UV-LED固化关键技术发展及未来趋势分析

　　UV-LED固化是指用LED发出的光使油墨、油漆、涂料、浆料、胶粘剂等流体转变为固体，区别于传统汞灯发出的紫外宽光谱光固化技术，即UV固化。两者的共同点都是依靠光照射激发光引发剂，进而促使流体中所包含的单体和预聚物通过聚合反应结合，形成硬化的膜层。

　　UV-LED固化系统几乎不产生热量，适用于多种热敏介质，例如塑料薄膜印刷基材。与传统的汞灯相比，UV-LED灯能节省2/3的能量。LED光源的使用寿命是传统UV光源的多倍。UV-LED技术的另外一个重要优点是UV-LED灯不需要预热时间，可以根据需要随时开启或关闭。这些特点正是目前绿色包装印刷新技术的典型代表之一，本文总结了UV-LED固化技术的特点，探讨了其发展的关键技术问题和解决办法。

　　UV-LED与传统的UV固化工艺的比较

　　UV-LED固化工艺是从UV固化工艺发展而来的，与传统UV系统相比，UV-LED固化可以最多降低70%的能耗。传统的UV固化利用了200~450nm的整个紫外光谱，而UV-LED固化只集中在紫外光谱中一个狭窄的范围，通常是395~405nm。目前UV-LED固化体系虽然有一些是在365nm处固化的，但大多数还是集中在395nm左右，是UV-LED固化常用波长。

　　2008年小森印刷公司在德国Drupa展会上推出的H-UV系统，采用单个UV灯头和高灵敏度的UV固化油墨，实现了四色印刷即时固化。海德堡推出了Drystar低能耗UV灯系统，用于商业和软包装印刷，其利用UV反射器，在降低来自紫外灯热量的同时，紫外灯内的特殊材料同时消除会产生臭氧的290nm以下波长的光。高宝印刷公司也在Drupa展会上推出了VariDryHRUV系统，可以灵活地将能量输出调节在80~200W/cm2。

　　表1是UV-LED固化系统与传统的UV固化系统在技术特点方面所作的比较。从表1可以看出，UV-LED固化系统相对传统的UV固化系统，具有以下优点：

　　(1)UV-LED与UV固化相比，只需要其1/4的电能消耗，大大减少了能源消耗和CO2的排放量。

　　(2)汞灯的辐射水平很容易超过10W/cm2，用于表面固化很容易发热，而UV-LED辐射能量可控制，发热少，对于塑膜等耐热性差或热敏感承印材料的印刷热影响小，只需对印刷精度稍作调整即可。

　　(3)UV-LED光源元件寿命约为UV光源元件寿命的12倍，光源更换频率大幅降低，器材耗用随之减少。

　　(4)UV-LED可做到瞬间开启或关闭，无需UV固化所必需的预热及降温时间，作业效率得到提高。

　　(5)UV-LED方式无臭氧的产生，改善了工人的工作环境，无需再安装捕捉和焚化设备来消除臭氧的危害。

　　(6)由于UV-LED光源设备与相关配套装置非常紧凑，设置简单，节省空间。从上述各种优势可见，UV-LED固化系统不仅明显降低成本而且还减少了对环境的污染、能源的损耗。

　　UV-LED固化关键技术及其发展方向

　　UV-LED固化技术从UV固化技术衍生而来，主要涉及到395nm固化光源和可在395nm光作用下固化的新材料体系两部分内容。

　　在光固化设备方面，长波长(395nm)高功率输出的UV-LED光源设备研制取得了较大的进步，2010年标签博览会展出10台UV-LED灯，英国某公司推出了波长为395nm、功率为12W/cm2的LED系统，2013年标签博览会则展出78台UV-LED设备，数量增长了8倍。另外，UV-LED固化范围也从原先的个别点固化，拓展到如今的面固化，但高效、大功率、三维体固化仍未见报道。目前，许多印刷设备已经100%使用UV-LED固化技术。

