紫外LED光源对油墨固化效率的研究

董克凡，刘 昕

(西安理工大学 印刷包装与数字媒体学院，陕西 西安 710048)

紫外光固化[1-2]是指固化材料吸收紫外光线(主要以365 nm、385 nm和395 nm为主峰[3]的波段)从而发生化学反应，在短时间内由液态变为固态的化学反应过程。目前，紫外光固化技术已广泛应用于印刷、包装、广告、建材、电子、汽车、医学等[4]行业。在印刷行业，相对于传统的汞灯存在的高能耗、预热时间长、产生臭氧等问题，新型的紫外LED具有波长范围固定、针对性的辐射固化、紫外光利用率高、效率高、使用寿命长、功耗低、噪声小、散热效果极好、低碳环保、环境污染小、不产生臭氧等优点。但是紫外LED灯存在单一波长的紫外LED光固化装置只能适用于LED专用油墨这种局限性问题，限制了其在印刷领域的应用，使得在有些方面不能达到全自动化生产而需要人工对其进行分类印刷。

为了解决上述问题，增加设备的灵活性，使其可以根据油墨的种类自主选择光源的波段和波长，本文提出了不同波长紫外光LED排列组合方案，由于单一的紫外LED难以满足生产需要，该方案通过选择三种不同波长(365 nm、385 nm和395 nm)的紫外LED并通过在空间上合理的阵列设计，来实现辐射面的光功率、光斑尺寸和实际的使用要求，并通过具体的实验，对不同波长的紫外LED能量进行分析对比，从而验证该方案的可行性和有效性。

1 理论分析

1.1 设计原理

紫外光固化需要在极短的时间内，让固化材料吸收固化光源所提供的高强度均匀紫外光线。由于紫外光线是不可见光，在印刷固化中通常用辐照能量[5](单位为mJ/cm2)来表示固化所需要的紫外光能量的大小。单一的紫外LED在无聚光情况下是达不到固化所需能量的，所以通常情况下有两种方式来增加紫外LED的辐照度：①在紫外LED发光面前增加有聚光效果的透镜[6-7]，将紫外LED发散的辐射能量集中，如图1所示，a点代表紫外LED位置，l代表紫外LED到透镜的距离，l′代表透镜到工作面的距离，S代表光斑面积；②增加紫外LED的数量，采用阵列结构，使光源的辐照度达到固化的需求。

图1 紫外LED和聚光透镜装置

目前在医学上紫外光固化用的紫外LED点光源装置会采用第一种方式，典型产品的单管紫外LED能量在200 mJ时，若采用聚光透镜使得光斑直径为4 mm，汇聚点的辐射能量可达到800 mJ/cm2。但是这种方法得到的辐射能量受到单个紫外LED发光能量以及发光面的限制，工作距离短(一般不超过5 cm)、光斑面积小，而且其温度经过聚光透镜之后在光斑内会有所升高，只适应于固化时能够承受较高表面温度且不易变形的材料。第二种方式使用多个紫外LED，采用合理的阵列结构，增加了其照射范围，改变紫外LED参数还可以实现较大工作距离的使用要求。本文通过优化第二种方式，使用不同波长的紫外LED混合连接成阵列结构。

1.2 结构设计

在实际生产中设计不同的紫外LED阵列结构时，必须满足以下几点要求：工作距离[8]、产生的光斑面积以及辐照能量的大小等指标，而且需要结合单个紫外LED的大小尺寸在空间上进行最优设计排布[9]。

图2 空间紫外LED阵列装置的几何结构

2 实 验

2.1 实验材料及设备

紫外光固化油(UVD-LED-5001S1黑色油墨)：工业级，深圳市美联兴油墨有限公司；365 nm LED灯珠：厂牌韩国LG，型号LEUVA33U70RL00；385 nm LED灯珠：厂牌韩国LG，型号LEUVA33U70TL00；395 nm LED灯珠：厂牌韩国LG，型号LEUV-V624A；光固化机：厂牌科之艺，型号KJC-4LED；紫外能量计：厂牌林上，型号LS121；测速仪：厂牌Victor，型号VC6236P。

2.2 原理方法

利用实验设计DOE(design of experiment)来设计测试参数并分析其结果，更重要的是利用其中的“筛选设计(screening design)”找出不同工作距离、不同波长的紫外LED灯珠阵列以及不同的运行速度对油墨固化速率的影响。

