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UVLED固化系统:准确测量并消除安全隐患

发布时间:2023-03-20 人气:657

UVLED固化系统:准确测量并消除安全隐患

近年来,UV LED技术在性能和成本方面进展非常迅速,因此我们必须对UV LED固化系统的测量设备和方法有充分的了解。本文重点介绍了UV LED固化系统的测量和特性描述,特别是在UVA波段内。此外,还将讨论紫外线(UV)的风险和安全问题,并重点阐明UV LED的固有优势。

介绍

近年来,将UV LED而非传统紫外灯集成到固化系统中的需求显著增加。虽然使用紫外光源的应用仍以传统紫外灯为主,但法国市场研究公司Yole Dévelopment报告说,UV LED的市场份额从2014年的19.1%增加到2019年的41.4%。UV LED的总市场规模从2008年的2020万美元增加到2015年的1.27亿美元,到2019年进一步增加到5.055亿美元。

根据Yole Dévelopment的报告,联合市场研究公司(Allied Market Research)所做的研究表明,全球UV LED市场规模预计将从2018年的2.711亿美元,以17.3%的复合年均增长率,增加到2026年的12亿美元。紫外固化市场,包括用于油墨、涂料和粘合剂等应用,将占据UV LED市场规模的近60%,而且50%以上的用户在亚洲。

紫外固化是利用紫外线的能量来启动光化学反应的过程,从而产生聚合物的交联网络结构。UV LED的强劲增长主要取决于该技术相对于传统紫外灯的吸引力。UV LED的一些优点讨论如下:

· 紧凑性 ·

UV LED可采用机载芯片(COB)技术,用于系统表面安装器件(SMD)封装形式或模具形式。由于其”灵活性”,用于固化系统的UV LED光源的设计变得紧凑。可以设计不同类型的固化系统,包括如面光源、点光源或模块化系统。如果固化系统使用传统的紫外灯,则很难实现这种灵活性。

例如,考虑一个处于线缆末端的点光源紫外固化系统:基于传统紫外灯的紫外固化系统,需要一个长的引导部件来将光线转到固化点,这使得系统显得笨重;而基于UV LED固化系统的设计,则只需要使用一个球形透镜来汇聚光线即可,从而得到一个简单而紧凑的设计,并具有更高效率的输出。

·更长的产品寿命 ·

传统紫外灯的典型寿命约为2,000小时,或微波灯的最长8,000小时,而UV LED的寿命一般可达20,000小时。UV LED制造商通常采用应用于可见光波长LED的测试标准(LM-80和TM-21)来确定其使用寿命。

UV LED的使用寿命定义为在输出衰减达到定义级别之前的运行小时数,称为Lp,这里的p是初始输出功率的百分比。在可见光LED中,通常采用L70来确定LED的使用寿命。系统中光源更长的使用寿命有利于终端用户,因为它的更换周期更长,系统停机时间更短,并且在长时间运行中的稳定性更好。如果UV LED系统在间歇性模式下运行,则寿命可以更长。此外,光源寿命也高度取决于驱动电流,以及设备和环境温度。

目前,与UVB和UVC波段运行的UV LED相比,UVA波段的UV LED技术更加先进和成熟。当UV LED集成到系统中时(如发光件和固化系统),还必须考虑其他部件的寿命。因此,UV LED系统(如紫外光固化系统)在UV LED封装级别上的额定寿命,将比系统级别更短。所以,实际使用寿命由应用场景下的使用条件来确定。然而,系统故障的根本原因,往往是环境、辅助系统的设计,以及终端用户可能未遵循系统安装的要求。

· 环保(即无臭氧和无汞)·

紫外灯的发射光谱从UVC到可见光谱显示有多个峰值。在短波长范围,通常为160-240nm,紫外线可以将氧气转换为臭氧(O3)。如果长期吸入臭氧的话,这一产生的臭氧可能成为一个健康问题。因此,建议正确配置设备周围的通风系统,以降低风险。

