科普紫外線光固化技術(shù)（UV機(jī)）基礎(chǔ)知識(shí)
時(shí)間:2017-08-29 13:40來(lái)源:未知點(diǎn)擊: 次
一、概述：
UV(紫外光)固化是輻射固化的一類，輻射固化是利用電磁輻射，如紫外線（UV）或電子束（EB）照射涂層，產(chǎn)生輻射聚合、輻射交聯(lián)和輻射接技等反應(yīng)。迅速將低分子量物質(zhì)轉(zhuǎn)變成高分子量產(chǎn)物的化學(xué)過(guò)程，固化是直接在不加熱的底材上進(jìn)行的，體系中不含溶劑或含極少量溶劑，輻照后液膜幾乎100%固化，因而VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放量很低。因此，自60年代末以來(lái)，這一技術(shù)在國(guó)際上得到飛速發(fā)展，其產(chǎn)品在許多行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。
１、分類：
輻射固化按應(yīng)用可分為輻射固化膠粘劑、輻射固化涂料、輻射固化油墨。按所用的輻射源可分為紫外（UV）光固化機(jī)、電子束（EB）固化、可見(jiàn)光固化。
2、紫外光基本知識(shí)：
紫外線（簡(jiǎn)稱UV）是屬于電磁波輻射的一段，電磁波譜包括無(wú)線電波、紅處線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線，波長(zhǎng)范圍從10-14米至106米，如圖３所示。紫外線只其中很窄的一段，波長(zhǎng)范圍為10~400nm（nm：納米，1nm=10-9 m）可劃分為長(zhǎng)波紫外線（UVA）、中波紫外（UVB）、短波紫外線（UVC）、超短波紫外線。波長(zhǎng)越短，能量越強(qiáng)，穿透能力越弱。
長(zhǎng)波UVA，波長(zhǎng)介于320~400nm，具有較強(qiáng)的穿透能力，能穿透玻璃，這一波段的紫外線能量與多數(shù)化學(xué)鍵能相當(dāng)，容易引光化學(xué)反應(yīng)，通常用于光固化機(jī)的即是UVA。固化uv膠以365nm最佳。
中波UVB，波長(zhǎng)介于280~320，穿透力較弱，玻璃對(duì)它有強(qiáng)烈的吸收。太陽(yáng)光中含有豐富的UVA和UVB。
短波UVC，波長(zhǎng)介于200~280nm，臭氧層對(duì)它有強(qiáng)烈的吸收，所以太陽(yáng)光中UVC在到地面之前就被臭氧層吸收了，UVC對(duì)生物體就很強(qiáng)的破壞作用，可殺死細(xì)菌、病毒，因此常用于消毒。
紫外線會(huì)損害皮膚和眼睛，UVA會(huì)使皮膚變黑、松馳、皺紋；UVB會(huì)產(chǎn)生急性皮炎（即曬傷）等癥，皮膚會(huì)變紅、發(fā)痛，長(zhǎng)期照射還容易導(dǎo)致皮膚癌變，因此在進(jìn)行光固化作業(yè)時(shí)，應(yīng)注意防護(hù)：
（1）、固化機(jī)應(yīng)有適當(dāng)屏敝裝備，紫外光不易透出；
（2）、適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)，穿長(zhǎng)袖衣服、布工作手套，戴防紫外線眼鏡、面罩，不要直視燈具。
（3）、注意環(huán)境通風(fēng)，以防臭氧積聚。
一般而言，也不必太過(guò)擔(dān)心，因設(shè)備制造商在設(shè)計(jì)時(shí)一般都把保護(hù)裝備考慮在內(nèi)，只要按規(guī)定操作沒(méi)事的。
3、 輻射固化的特點(diǎn)：
輻射固化的優(yōu)點(diǎn)：
（1）無(wú)需混合的單組分體系，使用方便；
（2）固化速度快，幾秒至幾十秒即可完成固化，有利于自動(dòng)化生產(chǎn)線，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；
（3）固化溫度低，節(jié)省能源，室溫即可固化，可用于不宜高溫固化的材料，紫外光固化所消耗的能量與熱固化樹脂相比可節(jié)約能耗~90%；
（4）無(wú)污染，可采用低揮發(fā)性單體和齊聚物，不使用溶劑，100%固化，故基本上無(wú)大氣污染，也沒(méi)有廢水污染問(wèn)題；
（5）性能優(yōu)良，耐磨、抗溶劑、搞沖擊、強(qiáng)度高。
輻射固化的缺點(diǎn)：
（1）設(shè)備投資較大，特別是電子束固化設(shè)備，輻射固化膠粘劑的價(jià)格高于常規(guī)膠粘劑的價(jià)格，這都分可由能耗低，生產(chǎn)效率高得到補(bǔ)償；
（2）由于紫外光穿透力較弱，固化深度有限，因而可固化產(chǎn)品的幾何形狀受到限制，不透光的部位及紫外光照射不到的死角不易固化；
（3）紫外光能產(chǎn)生臭氧，需要排風(fēng)系統(tǒng)。
二、固化機(jī)理：
UV光固化體系分為自由基體系和陽(yáng)離子體系，兩者固化機(jī)理成分都有所不同。自由基體系是由光引發(fā)劑受UV照射激發(fā)產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體和預(yù)聚物聚合交聯(lián)；陽(yáng)離子體系是由陽(yáng)離子光引發(fā)劑受輻射產(chǎn)生強(qiáng)質(zhì)子酸，催化加成聚合，使樹脂固化，下面以自由基體系為例說(shuō)明：
UV自由基固化經(jīng)過(guò)以下步驟：
（1）自由基光引發(fā)劑受到UV照射后，激發(fā)分解產(chǎn)生自由基：
（2）鏈引發(fā)：引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基引發(fā)樹脂和單體分子的不飽和雙鍵產(chǎn)生新的自由基。
（3）鏈增長(zhǎng)：由樹脂和單體產(chǎn)生的自由基可以繼續(xù)引發(fā)樹脂和單體分子中的不飽和雙鍵產(chǎn)生自由基，進(jìn)行自由基連鎖反應(yīng)。
（4）鏈終止：化學(xué)反應(yīng)中，由于自由基含有未偶化電子，非常活潑，極易傾向于基他自由基偶合或發(fā)生酸化作用，使鏈反應(yīng)終止。
上述反應(yīng)結(jié)果，生成高分子化合物，使膠液轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。
