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想用好UV LED固化设备?这篇避坑指南你一定要看!
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原标题
UV LED固化系统:准确测量并消除安全隐患
UV LED curing systems: Measuring accurately and eliminating safety hazards
编译:杜鹏,润奥化工
原文作者:Geri Tangdiongga, Don Moncy Dominic和Dominik Stephan,戴马斯亚太公司
关键词
UV LED,安全,测量,防护,固化
摘要
近年来,UV LED技术在性能和成本方面进展非常迅速,因此我们必须对UV LED固化系统的测量设备和方法有充分的了解。本文重点介绍了UV LED固化系统的测量和特性描述,特别是在UVA波段内。此外,还将讨论紫外线(UV)的风险和安全问题,并重点阐明UV LED的固有优势。
介绍
近年来,将UV LED而非传统紫外灯集成到固化系统中的需求显著增加。虽然使用紫外光源的应用仍以传统紫外灯为主,但法国市场研究公司Yole Dévelopment报告说,UV LED的市场份额从2014年的19.1%增加到2019年的41.4%。UV LED的总市场规模从2008年的2020万美元增加到2015年的1.27亿美元,到2019年进一步增加到5.055亿美元。
根据Yole Dévelopment的报告,联合市场研究公司(Allied Market Research)所做的研究表明,全球UV LED市场规模预计将从2018年的2.711亿美元,以17.3%的复合年均增长率,增加到2026年的12亿美元。紫外固化市场,包括用于油墨、涂料和粘合剂等应用,将占据UV LED市场规模的近60%,而且50%以上的用户在亚洲。
紫外固化是利用紫外线的能量来启动光化学反应的过程,从而产生聚合物的交联网络结构。UV LED的强劲增长主要取决于该技术相对于传统紫外灯的吸引力。UV LED的一些优点讨论如下:
· 紧凑性 ·
UV LED可采用机载芯片(COB)技术,用于系统表面安装器件(SMD)封装形式或模具形式。由于其"灵活性",用于固化系统的UV LED光源的设计变得紧凑。可以设计不同类型的固化系统,包括如面光源、点光源或模块化系统。如果固化系统使用传统的紫外灯,则很难实现这种灵活性。
例如,考虑一个处于线缆末端的点光源紫外固化系统:基于传统紫外灯的紫外固化系统,需要一个长的引导部件来将光线转到固化点,这使得系统显得笨重;而基于UV LED固化系统的设计,则只需要使用一个球形透镜来汇聚光线即可,从而得到一个简单而紧凑的设计,并具有更高效率的输出。
·更长的产品寿命 ·
传统紫外灯的典型寿命约为2,000小时,或微波灯的最长8,000小时,而UV LED的寿命一般可达20,000小时。UV LED制造商通常采用应用于可见光波长LED的测试标准(LM-80和TM-21)来确定其使用寿命。
UV LED的使用寿命定义为在输出衰减达到定义级别之前的运行小时数,称为Lp,这里的p是初始输出功率的百分比。在可见光LED中,通常采用L70来确定LED的使用寿命。系统中光源更长的使用寿命有利于终端用户,因为它的更换周期更长,系统停机时间更短,并且在长时间运行中的稳定性更好。如果UV LED系统在间歇性模式下运行,则寿命可以更长。此外,光源寿命也高度取决于驱动电流,以及设备和环境温度。
