УФ-отверждение ( ультрафиолетовое отверждение ) — это процесс, при котором ультрафиолетовое излучение инициирует фотохимическую реакцию, в результате которой образуется сшитая сеть полимеров посредством радикальной полимеризации или катионной полимеризации . [1] УФ-отверждение подходит для печати , нанесения покрытий , декорирования, стереолитографии , а также сборки различных изделий и материалов. УФ-отверждение — это низкотемпературный, высокоскоростной процесс, не требующий растворителей, поскольку отверждение происходит посредством полимеризации . [2] Впервые представленная в 1960-х годах, эта технология упростила и увеличила автоматизацию во многих отраслях производственного сектора. [3]
УФ-отверждение используется для преобразования или отверждения чернил , клеев и покрытий . [4] Клей, отверждаемый УФ-излучением, стал высокоскоростной заменой двухкомпонентных клеев, устраняя необходимость удаления растворителя, смешивания пропорций и потенциальных проблем со сроком службы. [5] Он используется в процессах флексографской , офсетной , тампонной и трафаретной печати ; где системы УФ-отверждения используются для полимеризации изображений на изделиях с трафаретной печатью, начиная от футболок и заканчивая 3D- и цилиндрическими деталями. Он используется для тонкой отделки инструментов (гитар, скрипок, гавайских гитар и т. д.), производства бильярдных кий и других изделий из дерева. [6] Печать с помощью УФ-отверждаемых красок обеспечивает возможность печати на самых разных материалах, таких как пластик, [6] бумага, холст, стекло, металл, [7] пенопласт, плитка, пленки и многие другие материалы. [8]
Отрасли, в которых используется УФ-отверждение, включают медицину, автомобили, косметику (например, искусственные ногти и гель-лак для ногтей ), продукты питания, науку, образование и искусство. [9] Чернила, отверждаемые УФ-излучением, успешно удовлетворяют требованиям издательского сектора с точки зрения качества печати, долговечности и совместимости с различными материалами, что делает их подходящим выбором для печати в этой отрасли. [10]
Основным преимуществом отверждения ультрафиолетовым светом является скорость обработки материала. Ускорение этапа отверждения или сушки [11] в процессе может уменьшить количество дефектов и ошибок за счет сокращения времени, в течение которого краска или покрытие остаются влажными. Это может повысить качество готового изделия и потенциально обеспечить большую согласованность. Еще одним преимуществом сокращения времени производства является то, что требуется меньше места для хранения предметов, которые нельзя использовать до завершения этапа сушки.
Поскольку УФ-энергия уникально взаимодействует со многими различными материалами, УФ-отверждение позволяет создавать продукты с характеристиками, недостижимыми другими способами. Это привело к тому, что УФ-отверждение стало фундаментальным во многих областях производства и технологий, где требуются изменения прочности, твердости, долговечности, химической стойкости и многих других свойств.
Основные компоненты раствора УФ-отверждения включают смолы, мономеры и фотоинициаторы. Смола – это олигомер , который придает конечным полимерам определенные свойства . Мономер используется в качестве сшивающего агента и регулирует вязкость смеси в соответствии с применением. Фотоинициатор отвечает за поглощение света и запуск реакции, что помогает контролировать скорость и глубину отверждения. Каждый из этих элементов играет свою роль в процессе сшивания и связан с составом конечного полимера . [12]
Ртутные лампы среднего давления исторически были отраслевым стандартом для отверждения продуктов ультрафиолетовым светом. [13] Лампы работают, посылая электрический разряд, возбуждающий смесь ртути и благородных газов , генерируя плазму. Как только ртуть достигает состояния плазмы, она излучает высокую спектральную мощность в УФ-области электромагнитного спектра . Основные пики интенсивности света наблюдаются в областях 240–270 нм и 350–380 нм. Эти интенсивные пики в сочетании с профилем поглощения фотоинициатора вызывают быстрое отверждение материалов. Модифицируя смесь ламп различными газами и галогенидами металлов , можно изменить распределение пиков длин волн и изменить взаимодействие материалов.
Лампы среднего давления могут быть стандартными газоразрядными лампами или безэлектродными лампами и обычно используют удлиненную лампу для излучения энергии. Благодаря использованию оптических конструкций, таких как эллиптический или даже конический отражатель , свет можно фокусировать или проецировать на большое расстояние. Эти лампы часто могут работать при температуре более 900 градусов Цельсия и производить УФ-энергию мощностью более 10 Вт/см 2 .
Ртутные лампы низкого давления генерируют в основном энергию УФ-излучения с длиной волны 254 нм и чаще всего используются в целях дезинфекции . Работая при более низких температурах и меньшем напряжении, чем лампы среднего давления, они, как и все источники УФ-излучения , требуют экранирования при работе для предотвращения чрезмерного воздействия на кожу и глаза.
С момента разработки светодиодов из нитрида алюминия-галлия в начале 2000-х годов технология УФ-светодиодов демонстрирует устойчивый рост на рынке УФ-отверждения. Генерация энергии наиболее эффективно на длинах волн UVA 365-405 нм, продолжающийся технологический прогресс [14] позволили повысить электрический КПД УФ-светодиодов, а также значительно увеличить их выходную мощность. УФ-светодиодные лампы генерируют высокую энергию, направленную на определенную область, что усиливает однородность. [15] Благодаря работе при более низких температурах и отсутствию опасной ртути, [16] УФ-светодиоды заменили лампы среднего давления во многих применениях. Основные ограничения включают трудности в разработке оптики для отверждения сложных трехмерных объектов и низкую эффективность генерации энергии с более низкой длиной волны, хотя разработки продолжаются.
Радикальная полимеризация используется при отверждении акриловых смол в присутствии УФ-излучения в промышленности. [17] Световая энергия УФ-излучения расщепляет фотоинициаторы, образуя радикалы. Затем радикал реагирует с полимерами, образуя полимеры с радикальными группами, которые затем реагируют с дополнительными мономерами. Цепь мономера удлиняется до тех пор, пока не достигнет другого полимера и не вступит в реакцию с полимером. Полимеры образуют между собой мономерные мостики, что приводит к образованию сшитой сети.
Катионная полимеризация используется при отверждении эпоксидных смол в присутствии УФ-излучения в промышленности. [17] Световая энергия УФ-излучения расщепляет фотоинициаторы, образуя кислый раствор, который затем отдает протон полимеру. Затем мономеры прикрепляются к полимеру, образуя все более и более длинные цепи, ведущие к сшитой сети.