不同辐射强度对LED固化涂料性能的影响-强调均质固化的重要性

作者：David Ivarsson，应用工程师，EFSEN UV & EB Technology公司，丹麦，Holte

UV-LED技术具有节能、寿命长、低热辐射、无臭氧、无汞等优点。通过LED技术，我们依靠成千上万的小LED来进行涂层的充分固化。如果灯的宽度有偏差怎么办？如果一个部分脱落，如果一些光学元件损坏或变脏了，会对固化和最终涂层的性能有何影响？

本研究旨在确定何种程度的偏差会导致固化不足的问题。为了防止产生固化不足的问题，EFSEN开发了一种名为ICAD®的专有技术，可以在生产过程中连续监控紫外线灯的输出。这不仅向我们展示了沿灯宽度的UV输出的完整图片，还能够使用提取的信息来调整任何不符合规范部分的功率水平（图1和图2）。这将提供实时保证，确保所有管段按照规范运行，并让用户直接知道何时有损坏、污垢或其他问题，以避免这些问题会妨碍管段的标准运行。

充分固化反应材料所需的辐照度是多少？

这是辐射固化过程中最基本的问题之一。虽然这看起来像是一个简单的问题，但实际上它可能相当复杂。如果我们的固化系统尺寸不足，或由于损坏、污垢、老化或缺乏维护而导致输出下降，那么问题就会出现。固化问题可能导致最终产品的性能缺陷，如附着失效、抗划痕和耐化学性较差等。幸运的是，只要有一个零件的固化不够，就可以很快发现偏差，从而及时停止生产，并对未充分处理的产品进行返工。

然而，如果问题没有被发现，导致不合格的产品到达了消费者那里，可能会面临巨大的索赔。更糟糕的是，生产商和消费者都没有意识到产品存在问题，因为性能似乎可以被接受。然后，消费者可能会在没有意识到的情况下，暴露在残留单体、引发剂或其他有害成分中。

合理的设置和满足固化要求是防止这种情况的关键，并可以确保为消费者提供安全、耐用的产品。有很多事情需要考虑：光源是否能提供最佳的光谱分布？强度是否足够高以确保有效的反应？是否有足够的量来达到所需的固化速度？

过渡到工业4.0------精确固化的要求

从本质上讲，工业4.0与优化生产，使用技术来消除错误和最大限度地提高灵活性有关。对于UV固化，向工业4.0的过渡，要求我们能够设定准确的固化要求，并且具备正确的方法来确保始终满足这些要求。我们必须建立一个准确的工艺窗口，并确保我们不会偏离这个窗口。

我们在监测和控制紫外线系统方面所取得的进展因行业而异。在许多过程中，采用传感器或测量程序来频繁控制辐射计。当涉及到基于输送的生产系统时，在每个轮班开始时（或在轮班期间的几次）用辐射计进行测量已成为行业标准。如果操作正确，这将有助于确认电弧灯或微波紫外线灯的性能。

新兴的LED技术已经被证明和实施，它在一定程度上与传统的固化装置有很大的不同。传统的灯通常使用一个灯泡覆盖整条线的宽度，因此在该灯的某个点进行测量将很好地了解灯在整个宽度中的工作方式，并将其边缘减小。LED光源则并非如此。一个LED单元由多个光源组成，因此在一个点上测量并不能给出该单元工作方式的全貌（图3）。

波长的选择

尽管之前缺乏足够的固化控制，但LED装置已经商业化生产了相当长一段时间。本研究的目的旨在确定关键的固化控制，了解是否有实施LED灯控制系统的紧迫性，或了解捕捉我们的光源偏差是否是其关键因素。为了找到答案，有两件事需要考虑。必须为我们的工艺建立一个操作窗口，我们必须研究LED灯沿宽度方向的变化如何影响每个点的输出。为了建立工艺窗口，需要进行一项测试来确定断点——使涂层足够固化以达到要求的最小光量。
在确定所需的量之前，重要的是要确保我们使用的光源具有最佳的光谱输出。对于LED来说，这基本上就是对最佳波长的选择。波长的选择主要受以下因素影响：
• 哪一种波长最适合于涂层中引发剂的吸收。
• 哪种波长具有最佳的渗透性能（用于深层固化）或是克服氧阻聚的最佳方式（用于表面固化）（图4）。
当然，重要的是要考虑到在所选波长下，系统的输出和长期性能。
365、385、395和405nm的LED系统可提供高输出，具有良好的性价比和使用寿命。虽然较低波长的LED将有填补表面固化作用的吸引力，但在商业上还未可行。