目前,与UVB和UVC波段运行的UV LED相比,UVA波段的UV LED技术更加先进和成熟。当UV LED集成到系统中时(如发光件和固化系统),还必须考虑其他部件的寿命。因此,UV LED系统(如紫外光固化系统)在UV LED封装级别上的额定寿命,将比系统级别更短。所以,实际使用寿命由应用场景下的使用条件来确定。然而,系统故障的根本原因,往往是环境、辅助系统的设计,以及终端用户可能未遵循系统安装的要求。
· 环保(即无臭氧和无汞)·
紫外灯的发射光谱从UVC到可见光谱显示有多个峰值。在短波长范围,通常为160-240nm,紫外线可以将氧气转换为臭氧(O3)。如果长期吸入臭氧的话,这一产生的臭氧可能成为一个健康问题。因此,建议正确配置设备周围的通风系统,以降低风险。
此外,一些传统的紫外固化系统使用基于汞的紫外灯作为光源发射器。如果紫外灯被打破,那么可能会产生汞的污染。因此,需要为处理基于汞的紫外灯的破损问题,制定必要的安全指引。
UV LED的发射光谱为单个峰,典型峰宽为9-15nm,可以进行选择。这样就可以避开会产生臭氧的波长范围,特别是使用UVA和UVB波段的紫外线固化应用。此外,UV LED由半导体材料(氮化铟镓[InGaN]型)制成,而这种材料安全得多,不包含有毒有害材料,且不需要复杂的处理工艺。
除了上述几点之外,还有支持环保友好的其他优点:耗电量少、无需预热时间、可立刻投入使用,易于维护,且服务间隔时间更短。
随着对UV LED固化应用的需求不断增加,终端用户逐渐从基于紫外灯的固化系统转向基于UV LED的系统。
在固化应用中使用UV LED而非紫外灯,虽然带来了诸多优点,但在性能和其他安全风险方面仍然存在一些技术挑战,需要紫外固化系统集成商、测量设备提供商和终端用户面对。
例如,终端用户必须仔细研究粘合剂体系和UV LED系统,使粘合剂的吸收波长和LED的发射波长相匹配。终端用户需要通过评估可以实现优化固化工艺流程所需的峰值辐照度、能量和固化时间,来描述整个系统的特点。
另一个关键挑战,是对采用UV LED系统的固化应用,进行合适的能量输出测量方法。使用适当的方法和测量工具(如紫外能量计),可以准确测量紫外固化系统的能量输出。强烈建议对生产线中的能量输出进行这种测量,以确保达到产品的一致性。测量的目的是:
确保可靠的应用性能
确保固化过程的可重复性和稳定性
作为监测固化系统衰减的预防手段
因此,本文旨在向UV LED固化系统的终端用户,如经验丰富的工艺工程师、制造工程师和技术人员,提供使用适当的能量计,对UV LED固化系统进行性能测量的综述和建议。本文还涵盖了运行UV LED固化系统的风险和安全问题。
紫外线辐射和安全问题
紫外线辐射以电磁波的形式出现,波长范围介于X射线和可见光之间(10-400nm)。紫外线辐射源可以是自然的,如太阳,或人造的,如汞蒸气灯、黑光灯、金属卤化物灯、UV LED和紫外激光等。根据波长范围,紫外线辐射可分为:
UVA:315-400nm
UVB:280-315nm
UVC:180-280nm
真空UV/极紫外:10-180nm
虽然紫外线辐射对人类健康和环境(臭氧的产生)有负面影响,但紫外线辐射也可以造福我们的生活。它可以是维生素D的来源。在工业和医疗应用中,紫外线辐射广泛用于固化聚合物和油墨,以及医用光疗处理、法医分析、水消毒、杀灭某些病毒、和为实现最佳光合作用的园艺照明等。
本节讨论了在固化应用中使用紫外线的安全性问题。胶粘剂固化应用通常利用UVA波段的辐射,这主要是因为由于配方中所使用光引发剂的特性,大多数聚合物和油墨只能通过UVA来固化。
传统紫外灯系统的最大危险,是发光件的紫外线辐射。暴露在过量紫外线辐射下对人类是危险的。紫外线辐射,特别是UVA和UVB波段,可导致白内障和其他眼疾,以及皮肤癌,晒伤和皮肤加速老化。也有证据表明,紫外线辐射会降低免疫系统的效能。
现在市场上所提供的以传统紫外灯为光源的固化系统中,这些灯不仅发出UVA,也有UVB,和一些可见光。
