Para rtęci, dioda elektroluminescencyjna (LED) i ekscymer to odrębne technologie lamp utwardzających promieniowaniem UV. Chociaż wszystkie trzy są wykorzystywane w różnych procesach fotopolimeryzacji do sieciowania farb, powłok, klejów i wytłaczania, mechanizmy generowania promieniowania UV, a także charakterystyka odpowiadającego mu widma wyjściowego, są zupełnie inne. Zrozumienie tych różnic jest kluczowe dla rozwoju zastosowań i formulacji, wyboru źródła utwardzania promieniowaniem UV oraz integracji.
Lampy rtęciowe
Zarówno lampy łukowe z elektrodami, jak i lampy mikrofalowe bezelektrodowe należą do kategorii lamp rtęciowych. Lampy rtęciowe to rodzaj średniociśnieniowych lamp wyładowczych, w których niewielka ilość rtęci pierwiastkowej i gazu obojętnego jest odparowywana do plazmy wewnątrz uszczelnionej rurki kwarcowej. Plazma to zjonizowany gaz o niezwykle wysokiej temperaturze, zdolny do przewodzenia prądu. Jest wytwarzana poprzez przyłożenie napięcia elektrycznego między dwie elektrody wewnątrz lampy łukowej lub poprzez mikrofalowanie lampy bezelektrodowej wewnątrz obudowy lub wnęki podobnej konstrukcją do domowej kuchenki mikrofalowej. Po odparowaniu plazma rtęciowa emituje światło o szerokim spektrum w zakresie ultrafioletu, widzialnego i podczerwieni.
W przypadku lampy łukowej, przyłożone napięcie zasila uszczelnioną rurę kwarcową. Energia ta odparowuje rtęć, przekształcając ją w plazmę i uwalniając elektrony z odparowanych atomów. Część elektronów (-) płynie w kierunku dodatniej elektrody wolframowej lub anody (+) lampy i do obwodu elektrycznego systemu UV. Atomy z nowo utraconymi elektronami stają się dodatnio naelektryzowanymi kationami (+), które płyną w kierunku ujemnie naładowanej elektrody wolframowej lub katody (-). Podczas ruchu kationy uderzają w neutralne atomy w mieszaninie gazów. Uderzenie przenosi elektrony z neutralnych atomów na kationy. Gdy kationy zyskują elektrony, przechodzą w stan o niższej energii. Różnica energii jest rozładowywana w postaci fotonów, które promieniują z rurki kwarcowej. Pod warunkiem, że lampa jest odpowiednio zasilana, prawidłowo chłodzona i użytkowana przez cały okres użytkowania, stały dopływ nowo powstałych kationów (+) przyciąga elektrodę ujemną lub katodę (-), powodując powstawanie kolejnych atomów i emisję ciągłego promieniowania UV. Lampy mikrofalowe działają w podobny sposób, z tą różnicą, że mikrofale, znane również jako promieniowanie radiowe (RF), zastępują obwód elektryczny. Ponieważ lampy mikrofalowe nie posiadają elektrod wolframowych i są po prostu uszczelnioną rurą kwarcową zawierającą rtęć i gaz obojętny, powszechnie określa się je jako lampy bezelektrodowe.
Promieniowanie UV emitowane przez szerokopasmowe lub szerokospektralne lampy rtęciowe obejmuje fale ultrafioletowe, widzialne i podczerwone, w przybliżeniu w równych proporcjach. Część ultrafioletowa obejmuje mieszankę fal UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm) i UVV (400–450 nm). Lampy emitujące promieniowanie UVC o długości fali poniżej 240 nm wytwarzają ozon i wymagają wentylacji lub filtracji.
Widmowe promieniowanie wyjściowe lampy rtęciowej można zmienić, dodając niewielkie ilości domieszek, takich jak: żelazo (Fe), gal (Ga), ołów (Pb), cyna (Sn), bizmut (Bi) lub ind (In). Dodane metale zmieniają skład plazmy, a w konsekwencji energię uwalnianą, gdy kationy przyjmują elektrony. Lampy z dodanymi metalami określane są jako domieszkowane, addytywne i metalohalogenkowe. Większość farb, powłok, klejów i wytłoczeń o formule UV jest zaprojektowana tak, aby dopasować się do wydajności standardowych lamp domieszkowanych rtęcią (Hg) lub żelazem (Fe). Lampy domieszkowane żelazem przesuwają część promieniowania UV do dłuższych, bliskich widzialnym długości fal, co skutkuje lepszą penetracją przez grubsze, silnie pigmentowane formulacje. Formulacje UV zawierające dwutlenek tytanu mają tendencję do lepszego utwardzania się z lampami domieszkowanymi galem (GA). Dzieje się tak, ponieważ lampy galowe przesuwają znaczną część promieniowania UV w kierunku fal dłuższych niż 380 nm. Ponieważ dodatki dwutlenku tytanu zazwyczaj nie absorbują światła powyżej 380 nm, użycie lamp galowych o białej formule pozwala na absorpcję większej ilości energii UV przez fotoinicjatory w porównaniu z dodatkami.