此外,一些传统的紫外固化系统使用基于汞的紫外灯作为光源发射器。如果紫外灯被打破,那么可能会产生汞的污染。因此,需要为处理基于汞的紫外灯的破损问题,制定必要的安全指引。

UV LED的发射光谱为单个峰,典型峰宽为9-15nm,可以进行选择。这样就可以避开会产生臭氧的波长范围,特别是使用UVA和UVB波段的紫外线固化应用。此外,UV LED由半导体材料(氮化铟镓[InGaN]型)制成,而这种材料安全得多,不包含有毒有害材料,且不需要复杂的处理工艺。

除了上述几点之外,还有支持环保友好的其他优点:耗电量少、无需预热时间、可立刻投入使用,易于维护,且服务间隔时间更短。

随着对UV LED固化应用的需求不断增加,终端用户逐渐从基于紫外灯的固化系统转向基于UV LED的系统。

在固化应用中使用UV LED而非紫外灯,虽然带来了诸多优点,但在性能和其他安全风险方面仍然存在一些技术挑战,需要紫外固化系统集成商、测量设备提供商和终端用户面对。

例如,终端用户必须仔细研究粘合剂体系和UV LED系统,使粘合剂的吸收波长和LED的发射波长相匹配。终端用户需要通过评估可以实现优化固化工艺流程所需的峰值辐照度、能量和固化时间,来描述整个系统的特点。

另一个关键挑战,是对采用UV LED系统的固化应用,进行合适的能量输出测量方法。使用适当的方法和测量工具(如紫外能量计),可以准确测量紫外固化系统的能量输出。强烈建议对生产线中的能量输出进行这种测量,以确保达到产品的一致性。测量的目的是:

确保可靠的应用性能

确保固化过程的可重复性和稳定性

作为监测固化系统衰减的预防手段

因此,本文旨在向UV LED固化系统的终端用户,如经验丰富的工艺工程师、制造工程师和技术人员,提供使用适当的能量计,对UV LED固化系统进行性能测量的综述和建议。本文还涵盖了运行UV LED固化系统的风险和安全问题。

紫外线辐射和安全问题

紫外线辐射以电磁波的形式出现,波长范围介于X射线和可见光之间(10-400nm)。紫外线辐射源可以是自然的,如太阳,或人造的,如汞蒸气灯、黑光灯、金属卤化物灯、UV LED和紫外激光等。根据波长范围,紫外线辐射可分为:

UVA:315-400nm

UVB:280-315nm

UVC:180-280nm

真空UV/极紫外:10-180nm

虽然紫外线辐射对人类健康和环境(臭氧的产生)有负面影响,但紫外线辐射也可以造福我们的生活。它可以是维生素D的来源。在工业和医疗应用中,紫外线辐射广泛用于固化聚合物和油墨,以及医用光疗处理、法医分析、水消毒、杀灭某些病毒、和为实现最佳光合作用的园艺照明等。

本节讨论了在固化应用中使用紫外线的安全性问题。胶粘剂固化应用通常利用UVA波段的辐射,这主要是因为由于配方中所使用光引发剂的特性,大多数聚合物和油墨只能通过UVA来固化。

传统紫外灯系统的最大危险,是发光件的紫外线辐射。暴露在过量紫外线辐射下对人类是危险的。紫外线辐射,特别是UVA和UVB波段,可导致白内障和其他眼疾,以及皮肤癌,晒伤和皮肤加速老化。也有证据表明,紫外线辐射会降低免疫系统的效能。

现在市场上所提供的以传统紫外灯为光源的固化系统中,这些灯不仅发出UVA,也有UVB,和一些可见光。

不过,使用UV LED系统本身就更安全:发光件的波长控制在UVA波段,带宽较窄。因此,从安全角度来看,只需要使用简单的预防措施,UV LED的风险就更容易控制。

当涉及到紫外线暴露的最大值时,大多权威人士都会遵循美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)建议的紫外线暴露阈值(TLV)。