三、紫外光固化膠的組成
1、預(yù)聚物
預(yù)聚物是UV光固化膠的骨架，它是具有反應(yīng)活性的低分子聚合物，預(yù)聚物的主要功能是提供膠層的關(guān)鍵性能，例如：粘度、抗張強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、硬度和柔順性等。在光固化自由基體系中使用的預(yù)聚物是一些含雙鍵的不飽和聚合物，主要有：聚丙烯酸酯、環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、不飽和聚酯、聚烯烴/硫醇等，其中環(huán)氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯反應(yīng)活性高、原料豐富、品種多、價(jià)格適中，所以用量最多。
2、 單體
輻射固化組分中單體又叫活性稀釋劑，其主要作用是調(diào)節(jié)粘度和參加聚合反應(yīng)。單體按官能度的多少可分為單官能單體、二官能單體及多官能單體，單官能單體固化生成線型聚合物，它有利于提高膠層的柔韌性和附著；二官能和多官能單體不僅起反應(yīng)性稀釋劑的作用，而且起交聯(lián)劑的作用，它們對(duì)膠層的硬度、韌性和強(qiáng)度有重要影響。增加單體的官能度可加速固化過(guò)程，為適應(yīng)生產(chǎn)具有良好性能的粘合劑，常使用單官能、二官能和多官能的混合物。
自由基固化體系所用的單體主要有于（甲基）丙烯酸酯類、乙烯基類和乙烯基醚類等，如苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸異辛酯、丙烯酸異冰片酯、二縮三丙二醇二丙烯酸酯、已二醇二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯等。應(yīng)用這些單體除了考慮粘合的性能，成本等因素外，還要考慮刺激性和毒性，一些刺激性和毒性較大的品種逐漸被淘汰，更多刺激性和毒性低的品種被開(kāi)發(fā)出來(lái)并用于工業(yè)生產(chǎn)。
陽(yáng)離子固化體系所用的預(yù)聚物和單體與環(huán)氧樹脂膠粘劑相類似。
3、 光引發(fā)劑
光引發(fā)劑是任何UV固化體系都需要的主要組分之一，對(duì)UV固化體系的靈敏度（固化速率）起決定作用。光引發(fā)劑有自由基光引發(fā)劑和陽(yáng)離子光引發(fā)劑，分別應(yīng)用于自由基體系和陽(yáng)離子體系。自由基引發(fā)劑常用的有羰基化合物、偶氮化合物、有機(jī)硫化物、氧化還原物質(zhì)、鹵素化合物、有機(jī)金屬化合物、增咸染料等。應(yīng)用較廣泛且效果較好的是羰基化合物，主要有聯(lián)苯甲酰、二苯甲酮、安息香及其醚化合物如安息香乙醚、安息香丁醚等。
陽(yáng)離子光引發(fā)劑品種少且價(jià)格高，所以一直以來(lái)陽(yáng)離子固化體系發(fā)展緩慢，所占的份額低。目前應(yīng)用的種類有二芳基碘鹽，三芳基硫鹽和芳茂鐵鹽等。
與自由基光固化體系相比，陽(yáng)離子光固化體系具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）固化時(shí)體積收縮小，附著力強(qiáng)；
（2）不被氧氣所阻聚，在空氣氛圍中可獲得快速而完全的固化；
（3）固化反應(yīng)不易終止，適用于厚膜和色漆的固化。
表1列出了陽(yáng)離子固化體系與自由基固化體系的簡(jiǎn)單對(duì)比。
表１ 陽(yáng)離子固化與自由基固化體系的比較
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指 標(biāo)
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自由基固化體系
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陽(yáng)離子固化體系
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樹 脂
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丙烯酸酯樹脂、不飽和樹脂、聚酯、聚烯烴／硫醇等
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環(huán)氧樹脂、乙烯基醚樹脂
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單 體
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丙烯酸酯、乙烯基化合物等
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脂環(huán)族環(huán)氧化合物、乙烯基醚（ＶＥ）
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引發(fā)劑
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自由基
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陽(yáng)離子（超強(qiáng)酸）
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固化速度
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快
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對(duì)ＥＰ：中等；對(duì)ＶＥ：快
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后固化
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可忽略
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強(qiáng)