Profile widmowe zapewniają twórcom receptur i użytkownikom końcowym wizualną reprezentację rozkładu promieniowania dla konkretnej konstrukcji lampy w widmie elektromagnetycznym. Chociaż odparowana rtęć i metale addytywne mają określone właściwości radiacyjne, precyzyjna mieszanka pierwiastków i gazów obojętnych wewnątrz rurki kwarcowej, a także konstrukcja lampy i system utwardzania, wpływają na emisję promieniowania UV. Widmo wyjściowe lampy niezintegrowanej, zasilanej i mierzonej przez dostawcę na wolnym powietrzu, będzie miało inne widmo wyjściowe niż lampa zamontowana w głowicy lampy z odpowiednio zaprojektowanym reflektorem i chłodzeniem. Profile widmowe są łatwo dostępne u dostawców systemów UV i są przydatne przy opracowywaniu formulacji i doborze lamp.
Typowy profil widmowy przedstawia natężenie promieniowania na osi Y, a długość fali na osi X. Natężenie promieniowania można przedstawić na kilka sposobów, w tym w wartościach bezwzględnych (np. W/cm²/nm) lub w postaci miar arbitralnych, względnych lub znormalizowanych (bezjednostkowych). Profile zazwyczaj przedstawiają informacje w postaci wykresu liniowego lub słupkowego, grupującego dane wyjściowe w pasmach 10 nm. Poniższy wykres widmowego natężenia promieniowania wyjściowego z łukowej lampy rtęciowej przedstawia względne natężenie promieniowania w zależności od długości fali dla systemów GEW (rysunek 1).
RYCINA 1 »Wykresy widmowe rtęci i żelaza.
Termin „lampa” odnosi się do kwarcowej tuby emitującej promieniowanie UV w Europie i Azji, podczas gdy w Ameryce Północnej i Południowej stosuje się zamiennie żarówkę i lampę. Zarówno „lampa”, jak i „głowica lampy” odnoszą się do kompletnego zespołu, w którym mieści się kwarcowa tuba oraz wszystkie inne elementy mechaniczne i elektryczne.
Lampy łukowe elektrodowe
Systemy lamp łukowych elektrodowych składają się z głowicy lampy, wentylatora chłodzącego lub agregatu chłodniczego, zasilacza oraz interfejsu człowiek-maszyna (HMI). Głowica lampy zawiera lampę (żarówkę), odbłyśnik, metalową obudowę, zespół przesłony, a czasami także kwarcowe okienko lub osłonę z drutu. Firma GEW montuje swoje lampy kwarcowe, odbłyśniki i mechanizmy przesłony wewnątrz kaset, które można łatwo zdemontować z zewnętrznej obudowy głowicy lampy. Demontaż kasety GEW zajmuje zazwyczaj kilka sekund i wymaga użycia jednego klucza imbusowego. Ponieważ moc promieniowania UV, całkowity rozmiar i kształt głowicy lampy, funkcje systemu oraz zapotrzebowanie na urządzenia pomocnicze różnią się w zależności od zastosowania i rynku, systemy lamp łukowych elektrodowych są zazwyczaj projektowane dla danej kategorii zastosowań lub podobnych typów maszyn.
Lampy rtęciowe emitują światło w zakresie 360° z kwarcowej tuby. Systemy lamp łukowych wykorzystują reflektory umieszczone z boku i z tyłu lampy, aby wychwycić i skupić większą część światła na określonej odległości przed głowicą lampy. Odległość ta nazywana jest ogniskiem i to w tym miejscu natężenie promieniowania jest największe. Lampy łukowe zazwyczaj emitują w ognisku od 5 do 12 W/cm². Ponieważ około 70% promieniowania UV emitowanego przez głowicę lampy pochodzi z reflektora, ważne jest, aby utrzymywać reflektory w czystości i okresowo je wymieniać. Brak czyszczenia lub wymiany reflektorów jest częstą przyczyną niedostatecznego utwardzania.