不过,使用UV LED系统本身就更安全:发光件的波长控制在UVA波段,带宽较窄。因此,从安全角度来看,只需要使用简单的预防措施,UV LED的风险就更容易控制。
当涉及到紫外线暴露的最大值时,大多权威人士都会遵循美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)建议的紫外线暴露阈值(TLV)。
UVA波长区域(315-400nm)的建议TLV值,在持续时间大于1,000秒(约16.7分钟)的情况下,不应超过1.0mW/cm2,持续暴露时间不应超过1,000秒,总能量不应超过1.0J/cm2。对于1mW/cm2这个值,我们进行一下类比,它相当于是在新英格兰地区春天的晴朗无云天气下,使用紫外能量计对太阳直射情况下进行测量的典型强度水平。
对眼睛的影响
图1 眼组织对紫外线辐射的眼内过滤情况
紫外线照射眼睛与白内障和视网膜退化有关。角膜和晶状体是眼睛吸收紫外线辐射的最重要组织。据沃尔什(Walsh)公司的报告,角膜吸收的UVB最多(波长低于300nm),晶状体则吸收UVA(波长低于370nm),如图1所示。
因此,建议用户在操作紫外光源或靠近紫外固化系统时,佩戴紫外线级的安全防护眼镜。防护眼镜必须符合OSHA和ANZIZ87.1标准。对紫外辐射防护,安全防护眼镜以字母"U"标示,后面跟上2到6的数字表示等级,6表示通过眼镜的紫外辐射值最低。
在选择适当的防护眼镜时,建议考虑以下因素:(1)安全防护眼镜抵御在特定工作场所中,紫外辐射以外其他危害的能力;(2)可提供不受限制的视野和活动能力;(3)不能对员工所佩戴任何其他个人防护设备功能的任何影响或限制。
除安全防护眼镜外,还可使用防护罩,从而最大限度地减少终端用户暴露在紫外线下,因为固化机中的紫外线发射器可能会从应用表面释放出杂散的辐射能量。杂散辐射能量泄漏的可能性很高,因为它可能源于各种表面材料的反射,以及不当的系统安装或设计。
紫外线防护罩可以由黑色阳极化或有黑色涂层的金属片制成,以及硬质塑料薄膜(通常是亚克力和聚碳酸酯)或柔性薄膜,如可阻隔紫外线的柔性聚氨酯薄膜。与金属相比,塑料材料在非常低的温度下就会熔化,因此在使用亚克力或聚碳酸酯材料制成的屏蔽材料时,必须和紫外光源保持足够距离,以避免紫外光源(尤其是传统紫外灯)产生的热量所导致的任何形式的软化。
对皮肤的影响
紫外线辐射对皮肤的影响可分为两类:
急性,在暴露后几个小时内就会出现的影响;
慢性,具长期和累积的效果,可能多年内都不会出现。
紫外线辐射的急性影响可能显示为皮肤发红:红斑或晒伤。慢性影响则包括,皮肤加速老化和皮肤癌。
此外,紫外线辐射对皮肤组织的影响与皮肤灼伤有关,这增加了患皮肤癌的可能性。UVA辐射可渗透到皮肤组织的深处,与皮肤过早老化有关,且可能导致皮肤癌。
为保护皮肤免受紫外线辐射,建议终端用户穿着合适的手套和外套。丁腈橡胶,乳胶或编织紧密的织物等手套材料,适合保护皮肤免受大量的UVA和UVB的辐射。深色和闪亮的饰面可以通过吸收和反射,从而防止紫外线辐射穿透皮肤。与乙烯基手套相比,这些类型手套的紫外线传输更低。在操作紫外线装置过程中,建议穿长袖外套,以确保皮肤不会暴露在紫外线辐射下。
为了降低紫外线辐射暴露的风险,必须仔细设计控制措施,以尽量减少眼睛和皮肤暴露在紫外线下,并防止暴露量的累积。所需采取的预防措施取决于风险评估结果。如果终端用户不确定紫外固化系统所配备安全设备的质量,那么他们应该使用紫外线计/紫外能量计来测量相应位置的杂散辐射能量。
下一节我们将讨论使用紫外能量计测量紫外线的问题。
未完待续
编译者简介
杜鹏,四川大学高分子硕士,香港科技大学MBA,曾在德国WHU商学院及墨西哥IPADE商学院学习。从事光固化行业20余年,曾先后在全球最领先的两家光固化企业任职,从事技术、销售和管理工作。常在各种国际国内的会议和论坛上作报告,并为在校大学生讲解光固化课程。发表光固化相关微信原创文章近千篇。现任润奥化工董事长。马拉松和铁人三项运动选手。