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對(duì)氧的敏感性
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強(qiáng)
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無(wú)
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對(duì)堿的敏感性
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無(wú)
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強(qiáng)
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對(duì)潮氣的敏感性
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無(wú)
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強(qiáng)
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氣 味
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高
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低
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價(jià) 格
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低
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高
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固化膜特性
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收縮率高，附著力差
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收縮率低，附著力好
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總之，盡管由于開(kāi)發(fā)時(shí)間短，以及價(jià)格等因素，陽(yáng)離子光引發(fā)體系目前僅占整個(gè)UV固化市場(chǎng)約5%，但鑒于上述較之自由基固化體系的優(yōu)點(diǎn)，將是一類大有前途的光引發(fā)體系。由于基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)的時(shí)間較短，因此尚有很多不夠完善的地方。例如，研究出能夠更多地吸收ＵＶ，或吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的陽(yáng)離子引發(fā)劑使之免受顏料的影響，這可能就是今后在該領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。
４、其它助劑
其它助劑有穩(wěn)定劑、附著力增強(qiáng)劑、顏料色素、觸變劑等，種類和要求大體上與一般丙烯酸粘合劑相同。唯獨(dú)顏料和色素的使用需注意對(duì)紫外線的吸收和散射，可能會(huì)影響固化速度和固化深度。
四、固化裝置
用于UV膠固化的輻射裝置通稱光固化機(jī)，可分為履帶式、箱式、點(diǎn)光源系列。它的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，主要由光源、反射器、冷卻系統(tǒng)（風(fēng)冷或水冷）和傳動(dòng)裝置（傳送帶）組成。
紫外線由紫外燈產(chǎn)生，常用的紫外燈源有低壓汞燈、中壓汞燈、
高壓汞燈、
氙燈、金屬鹵化物燈以及最新式的
無(wú)極燈。其中中壓汞燈相對(duì)便宜、易于安裝和維護(hù)，且在此340~380nm范圍波長(zhǎng)的強(qiáng)烈輻射峰，正好落在許多光引發(fā)體系的吸收譜。因此中壓汞燈獲得廣泛的應(yīng)用。
五、紫外光固化膠粘劑的應(yīng)用
自1960年，國(guó)外報(bào)道了UV光固化膠粘劑以來(lái)，人們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究．并取得了令人矚目的成就。如今UV膠已在許多工業(yè)裝配領(lǐng)域成功應(yīng)用，尤其是需要快速裝配的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，例如LCD制造業(yè)、照相機(jī)等光學(xué)產(chǎn)品制造業(yè)、光盤制造業(yè)（CD、VCD、DVD、DVD一R）、手表制造業(yè)、蜂鳴器、手機(jī)按鍵的裝配、電子線路板的制造、偏光部件的制造等光電信息產(chǎn)業(yè)的電子部件制造。在日用品領(lǐng)域，例如玻璃家具的制造、玻璃工藝品的組裝、玩具、珠寶等裝飾品的組裝上也普遍使用UV膠。甚至傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)也在大量使用UV膠進(jìn)行裝配，例如磁電機(jī)的裝配?？色@得快速、高效的生產(chǎn)效率。
隨著科技人員不斷的研究進(jìn)取，UV膠的一些缺點(diǎn)得到了克服，應(yīng)用領(lǐng)域得到擴(kuò)展。例如，應(yīng)用新型的光引發(fā)劑可使固化波長(zhǎng)向可見(jiàn)光方向擴(kuò)展，可用可見(jiàn)光固化；應(yīng)用高效的光引發(fā)劑可用于有色或含填料體系的粘接，可在透光率低至0.01~20%的基體之間的粘合。又如，將UV固化技術(shù)和厭氧固化、熱固化技術(shù)相結(jié)合制造出雙重固化的產(chǎn)品，它不僅能對(duì)透光部分進(jìn)行光固化，非透光部分也可進(jìn)行厭氧或熱固化。
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