本文选择LED固化白色底漆作为工艺步骤进行评估，这是一种常见的产品，在木器涂料市场大量生产。评估底漆时，主要关注的是深层固化，因为通常不需要表面固化。波长越长越好；因此，应选择395或405nm。从Irgacure 819（一种常见的颜料涂料光引发剂）的吸收率来看，395nm的LED比405nm稍好一些。

然而，当考虑到二氧化钛的强烈吸收时，405nm成为了最具吸引力的选择，如图5所示。

由于透明度在波长偏移仅10纳米时变化就会剧烈，因此知道所选光源的实际峰值波长可能是有用的。LED的峰值波长通常为+/-5 nm，这基本上意味着405 nm的单位波长在低Bin二极管的情况下可能接近400 nm，或者在高Bin二极管的情况下接近410 nm。这种波长偏移的影响很难确定，因为它取决于许多不同的因素，而这些因素对于不同的应用是不同的。这可能很有意义。

测试设置和执行------用量和峰值要求

在指定波长下，可以确定用量和峰值要求。本文执行的评估着眼于恒速下的可变输出。重点是作为主要限制因素的量，因为LED单元提供高强度（1000+mJ/cm）² L405在一个狭窄的波段，比弧光灯提供的系数要高得多）。

选择了一种商用LED固化底漆进行评估。生产此产品的条件与工厂的一样，但使用了不同的LED功率水平（图6）。其目的是了解哪种程度的偏差是可以接受的，并确定固化不足的点在何处。选择的产品是一种中间涂层，即一种在表面密封后施涂的底漆。

这种底漆的主要目的是为了增强木质家具的不透明度和色彩。它通常涂覆三层，每层漆膜约为10微米，并且具有较高的颜料添加，加了约40%的钛白粉。如果固化不足，深层固化将受到影响，导致附着力失效。选择的测试方法是胶带、横切+胶带，最后是Hamberger Hobel法。Hamberger Hobel是一种改良版的经典硬币测试方法，硬币被一个切割头取代，并在恒定的压力下压到表面。Hamberger Hobel的一个不错的结果是能够承受至少10纳米的压力；宜家的最高标准要求是20 N（这仅适用于某些高级表面）。

起始点，逐步减少用量，直到粘附失效。我们还评估了高于指定固化要求的用量水平，以确定更高的用量是否会带来好处。令人惊讶的是，当用量降低到固化规格的50%时，观察到的附着力仍然是可接受的。使用比指定量更高的用量进行固化没有提供任何优势（图7）。

LED阵列全宽监测的重要性

可以认为，涂料供应商选择的用量规格太高。然而，目前有许多LED系统在没有完全实施控制系统的情况下运行，因此，即使LED阵列会出现故障段或透镜损坏/脏污，也要有足够的安全裕度，以确保充分的固化。这种推理确实会导致明显更高的能耗（高100%）。此外，在高输出下运行LED对使用寿命有显著影响。

另一个有趣的问题是，相邻的LED段在多大程度上有助于固化，它们是否可以补偿被阻或不活跃的LED段。这是通过测量一个LED头的输出电平来实现的，该LED头包含不活跃或性能不佳的部分（图8）。

我们可以清楚地看到，相邻的LED确实起到了一定的作用，但即使对于一个有很大余量的LED阵列，相邻的LED也很难在操作窗口的边缘保持固化。实际上，在本文前面提到的评估底漆固化要求的情况下，这种偏差肯定会导致附着力失效。这说明了监控LED阵列全宽范围的重要性，如此才可以保持涂层性能所需的固化。持续监测也将有助于降低固化要求，因为任何LED偏差都将被立即识别。

为了成功地用辐射计手动测量LED阵列的每个部分，需要每2-5厘米进行一次测量，这取决于所需的精度。在本文讨论的应用中，这意味着每个阵列大约需要50次测量才能获得高精度，或者至少需要20次测量才能捕获偏差。除此之外，还需要记录和检查数据。这样的过程太耗时，无法定期手动执行操作。

在线连续自动动态UV监测

EFSEN开发了ICAD，这是一种专用的在线传感器，在生产过程中的LED阵列下运行，可以连续监测每个LED段（图9）。

ICAD还可以收集固化历史，以有效地记录固化数据。任何偏差都会被自动检测到，并尽可能调整到合适的水平。当无法达到最小输出电平时，可以设置报警或自动停止线路。

了解更多信息，请发邮件至david@efsen.dk。
所有照片和插图均由EFSEN提供。

本文收录在《PCI中文版》杂志2021年6月刊中