原标题
UV LED固化系统:准确测量并消除安全隐患
UV LED curing systems: Measuring accurately and eliminating safety hazards
编译:杜鹏,润奥化工
原文作者:Geri Tangdiongga, Don Moncy Dominic和Dominik Stephan,戴马斯亚太公司
关键词
UV LED,安全,测量,防护,固化
如前面所讨论,UV LED光源本质上比传统紫外光源的运行更安全。不过,消除紫外辐射暴露风险的一个重要要素就是培训,和提高终端用户的意识。
测量UV LED固化系统的指引
粘合剂产品聚合反应的最终质量和一致性,取决于许多因素。其中一个因素是紫外线输出的稳定性和一致性,包括辐射功率或辐照度。定期检查并监测固化系统的能量输出,以确保其功率或辐照度保持在预期水平,这一点十分重要。
本节将为测量紫外固化系统提供指引,尤其是对基于UV LED的固化系统。
UV LED固化系统的光学参数
一般来说,UV LED固化系统的基本光学参数包括:
a. 峰值波长
UV LED发出的波长由所选择的/工程化的半导体和掺杂材料所决定。与传统的紫外灯不同,UV LED的发射具有"相当于单色"的光谱(或者说是一个峰),具特定的峰值波长和相对狭窄的带宽,与可见的LED带宽相比,带宽通常介于9到15nm之间。需要使用光谱仪来描述UV LED固化系统的波长参数。
b. 峰值辐照度
辐照度是对从UV LED发射出来,到达特定应用场景表面的辐射能量强度的一个测量。它以W/cm2或mW/cm2的单位表示。辐照度随距离的增加而呈指数级下降。在UV LED固化系统的指标中,峰值辐照度被用作关键参数。根据定义,峰值辐照度是光度计或紫外能量计在参考点测量到的最高辐照度。
UV LED固化系统的指标数据表通常会给出峰值辐照度的测量位置,表明其是在发射窗口处,或离发射窗口特定距离处。但是,某些指标数据表没有给出准确的测量位置信息,包括距离和横向位置,如在所涉及区域的中心、边缘或角落。这会使得终端用户感到困惑,并可能使指标数据表的性能比较结果失效。
c.能量密度
能量密度的测量是指在特定时间的辐照度的集合,以每平方厘米的焦耳数(J/cm2)来表示。在传送带系统中,能量密度的测量通常被用作确定紫外固化能力的参数。终端用户可以调整传送带的速度来设置正确的能量密度,这时光源所发出强度是恒定的。
d.均匀性
另一个重要参数是分布在指定位置紫外光的均匀性。并非所有的紫外固化系统在整个固化区域都释放出一致的能量。分布不均可导致粘合剂固化质量差,甚至固化不够。
均匀性是特定距离和区域上能量分布的变化。它是通过对指定区域中最高和最低辐照度的比率来表征的,并以百分比来表示。为了建立工艺过程的一致性,终端用户可以在测量过程中调整测量位置来达到,并相应调整紫外固化系统。
本文未特别讨论的其他重要参数是,运行温度和环境温度。
如前所述,UV LED是对温度敏感的设备。输出功率随着温度的升高而降低,发光部件的寿命也会因此而缩短。UV LED固化系统需要根据制造商对系统冷却方式的说明来进行安置和操作,从而可以最大生产能力运行。
在以下部分中,我们将会对使用紫外能量计测量UV LED固化系统的辐照度的指南进行解释。
紫外能量计作为测量设备
如前一节所述,紫外能量计用于测量给定位置和距离的辐照度。它是用于监测和确保稳定的紫外固化过程的一种有用设备。紫外能量计也可用于:
保持可靠的紫外固化过程
确保紫外固化系统提供成功固化所需的良好辐照度和辐照剂量水平
在紫外固化过程中作为安全性的测量工具
紫外能量计足够敏感,可以测量杂散或反射能量的强度