Od ponad 30 lat firma GEW poprawia wydajność swoich systemów utwardzania, dostosowując funkcje i wydajność do potrzeb konkretnych zastosowań i rynków oraz rozwijając szeroką gamę akcesoriów integracyjnych. W rezultacie, dzisiejsza oferta komercyjna GEW obejmuje kompaktowe obudowy, reflektory zoptymalizowane pod kątem większego odbicia promieniowania UV i zmniejszonej emisji podczerwieni, ciche, zintegrowane mechanizmy przesłony, fartuchy i szczeliny wstęgi, system podawania wstęgi typu clamshell, inercję azotem, głowice ciśnieniowe, interfejs operatora z ekranem dotykowym, zasilacze półprzewodnikowe, większą wydajność operacyjną, monitorowanie wydajności promieniowania UV oraz zdalne monitorowanie systemu.
Podczas pracy lamp z elektrodą średniociśnieniową temperatura powierzchni kwarcu wynosi od 600°C do 800°C, a wewnętrzna temperatura plazmy sięga kilku tysięcy stopni Celsjusza. Wymuszony obieg powietrza jest głównym sposobem utrzymania prawidłowej temperatury roboczej lampy i odprowadzania części wypromieniowanej energii podczerwonej. GEW dostarcza to powietrze w sposób ujemny; oznacza to, że powietrze jest zasysane przez obudowę, wzdłuż reflektora i lampy, a następnie odprowadzane z zespołu, z dala od maszyny lub powierzchni utwardzania. Niektóre systemy GEW, takie jak E4C, wykorzystują chłodzenie cieczą, co pozwala na uzyskanie nieco większej mocy promieniowania UV i zmniejszenie całkowitego rozmiaru głowicy lampy.
Lampy łukowe elektrodowe charakteryzują się cyklami nagrzewania i schładzania. Lampy są zapalane z minimalnym chłodzeniem. Pozwala to plazmie rtęciowej osiągnąć pożądaną temperaturę roboczą, wytworzyć wolne elektrony i kationy oraz umożliwić przepływ prądu. Po wyłączeniu głowicy lampy chłodzenie jest kontynuowane przez kilka minut, aby równomiernie schłodzić rurę kwarcową. Zbyt ciepła lampa nie zapali się ponownie i musi być nadal schładzana. Długość cyklu rozruchu i schładzania, a także degradacja elektrod podczas każdego zajarzania napięcia, to powody, dla których pneumatyczne mechanizmy przesłony są zawsze zintegrowane w zespołach lamp łukowych elektrodowych GEW. Rysunek 2 przedstawia lampy łukowe elektrodowe chłodzone powietrzem (E2C) i cieczą (E4C).
RYCINA 2 »Lampy łukowe elektrodowe chłodzone cieczą (E4C) i powietrzem (E2C).
Lampy UV LED
Półprzewodniki to stałe, krystaliczne materiały, które w pewnym stopniu przewodzą prąd. Prąd elektryczny przepływa przez półprzewodnik lepiej niż izolator, ale nie tak dobrze jak przewodnik metaliczny. Naturalnie występujące, ale raczej nieefektywne półprzewodniki obejmują krzem, german i selen. Syntetycznie wytwarzane półprzewodniki, zaprojektowane pod kątem wydajności i sprawności, to materiały złożone z domieszkami precyzyjnie wnikającymi w strukturę krystaliczną. W przypadku diod UV powszechnie stosowanym materiałem jest azotek galu i glinu (AlGaN).
Półprzewodniki stanowią podstawę współczesnej elektroniki i są wykorzystywane do budowy tranzystorów, diod, diod elektroluminescencyjnych (LED) i mikroprocesorów. Urządzenia półprzewodnikowe są integrowane w obwodach elektrycznych i montowane w produktach takich jak telefony komórkowe, laptopy, tablety, urządzenia AGD, samoloty, samochody, piloty, a nawet zabawki dla dzieci. Te niewielkie, ale wydajne komponenty zapewniają funkcjonalność produktów codziennego użytku, a jednocześnie pozwalają na tworzenie produktów kompaktowych, cieńszych, lżejszych i tańszych.
