紫外固化工艺范围的设计及管理 （一）

 　 美国Fusion公司 “处理窗口”是对紫外固化工艺范围的一个简称。成功的紫外光固化工艺，其工艺范围即处理窗口必须尽可能的宽。为了做到这一点，必须设计并管理多个这样的窗口。　　固化工艺的设计包括准确地确定最终产品所必须具有的特性，而且这些特性必须同时达到要求。任何一个从事过紫外光固化工作的人都清楚的知道：在不同的工作状况、不同材料以及不同的设备等条件下，保持这些特性的稳定确实相当困难。

　　因此，产品的每一个特性都要被检测和评估。就像从前所提到的那样，通常这些关键特性检测起来非常简单，但它们却能提供管理“处理窗口”或解决工作效率问题所需要的所有特征信息。一旦其中任何一种特性没有达到要求，最典型也最令人受挫的结论是：“没有完全固化”。这就如同你对医生说“我病了”一样，对病情的诊断没有任何实质性的帮助，医生所要知道的是你究竟哪儿不舒服。

 　　通常，人们对紫外光固化过程好坏的评判，只是简单的看它是否达到了固化。最为常见的是，衡量一个固化过程通常都是看它在理想的条件下固化速度有多快。但是，如果这些条件发生了变化那又会出现什么情况呢？如果仅仅只有固化条件的上限接受了评估，我们就将失去知道缺陷究竟在哪里的机会。况且，如果不能单独对每一个特性进行评估的话，也会错失分析缺陷产生的所有原因和来源的机会。对紫外光固化过程进行评估或探究问题的来源就意味着要在涉及到可控条件变量的上限和下限中明确缺陷所在位置。如果固化过程中不得不通过降低生产线速度来进行固化的话，其中的一些固化条件必然已达到极限。从而得出的典型结论是必须需要更多光能或更多的光引发剂才能更好的工作。但是，这种结论很可能是错误的，究竟错在哪里呢？——很可能就在于固化工艺出错了。

 　　一旦产品所有的特征和性能被一一区分，就可以开始着手进行设计并拓宽”处理窗口”的工作了。首先，必须确定对所追寻的目标有正确的理解。例如，“固化”这一概念将随着特定的研究特性而改变，如附着力、硬度、柔韧性、光泽度、抗划痕、耐腐蚀性以及一些其他的特性等，这些特性可能适用于特殊的应用。 评估处理窗口的宽度　　处理窗口是指在达到期望特性效果的前提下，可测量的生产变量的工艺范围。最简单也最常用的生产变量是速度。当然这里所说的速度是指紫外光固化液体材料在UV灯下运行的速度，以米/分钟或英尺/分钟来计量。大部分的紫外光固化设备都可显示运行速度的数据，因此这一窗口可以简单地分成最大速度和最小速度两项。速度就相当于生产效率，就像每小时印刷多少纸张或每分钟完成多少工作一样。

　　如果设备运行速度超出已经确认的最快速度，就不能得到可接受的效果。这种“固化损失”和固化本身一样，在特定应用的验收要求中有着自己的独特含义。另一方面，如果降低运行速度，从某方面来讲又会给产品带来损坏。从基材熔融或起皱，到油墨或涂料组分的气化等后果都将产生。通常，在涂层或油墨性能受到影响的某个临界点之前，一些因过多热量而导致的问题就已经存在了。因此，处理窗口的实际下限通常和各种热损伤有关。

　　找到处理窗口的界限图一阐述了处理窗口的概念，来说明任何紫外光固化过程都是按照“速度——能量”曲线来运行的。根据这个曲线，速度和能量成简单的反比关系。例如，如果速度加倍，工件表面所吸收的能量减少了一半。紫外光固化工艺曲线将适用于特定的紫外光油墨、基材和灯具中。随着速度的增加，能量减少，工件表面所接收的能量越来越少，最终将不足以进行完全固化。这个能量吸收量的临界点就是固化窗口的一个极限。图例中，能量是沿着水平轴线运行的。在很多紫外光固化过程中，能量密度或辐照甚至比能量本身还要重要。 在另一个极端，较慢的速度会使能量增加，下限通常被定义为涂层损坏（过量固化）甚至热损坏的一个临界点。

　　处理窗口的实际价值在于：它是紫外固化工艺的控制范围。如果窗口足够宽，固化过程将可承受紫外光材料、基材、输送带速率、电压、温度、灯具变化和油墨厚度等条件的一些常见的变化。 处理窗口的多样性然而，在实际的产品中，还有一些必要的特性必须同时达到。这些特定的属性都有单独的固化窗口。实际上，处理窗口只是所有特定属性固化窗口的直接反映。在使用中，有大量的特性需要运用，处理窗口将十分狭窄，而且对过程变量的波动十分敏感，因此也就很难进行控制。在一些案例中，上限和下限之间的差距非常小，因此进程对细微变化的承受力很差。例如，速度的些许提高，油墨表面就会发粘；而减慢速度，基材温度却会过高，导致基材熔融、起皱,这是一个根本没有窗口的过程！