测量光线穿透基材的透过率
它可以测量各种波长穿透基材的透过率,因为有时基材会吸收一些波长的能量。为了确保有效的固化过程,测量到达任何干预基材下方的固化点的光强至关重要。
图1 市面可获得的紫外能量计的形式 (a)手持式和(b)冰球型
根据外形和应用,市场上可获得的紫外能量计可分为手持式/魔杖端型和盘式/冰球型。对于生产线来说,两种类型的设计都需要是紧凑且易于操作的。
手持式紫外能量计适用于点和魔杖端型的固化系统。通常,它们附带适配器套件,以装配进紫外固化系统的光引导部件或连接器中。冰球式紫外能量计更适合测量传送带和瀑布式固化箱的紫外固化系统的辐照度或能量密度。图1展示了戴玛斯的紫外能量计样板。
在为紫外固化应用选择合适的紫外能量计时,需要考虑下面几个因素才能获得准确且可重复的测量结果:
紫外固化系统的光发射器
光发射器是固化系统中的紫外光源部分,它可以使用传统的紫外灯或UV LED来进行设计。通常,紫外光发射器由能量源、作为附加光学部件的反射器、透镜或紫外光级别的光学窗口,以及空气或液体冷却形式的热系统组成。
所有光源均发出紫外线,但光谱范围不同。传统的紫外灯具有较宽的光谱范围,包含从紫外光谱到少部分的可见光谱。而UV LED的辐射能量则在相对狭窄的紫外光谱范围内。
终端用户应该知道,可能需要使用不同的工具来测量传统紫外灯和UV LED的辐照度或能量。用于测量宽光谱紫外灯的紫外能量计,只能测量传统的紫外灯固化系统,而不能测量UV LED固化系统,因为它们测量的是一个特定的波长范围。为了测量UV LED系统,建议采用专门为该用途而调整的特定测量工具。
紫外能量计探测器的响应率
图2 戴玛斯紫外能量计和紫外光源光谱强度的典型光谱响应情况:(a) ACCUCAL50/160的探测器光谱,以及金属卤化物和汞灯的光谱;(b) ACCUCAL50L/160L的探测器频谱和UV LED的光谱
选择紫外能量计的关键参数是确定发射光源的波长。极为重要的是,发射光源的光谱必须在紫外能量计探测器的光谱响应范围内。但是,由于对辐射能量的量化范围不同,用于传统紫外灯的紫外能量计不应被用于测量UV LED灯源。
如果紫外能量计探测器在整个紫外光谱都具有在平坦顶部的响应率,这将会十分理想,但这种探测器的成本会很高,而且不便于使用,因此通常不会用于工业应用中。
对于使用UVA(如金属卤化物和汞灯)的粘合剂固化应用中,所使用探测器在360-365nm范围内的响应率最高,因为金属卤化物紫外灯和汞灯的光谱在这个范围内具有更高的峰值。如图2所示。
对于基于UV LED的固化系统,建议终端用户搞清楚紫外能量计是在哪个波长经过校准的。各种类型的紫外能量计可用于测量在单波长或多波长的辐照度以及剂量。
如果紫外能量计的测量模式调整为385nm,但是却用于测量UV LED固化系统的辐照度,而后者的峰值波长却为365nm,则测量结果不会是真实值的反映,只能被认定为相对值。不过这仍然可以用于过程稳定性的分析。
进行简单的测量,可以发现经过特定调整的紫外能量计所测量得到的辐照度之间的差异。设备设置的构建方式需要使得测量结果可靠且可重复。从表1的结果来看,使用两个紫外能量计,对峰值波长为365nm光源进行测量的偏差约为13%。
表1 采用不同紫外能量计对UV LED模块的测量结果。测试距离为25毫米
点光源和面光源的紫外固化系统
取得准确结果的另一个重要考量,是紫外能量计测量点光源和面光源紫外固化系统的能力。紫外点光源固化系统的发射器与光导或校准透镜相结合,形成聚焦和狭窄的输出光束。
点光源固化系统通常用于高强度地固化小面积部位,从而提供更快的固化时间。与点光源固化系统不同,面光源固化系统可用于同时固化较大面积部位或小面积部位。