W szczególnym przypadku diod LED, precyzyjnie zaprojektowane i wykonane materiały półprzewodnikowe emitują stosunkowo wąskie pasma długości fal światła po podłączeniu do źródła zasilania prądem stałym. Światło jest generowane tylko wtedy, gdy prąd przepływa od dodatniej anody (+) do ujemnej katody (-) każdej diody LED. Ponieważ moc wyjściowa diod LED jest szybko i łatwo kontrolowana oraz quasi-monochromatyczna, diody LED idealnie nadają się do zastosowań: jako lampki kontrolne; sygnały komunikacyjne w podczerwieni; podświetlenie telewizorów, laptopów, tabletów i smartfonów; szyldy elektroniczne, billboardy i jumbotrony; oraz do utwardzania promieniowaniem UV.
Dioda LED jest złączem dodatnio-ujemnym (złącze pn). Oznacza to, że jedna część diody LED ma ładunek dodatni i jest nazywana anodą (+), a druga część ma ładunek ujemny i jest nazywana katodą (-). Chociaż obie strony są względnie przewodzące, granica złącza, gdzie obie strony się spotykają, znana jako strefa zubożona, nie jest przewodząca. Gdy dodatni (+) zacisk źródła prądu stałego (DC) jest podłączony do anody (+) diody LED, a ujemny (-) zacisk źródła jest podłączony do katody (-), ujemnie naładowane elektrony w katodzie i dodatnio naładowane wolne elektrony w anodzie są odpychane przez źródło zasilania i wypychane w kierunku strefy zubożonej. Jest to polaryzacja w kierunku przewodzenia, która powoduje pokonanie granicy nieprzewodzącej. W rezultacie wolne elektrony w obszarze typu n przechodzą przez obszar typu p i wypełniają wolne miejsca w obszarze typu n. Gdy elektrony przepływają przez granicę, przechodzą w stan o niższej energii. Odpowiedni spadek energii jest uwalniany z półprzewodnika w postaci fotonów światła.
Materiały i domieszki tworzące krystaliczną strukturę diody LED determinują widmową wydajność. Obecnie dostępne komercyjnie źródła utwardzania LED charakteryzują się promieniowaniem ultrafioletowym o długości fali 365, 385, 395 i 405 nm, typową tolerancją ±5 nm i rozkładem widmowym Gaussa. Im wyższa szczytowa wartość natężenia promieniowania widmowego (W/cm²/nm), tym wyższy szczyt krzywej dzwonowej. Chociaż rozwój UVC trwa w zakresie 275–285 nm, wydajność, żywotność, niezawodność i koszt nie są jeszcze opłacalne komercyjnie dla systemów utwardzania i zastosowań.
Ponieważ moc UV-LED jest obecnie ograniczona do dłuższych fal UVA, system utwardzania UV-LED nie emituje szerokopasmowego widma wyjściowego charakterystycznego dla średniociśnieniowych lamp rtęciowych. Oznacza to, że systemy utwardzania UV-LED nie emitują UVC, UVB, większości światła widzialnego ani generujących ciepło fal podczerwonych. Chociaż umożliwia to wykorzystanie systemów utwardzania UV-LED w zastosowaniach bardziej wrażliwych na ciepło, istniejące tusze, powłoki i kleje przeznaczone do średniociśnieniowych lamp rtęciowych muszą zostać przeformułowane pod kątem systemów utwardzania UV-LED. Na szczęście dostawcy chemikaliów coraz częściej projektują swoje produkty jako produkty o podwójnym utwardzaniu. Oznacza to, że formulacja o podwójnym utwardzaniu przeznaczona do utwardzania lampą UV-LED będzie również utwardzana lampą rtęciową (rysunek 3).
RYCINA 3 »Wykres widma wyjściowego dla diod LED.
Systemy utwardzania UV-LED firmy GEW emitują do 30 W/cm² w oknie emisyjnym. W przeciwieństwie do lamp łukowych elektrodowych, systemy utwardzania UV-LED nie zawierają reflektorów kierujących promienie świetlne do skupionego punktu. W rezultacie szczytowe natężenie promieniowania UV-LED występuje blisko okna emisyjnego. Emitowane promienie UV-LED rozchodzą się w miarę wzrostu odległości między głowicą lampy a powierzchnią utwardzania. Zmniejsza to koncentrację światła i natężenie promieniowania docierającego do powierzchni utwardzania. Chociaż szczytowe natężenie promieniowania ma istotne znaczenie dla sieciowania, coraz wyższe natężenie nie zawsze jest korzystne, a nawet może hamować wzrost gęstości sieciowania. Długość fali (nm), natężenie promieniowania (W/cm²) i gęstość energii (J/cm²) odgrywają kluczową rolę w utwardzaniu, a ich łączny wpływ na utwardzanie powinien być właściwie zrozumiany podczas wyboru źródła UV-LED.