    完全固化的衡量标准

　　对于不同的性质，“完全固化”就意味着不同的特性的实现。衡量固化效果的方法有很多种，在此我们把它粗略的分成两大类：化学标准。用以衡量紫外光油墨内部行为，如交联密度、碳碳双键转化百分比、未反应物质量等的可限定方式。从这种衡量标准中，我们可以了解很多信息，但需要依靠特别昂贵的实验设备和实验方法来进行，这些设备和方法也不可能在生产过程中实时进行。除此以外，相对于快速的样品脱机测试来说，这种测试方法极为缓慢。物理标准。这是一种通过对固化物质的一些表现因素进行模拟测试的方法。操作程序简单、快捷、花费少。例如，如果测试产品的附着力，只需要对固化过程进行百格法测试、拇指弯曲测试或绝缘胶布测试就可以了。通过对样品进行一系列的速度测试，其表现的错误发生率就将说明产品的缺陷在何处。薄膜光泽度、硬度、抗划痕、抗化学反应和抗锈蚀能力都能在车间里及时、有效的检测出来。但是，如果要测试一些长期特征，如抗黄化能力,脆性或粘合力的老化程度等需要的时间则相对较长，甚至还需要一些辅助方法的帮助。除了快速检测固化膜特性的能力及测试速度之外，我们还需要一个衡量能量价值的范围，以便拥有拓宽和管理处理窗口所需的信息。 然而…

 　　现在，我们发现任务变得越来越复杂了。能量，在此过程中是指到达工件表层的特定波长范围内的紫外光能量。抵达物体工作表层能量的强度（或辐照）对固化有明显影响，而且对各种不同的物质有不同的影响。

　　还有许多商用仪器能对这些灯具的特性进行衡量，并帮助检测这些特性对处理窗口的影响。必须知道，不同厂家生产的辐射探测仪会得出不同的测量结果，这些测量结果之间也很难进行对比。一些是对紫外光辐照范围内的综合能量进行测试，另一些是对紫外光光谱内的部分辐射能量进行区分；一些只对辐射剂量进行报告，一些却专门测试辐照强度，而另一些则可能两种功能兼备。从这些能同时提供完整数据的仪器中，能同时获取那些最具特征的信息。（有关能量测试仪器的指南可见后面的“固化过程的测量方法”部分）。此前已经了解了光谱如何分布、辐照及其能量对固化的影响，以及这些特性如何有效的应用于油墨及其他产品的运作等知识。为了对固化进行分析和改进，还需要把这些特性与固化材料的性能测试结果相结合。

　　实际上，对“能量”进行彻底、准确的衡量必须包含有关波长、辐照及吸收剂量的信息。辐照强度：包括最重要的峰值辐照。因为辐照强度的分布图形主要与灯具外形存在一定的函数关系，而且除非灯具被移出焦点，否则该函数关系就会保持不变。辐照强度的度量单位是毫瓦/平方厘米或瓦/平方厘米。辐照强度由灯具的电气输入功率、灯具功效、辐射输出、发射功效（由灯具的几何形状、灯管尺码和光线焦点等决定）等因素决定。光谱分布：只是对能量和波长的相对衡量（见后图7），通常，该参数会因为不同辐射仪的设计不同而受到一定的限制。紫外光的分布基本上是由灯管的辐射光谱决定的。辐射剂量：简单地说就是辐射量的总和。它是辐照与辐射时间的乘积。说到剂量，它必须包括其光谱分布的信息，否则它对于比较和分析就没有什么价值可言。红外热量：物体表面所获得的红外线能量是导致基材温度升高的主要因素。它是由灯管表面工作温度及其表面积所产生的。（这里应当注意，虽然光谱分布应覆盖包括红外线在内的整个辐射能量波段，目前市场上还没有一种商用的辐射仪可以直接测量红外线的辐射。）

　　正是红外线的热效应干涉了处理窗口的高能限度，必须通过特殊的反射器、过滤镜或其它手段减少工件表面所获得的红外线。 对工具的研究　　在图二中，已经演示了三种实用方法对处理窗口的影响，它们可以在不改变紫外化学配方的情况下拓宽处理窗口。 1）选择光谱分布合适的灯管——也就是说，这个灯管所发射的波长更容易引起油墨中的光引发剂的反应——这样就可以以更快的速度完成固化过程。 2）如图所示，选择直径更小、输出功率更大、反射器收集效率更高的灯管，就可以提高辐照强度（不要与剂量相混淆），这将提高整个曲线，也就是拓宽了过程窗的上限（L1）。 3）减少灯管所产生的热量（或改进灯冷却条件），就可以减少不利的热效应，并向工件表面传送更大剂量的紫外光能量而不至于引发热损坏。这样就有效地拓展了处理窗口的下限。 处理窗口排列　　以前曾经提到过如何在不使油墨层表面过分固化的情况下，达到理想的油墨与基材附着力的方法，这实际上就是一种简单的拓宽处理窗口的实例。　　为了更生动地说明这一点，同时也为了开始以下的分析，在这里选择一个特定的性能并对它进行评价。　　首先，先确定实现这一过程的有效界限。图三展示了固化后的涂层的硬度这一性能与辐射能量之间的函数关系（记住，能量随速度的下降而增加）。现在有许多种方法，选择其中的任何一种都能够判断上述硬度。垂直虚线部分表示实验中可能达到的可接受硬度范畴。它的左侧，表示材料太软，或所需的材料没有固化好（固化损失）。在它的右侧，过度的交联反应将导致材料“过脆”，此外过多的能量也会导致热损失。这里任何一个影响成功固化的因素同时也是处理窗口的限制因素。