　　UV-LED释放的能量已经可以与传统UV固化灯泡释放的能量相当，甚至更高。16W/cm2的LED固化系统已经正式进入量产两年，基本满足最快的固化速度需要，而且这种LED光源的寿命超过两万小时。复旦大学张善端团队研制出10kW大功率紫外LED固化系统，相关技术正在进行产业化。大连海事大学赵欢等研制了一种阵列型UV-LED光源，可灵活调节辐照面上光功率密度分布，使得三维物体的高效固化成为可能，进入实用还需要一定的时间。

　　UV-LED点、面光源设备已经在实际应用。近年来，LED光源在波长控制、出光效率以及大功率LED光源散热技术也在持续改进中，因此，随着LED技术和半导体技术的进展，开发大功率、光强在三维可控、发射波长与光引发剂吸收波长匹配、结构更简单是其发展方向。

　　在UV-LED光固化新材料方面，2006年，只有极少数油墨与UV-LED技术兼容。富林特集团在UltrakingXCURA品牌下，选用光引发剂能吸收波长较高部分，推出单张纸和转轮胶印用新型低能耗、UV-LED固化高反应性油墨和涂料。这种油墨可以在特定的非多孔性涂布或非涂布基材上印刷，油墨的反应活性很高，不需要多个固化光源。

　　到2013年，20多家油墨和材料供应商支持并配置UV-LED油墨，包括太阳化工、爱克发、德国Ruco、Marabu等公司。相当数量的材料供应商都以他们的材料与UV-LED兼容作为卖点。新的树脂、单体、预聚物以及光引发剂的出现使得UV-LED技术应用越来越广。

　　实际应用结果表明，UV-LED固化系统可以提高颜料含量，以获得更鲜艳的色彩。这对UV-LED固化技术应用领域的拓展十分重要，传统UV固化系统中固体粒子容量相对较小，而UV-LED固化系统具有更高的固体粒子容量，表明在该体系中可以加入更多的具有光、声、电磁功能的纳米粒子，极大地拓展了其应用领域。

　　目前不仅油墨在广泛应用UV-LED技术，涂料和胶粘剂正在专门配置成为能够UV-LED固化的产品，印刷电路板(PCB)、电子元器件封装也相应地用UV-LED固化替代传统的UV固化。以印刷电路板(PCB)曝光为例，采用扫描式的曝光方式，可以有效地减少UV-LED光源的尺寸面积，进而解决UVLED的散热问题。另外，其还具有光强分布均匀稳定、设备成本低等诸多优点，并且在各项性能上均比传统的曝光工艺高，完全满足PCB曝光工艺。

　　在光固化新材料方面，开发新的引发剂、单体、预聚物固化体系，提高光固化反应活性。采用在UV-LED固化系统中加入光、声、电、磁功能纳米材料，形成新的无机功能粉末分散在有机载体中的新型浆料，将之与3D打印制造结合将带来更多技术创新和更大的市场。

　　UV-LED的市场未来

　　随着UV-LED系统开发技术的成熟，UV-LED固化系统体积变得越来越小，甚至成为便携式。UV-LED光源设备以及油墨、油漆、涂料、浆料等液态光固化系统的创新其直接结果是整体成本下降和应用领域的拓宽。

　　法国里昂YoleDeveloppement公司在对UV-LED领域所做的研究中预测，由于拥有成本低、设备小巧、环境友好的优点，UV-LED芯片和封装市场将有大幅度增长，到2017年将达到2.7亿美元。UV-LED在近几年内有望占据全球UV设备、辅助设备和耗材1/3以上的市场份额。

　　UV-LED固化技术具有高效能、无VOC、臭氧以及汞排放、工艺温度低和高固体粒子容量的特点，将成为油墨、油漆、涂料、功能浆料、电子元件封装胶粘剂、3D打印制造领域技术创新和市场的热点。