UVA波长区域(315-400nm)的建议TLV值,在持续时间大于1,000秒(约16.7分钟)的情况下,不应超过1.0mW/cm2,持续暴露时间不应超过1,000秒,总能量不应超过1.0J/cm2。对于1mW/cm2这个值,我们进行一下类比,它相当于是在新英格兰地区春天的晴朗无云天气下,使用紫外能量计对太阳直射情况下进行测量的典型强度水平。

对眼睛的影响

图1 眼组织对紫外线辐射的眼内过滤情况

紫外线照射眼睛与白内障和视网膜退化有关。角膜和晶状体是眼睛吸收紫外线辐射的最重要组织。据沃尔什(Walsh)公司的报告,角膜吸收的UVB最多(波长低于300nm),晶状体则吸收UVA(波长低于370nm),如图1所示。

因此,建议用户在操作紫外光源或靠近紫外固化系统时,佩戴紫外线级的安全防护眼镜。防护眼镜必须符合OSHA和ANZIZ87.1标准。对紫外辐射防护,安全防护眼镜以字母”U”标示,后面跟上2到6的数字表示等级,6表示通过眼镜的紫外辐射值最低。

在选择适当的防护眼镜时,建议考虑以下因素:(1)安全防护眼镜抵御在特定工作场所中,紫外辐射以外其他危害的能力;(2)可提供不受限制的视野和活动能力;(3)不能对员工所佩戴任何其他个人防护设备功能的任何影响或限制。

除安全防护眼镜外,还可使用防护罩,从而最大限度地减少终端用户暴露在紫外线下,因为固化机中的紫外线发射器可能会从应用表面释放出杂散的辐射能量。杂散辐射能量泄漏的可能性很高,因为它可能源于各种表面材料的反射,以及不当的系统安装或设计。

紫外线防护罩可以由黑色阳极化或有黑色涂层的金属片制成,以及硬质塑料薄膜(通常是亚克力和聚碳酸酯)或柔性薄膜,如可阻隔紫外线的柔性聚氨酯薄膜。与金属相比,塑料材料在非常低的温度下就会熔化,因此在使用亚克力或聚碳酸酯材料制成的屏蔽材料时,必须和紫外光源保持足够距离,以避免紫外光源(尤其是传统紫外灯)产生的热量所导致的任何形式的软化。

对皮肤的影响

紫外线辐射对皮肤的影响可分为两类:

急性,在暴露后几个小时内就会出现的影响;

慢性,具长期和累积的效果,可能多年内都不会出现。

紫外线辐射的急性影响可能显示为皮肤发红:红斑或晒伤。慢性影响则包括,皮肤加速老化和皮肤癌。

此外,紫外线辐射对皮肤组织的影响与皮肤灼伤有关,这增加了患皮肤癌的可能性。UVA辐射可渗透到皮肤组织的深处,与皮肤过早老化有关,且可能导致皮肤癌。

为保护皮肤免受紫外线辐射,建议终端用户穿着合适的手套和外套。丁腈橡胶,乳胶或编织紧密的织物等手套材料,适合保护皮肤免受大量的UVA和UVB的辐射。深色和闪亮的饰面可以通过吸收和反射,从而防止紫外线辐射穿透皮肤。与乙烯基手套相比,这些类型手套的紫外线传输更低。在操作紫外线装置过程中,建议穿长袖外套,以确保皮肤不会暴露在紫外线辐射下。

为了降低紫外线辐射暴露的风险,必须仔细设计控制措施,以尽量减少眼睛和皮肤暴露在紫外线下,并防止暴露量的累积。所需采取的预防措施取决于风险评估结果。如果终端用户不确定紫外固化系统所配备安全设备的质量,那么他们应该使用紫外线计/紫外能量计来测量相应位置的杂散辐射能量。

下一节我们将讨论使用紫外能量计测量紫外线的问题。

   

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