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UV LED 光固化技术及其应用现状

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-04-26 浏览次数:399
随着人们对于环境保护和可持续发展的关注越来越强烈,使得绿色环保技术受到越来越多的重视。从2020年12月1日开始,针对清洗剂、涂料、胶黏剂和油墨等化工产品中的可挥发性有机化合物(VOC)含量的限制标准也陆续开始执行。
 
光固化技术作为一种绿色、环保和高效的、采用紫外光来对涂料进行固化的技术,在过去的几十年中得到了快速发展。紫外光固化的基本原理是通过紫外线的照射,光引发剂吸收特定波长的光,产生自由基或阳离子,引发单体和低聚物发生聚合和交联反应,在极短的时间里生成网状结构的高分子聚合物,进而实现固化。
 
目前在紫外固化光源中,使用较多的是传统中压汞灯(国内称为高压汞灯),即使在今天仍然拥有超过一半的市场占有率。中压汞灯最强发射输出波长在365nm,另外在254nm、208-331nm附近还有密集发射输出。但是汞灯存在若干缺点:
 
1)使用寿命短,仅1000~2000h;
 
2)光强会逐步衰减,影响固化效果的控制;
 
3)能耗大,发热量高;启动时间长,需要预热;
 
4)体积大,对空间有限制的场景很难安装。
 
另外,一个致命的缺点就是它必须使用汞这一个对环境有害的物质。
 
固化设备所遇到的这个问题,直到UV LED的出现,才从根本上为光固化行业带来了革命性的曙光并日渐显示出明显的替代趋势。
 
根据波长,紫外光通常可以分为UVC(100~280nm)、UVB(280~315nm)和UVA(315~400nm)这3个波段,见图1。传统的汞灯所发出的紫外光涵盖了所有这3个波段,同时可以通过不同的掺杂(铁、镓等)手段,让光谱在不同的波段,或者特定的波长上强度有所不同,从而适应不同的固化应用需求。
 
图1 紫外光谱以及汞灯和LED灯发射光谱对比
 
UV LED技术的出现,为辐射固化技术带来了全新的发展机会。UV LED光源属于固体光源,不会用到汞等有害物质。UV LED光源具有无需预热时间、即开即用、无汞污染、设备体积相对较小、更加节能、使用寿命更长(可达数万小时)、无臭氧产生从而不会对使用环境造成空气污染等诸多优点,而且发出的光线中没有红外的部分,可用于热敏基材。
 
这些优点使得其在当前节能、环保和VOC控制的大环境下,UV LED的应用推广得到了加速,因此在过去10年中得到了快速发展和普及。UV LED固化在如胶黏剂和油墨等很多应用领域,已经取代了传统的汞灯固化成为了主流。
 
UV光固化产品最常见的为UV涂料、UV油墨和UV胶黏剂,固化速率快,一般在几秒到几十秒之间;可适用于多种基材,如纸张、木材、塑料、金属、皮革、石材、玻璃、陶瓷等,特别对一些热敏感材质(如纸张、塑料或电子元器件等)尤其适用。
 
UV固化的光源参数包括输出波长分布、辐照光强、辐照面积等,既有光固化相关标准多基于传统汞灯光源体系,以UV LED光源实施的光固化技术标准较少。
 
当前,固化市场作为UV LED的主要应用,各细分领域接受程度不断增加。UV LED在辐射固化领域中的市场渗透率约为10%-20%;其中面固化在UV LED固化市场中居主导,约为90%,点状UV LED辐照固化主要应用在UV粘接,线状UV LED辐照固化因光源辐照能量密度低,应用较少。
 
表 1 光固化领域UV LED光源替代传统光源情况
 
 
 
油墨固化领域,市面上印刷固化主要采用365 nm、385 nm、395 nm波长的UV LED。当前UV LED光源在曝光固化、喷墨打印、丝印固化、胶印固化等领域呈现不同程度的渗透。在印刷电路曝光、喷墨固化中基本替代了汞灯,已实现了广泛应用。而在胶印、丝印领域紫外固化光源替代率不足20%。
 
涂料固化领域,UV LED光源推广较慢,根据具体应用领域不同,市场渗透率各异。在光纤涂覆市场,UV LED固化市场渗透率超过20%;木材固化应用处于刚刚起步阶段。
 
胶黏剂固化领域,UV LED光源在电子元器件、医疗耗材固化领域基本实现了完全替代;在木材、汽车等固化应用方面处于起步阶段。
 
消费类固化领域,以美甲固化为代表,市面上主要采用395 nm波长的UVA LED,已基本实现了全产业链替代。
 
总体看,现有UV LED波长与主流光引发剂吸收波长匹配程度较差,300 nm-330 nm范围的紫外光源产品供应短缺,作为与之配套使用的UV LED配方产品,在紫外光固化配方产品中的市场占比较低,未来将具有较大的发展空间。UV LED固化应用虽然较为成熟,但大规模产业化发展仍处于起步阶段。另一方面,UV配方的适应材料研究也在开展,包括适应UVA LED的长波吸收高效光引发剂、长波高反应活性光引发剂、高效抗氧阻聚添加剂材料等。
 
参考资料:《紫外LED技术路线图(2020-2035)》;《光固化涂料行业前沿发展趋势》·《中国涂料》,2021年.09期
 
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