为了测量紫外固化系统的辐照度,终端用户应确保光发射器和紫外能量计的探测器处于平行位置。倾斜的紫外能量计传感器会导致测量不准确。为了测量点光源固化系统的辐照度,紫外能量计垂直连接到光导或连接器相匹配孔洞的适配器上。
适配器和连接器必须进行精确设计,以便总辐射能量能够毫无损失地照亮整个探测窗口。光穿过测量窗口也必须是均匀一致的。一些紫外能量计制造商提供标准和定制适配器和连接器,或专门设计用于测量面光源模式或特定点大小的紫外光测量模式。
测量过程中的横向位置和纵向位置
在生产线上,紫外能量计用于监测紫外固化系统的输出,以确保系统在指标范围内运行。出于这一原因,我们因此需要一致的辐照度。由于所测得的辐照度和距离相关,因此要实现可重复和一致的测量结果,每次测量的位置和方向必须相同。
此外,并非所有的面光源系统都在整个照射面上发射出完全一致的能量,这会导致整个照明区域的辐照度不同。因此,必须在工作距离处确定其均匀性,以达到良好和可重复的固化效果。
图3 在固定工作距离内,通过紫外能量计的测量位置来确定均匀性的示例
照明区内有少数测量点可以用于紫外能量计来绘制辐照均匀度图,如图3所示。如果辐照度图构建好了,则可以确定有效固化区域的尺寸,并与固化应用相匹配。
温度
所有半导体设备都对温度敏感。一般来说,紫外能量计的操作温度不应超过70°C。
如果探测器长时间暴露于紫外固化系统下,将使得探测器上的温度升高,会使得探测器的性能开始减弱。当前的技术水平使紫外能量计能够在毫秒间隔内进行辐照度或能量密度的计算,从而避免温度带来的误差。
此外,当紫外光发射器启动时,建议用户在温度达到稳定状态后再测量其辐照度,以确保读数的一致和准确。同时,需要确保在执行下一次测量之前,紫外能量计已经冷却下来。与传统的紫外固化系统相比,使用基于UV LED的固化系统的优势之一,是其预热时间更短。
紫外能量计的校准和维护
随着时间的推移,紫外能量计的组件会老化,从而导致测量精度降低。这在能量计使用频繁的情况下会更加严重。紫外能量计是一个娇弱的系统,特别是它的光学部件。光学部件的轻微变化或碎屑可能会显著影响测量结果。
因此,建议对紫外能量计进行定期维护和校准,包括清洁和适当保存。
为了保持最低的误差可能性,必须定期校准紫外能量计。校准过程中,需要确定所有重要参数的误差情况。校准过程通常基于标准件进行,可追溯到国家标准,并在指定环境条件下进行测量。大多数校准实验室遵循国家标准与技术研究所(NIST)制定的标准。结果和相关测量的不确定性将记录在校准证书上。
校准过程中的关键因素是,它应显示贯穿紫外能量计最终产品整个过程的不间断的传输比较链,且比较是源自国家标准实验室。
结论
随着技术的日益成熟,基于UV LED的固化系统的市场份额预计将逐年增加。UV LED比传统紫外灯相比具有固有优势,这不仅归功于性能,还得益于其环境友好和安全性的特点。
某些终端用户可能尚未使用合适的方法来使用紫外能量计进行能量输出的测量,这可能导致看似正确或接近期望值的虚假测量结果。需要为UV LED固化系统采用适当的测量方法,以确保结果的一致性,并消除使用紫外系统的风险。
此外,对于那些没有列出紫外能量计类型、辐照度测量位置以及紫外能量与探测器配合方式的数据,进行细致评估是十分重要的。
本文可作为终端用户获取UV LED固化系统准确和可重复测量结果的指南,尤其是使用紫外能量计进行的测量。
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编译者简介
杜鹏,四川大学高分子硕士,香港科技大学MBA,曾在德国WHU商学院及墨西哥IPADE商学院学习。从事光固化行业20余年,曾先后在全球最领先的两家光固化企业任职,从事技术、销售和管理工作。常在各种国际国内的会议和论坛上作报告,并为在校大学生讲解光固化课程。发表光固化相关微信原创文章近千篇。现任润奥化工董事长。马拉松和铁人三项运动选手。