieniowaniem UV. Ponadto, pomimo bardziej chropowatej powierzchni w porównaniu z materiałami utwardzanymi wyłącznie parami rtęci lub diodami LED, zwiększona powierzchnia wytworzona za pomocą lamp ekscymerowych sprawia, że utwardzone powierzchnie są również miękkie w dotyku.
Zastosowania ekscymeru
Utwardzanie ekscymerowe promieniami UV wstęgi i arkuszy o szerokości do 2,3 metra jest wykorzystywane w wielu przemysłowych zastosowaniach związanych z przetwarzaniem. Do tej technologii najlepiej nadają się procesy i produkty wymagające spójnego i kontrolowanego matowego wykończenia. Przykładami są folie wykończeniowe i do pakowania, a także papiery dekoracyjne, z których wszystkie wykorzystują lampy ekscymerowe do tworzenia wysokiej jakości powierzchni na meblach i produktach do wyposażenia wnętrz. Powszechnie stosowane są również podłogi laminowane i PCV stosowane w pomieszczeniach i przejściach o dużym natężeniu ruchu pieszego, a także w szpitalach i laboratoriach, w których wymagane są bardziej sterylne i odporne na plamy powierzchnie. Inne obejmują części i zespoły ze szkła i tworzyw sztucznych stosowane w urządzeniach elektronicznych, samochodach i innych gałęziach przemysłu, w których pożądane są powierzchnie przeciwodblaskowe i zapobiegające pozostawianiu odcisków palców. Chociaż technologia ekscymerowa nie jest nowa, z pewnością cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze strony przetwórców i producentów produktów. Dzieje się tak, ponieważ utwardzanie ekscymerowym promieniowaniem UV zapewnia niesamowitą funkcjonalność produktu końcowego, której po prostu nie można osiągnąć żadną inną metodą.
###
Ten artykuł został napisany przez Jennifer Heathcote, wiceprezes ds. rozwoju biznesu w GEW, Inc.
Aby dowiedzieć się więcej na temat ExciRay, technologii Excimer firmy GEW stosowanej podczas matowania powierzchni ekscymerem, odwiedź naszą stronę ExciRay.