2.3 实验设计

实验以UVD-LED-5001S1黑色油墨为例，设定墨层厚度为5μm，要使得墨层能够完全固化，则辐射度要求E大于1 000 mJ/cm2，单管LED辐照度Es为150 mJ/cm2，则最低需要紫外LED的数量N=7，在空间尺寸上要求紫外LED的数量N<18，故紫外LED的数量N=7实现技术要求。实验选用365 nm、385 nm和395 nm三种不同波长的紫外LED灯珠，将63个LED分成9组，每7个串联起来，以9×7的空间形式分布于基板上，LED行距为2.2 mm(见图3)。其中，365 nm灯珠排列在第1行和第2行，395 nm灯珠排列在第3行到第5行，385 nm灯珠排列在第6行和第7行，具体实物图和发光效果图如图3所示。实验过程中，将使用光固化机(含有传动带)来分别安装两只不同组合的紫外LED灯组，使用测速仪来检测传送带的速度，并对实验进行对比分析。

图3 365 nm、385 nm和395 nm紫外LED组合阵列系统

3 结果和讨论

3.1 改变工作距离对固化效果的影响

当工作距离变为5 cm和3 cm时，固定紫外LED阵列为365 nm、385 nm和395 nm的灯珠，传送带速度调节至36 m/min，其辐射能量值如表1所示，从表1中可以得出，5 cm相对于3 cm的工作距离，其辐射能量降低。

表1 不同工作距离辐射能量对比表

(1)

式中：ρL为不同的工作距离对辐射能量产生影响所占的百分比；EL3为工作距离为3cm时的辐射能量；EL5为工作距离为5 cm时的辐射能量。

3.2 改变紫外LED灯珠阵列对固化效果的影响

当改变灯珠阵列时，选用385 nm和395 nm紫外LED灯珠阵列装置与365 nm、385 nm和395 nm紫外LED灯珠阵列装置，此时调节传送带速度为36 m/min，固定器工作距离为5 cm，其辐射能量值如表2所示，从表2中可以得出，365 nm、385 nm和395 nm的紫外LED阵列相对于385 nm和395 nm的紫外LED阵列，其辐射能量降低。

(2)

式中：ρα为不同波长的紫外LED灯珠阵列对辐射能量产生影响所占的百分比；E2为2种不同LED灯珠阵列组合的辐射能量；E3为3种不同LED灯珠阵列组合的辐射能量。

表2 不同波长的紫外LED灯珠阵列辐射能量对比表

3.3 改变运行速度对固化效果的影响

当传送带速度分别为36 m/min和18 m/min时，选定紫外LED阵列装置为385 nm和395 nm的灯珠，并且工作距离设定为5 cm，此时辐射能量对比值如表3所示，从表3中可以得出，传送带速度36 m/min的紫外LED阵列相对于传送带速度18 m/min的紫外LED阵列，其辐射能量降低。

(3)

式中：ρv为不同的运行速度对辐射能量产生影响所占的百分比；E18为传送带运行速度为18 m/min时的辐射能量；E36为传送带运行速度为36 m/min时的辐射能量。

表3 不同的运行速度辐射能量对比表

根据以上实验数据可以看出，固化所需的辐射能量值，会根据传送带运行速度的不同、不同波长紫外LED光源的混合使用以及工作距离的不同而产生相应的改变。根据上述3个表格可以得出几点结论：①更换不同的紫外LED阵列结构，设备固化效率变化幅度在10%以内；②当设定的工作距离的变化量在1～2cm之间时，设备固化效率变化幅度在10%～20%之间；③在其他条件不变的情况下，调节传送带速度，固化效率最大可提升50%。在实际设计生产中，为了增加固化效率，可以降低其工作距离、改变紫外LED灯珠的组成或调整其工作速度。实验结果表明，在固化效果上，365 nm、385 nm、395 nm三种不同LED的光源和385 nm、395 nm两种不同LED的光源都能达到稳定的能量值。

4 结 语

本文充分利用紫外LED的特点，设计出一种可以适用于不同型号波长的紫外LED阵列装置。实验结果表明，该装置满足现实生产需要，可以灵活高效地发挥不同型号的紫外LED优势，使油墨能够完全固化，并且性能良好、成本低廉、绿色环保。可以根据实际需要，通过增减LED的数量来控制固化所需的辐射能量值。本设计只针对紫外LED阵列，若采用单个光学透镜，效果会更加理想。