Diody LED to źródła światła typu Lambert. Innymi słowy, każda dioda UV LED emituje równomierne światło do przodu na całej półkuli 360° x 180°. Liczne diody UV LED, każda o powierzchni rzędu milimetra kwadratowego, są ułożone w jednym rzędzie, matrycy rzędów i kolumn lub w innej konfiguracji. Te podzespoły, znane jako moduły lub tablice, są projektowane z zachowaniem odstępów między diodami LED, co zapewnia ich przenikanie się i ułatwia chłodzenie diod. Następnie wiele modułów lub tablic jest układanych w większe zespoły, tworząc systemy utwardzania UV o różnych rozmiarach (rysunki 4 i 5). Dodatkowe elementy wymagane do zbudowania systemu utwardzania UV-LED obejmują radiator, okno emisyjne, sterowniki elektroniczne, zasilacze prądu stałego, system chłodzenia cieczą lub agregat chłodniczy oraz interfejs człowiek-maszyna (HMI).
RYCINA 4 »System LeoLED dla Internetu.
RYCINA 5 »System LeoLED do szybkich instalacji wielolampowych.
Ponieważ systemy utwardzania UV-LED nie emitują fal podczerwonych, z natury przekazują one mniej energii cieplnej na utwardzaną powierzchnię niż lampy rtęciowe, nie oznacza to jednak, że diody UV LED należy traktować jako technologię utwardzania na zimno. Systemy utwardzania UV-LED mogą emitować bardzo wysokie szczytowe natężenie promieniowania, a fale ultrafioletowe są formą energii. Każde promieniowanie, które nie zostanie zaabsorbowane przez chemikalia, nagrzeje znajdujący się pod nim element lub podłoże, a także otaczające je elementy maszyny.
Diody LED UV to również elementy elektryczne o niskiej sprawności wynikającej z konstrukcji i produkcji półprzewodników, a także metod produkcji i komponentów stosowanych do pakowania diod LED w większym urządzeniu utwardzającym. Podczas gdy temperatura rtęciowej rurki kwarcowej musi być utrzymywana w zakresie 600–800°C podczas pracy, temperatura złącza pn diody LED musi być niższa niż 120°C. Tylko 35–50% energii elektrycznej zasilającej matrycę diod UV-LED jest przetwarzane na promieniowanie ultrafioletowe (w dużym stopniu zależne od długości fali). Pozostała część jest przekształcana w ciepło cieplne, które musi zostać odprowadzone w celu utrzymania pożądanej temperatury złącza i zapewnienia określonego natężenia promieniowania, gęstości energii i jednorodności, a także długiej żywotności. Diody LED są z natury trwałymi elementami półprzewodnikowymi, a ich integracja w większe zespoły z odpowiednio zaprojektowanymi i konserwowanymi systemami chłodzenia ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia ich specyfikacji dotyczących długiej żywotności. Nie wszystkie systemy utwardzania promieniowaniem UV są takie same, a nieprawidłowo zaprojektowane i chłodzone systemy utwardzania UV-LED mają większe prawdopodobieństwo przegrzania i poważnej awarii.
Lampy hybrydowe łukowe/LED
Na każdym rynku, na którym wprowadzana jest zupełnie nowa technologia jako zamiennik istniejącej, mogą występować obawy dotyczące jej wdrożenia, a także sceptycyzm co do jej wydajności. Potencjalni użytkownicy często zwlekają z wdrożeniem do czasu, aż uformuje się ugruntowana baza użytkowników, zostaną opublikowane studia przypadków, pozytywne opinie zaczną krążyć masowo i/lub zdobędą doświadczenia z pierwszej ręki lub referencje od osób i firm, którym ufają. Zanim cały rynek całkowicie porzuci stare i przejdzie na nowe, często potrzebne są twarde dowody. Nie pomaga fakt, że historie sukcesu są zazwyczaj pilnie strzeżoną tajemnicą, ponieważ pierwsi użytkownicy nie chcą, aby konkurencja odniosła porównywalne korzyści. W rezultacie, zarówno prawdziwe, jak i przesadzone opowieści o rozczarowaniach mogą czasami rozbrzmiewać na rynku, maskując prawdziwe zalety nowej technologii i dodatkowo opóźniając jej wdrożenie.
W całej historii, jako odpowiedź na niechęć do wprowadzania nowych rozwiązań, rozwiązania hybrydowe były często wykorzystywane jako pomost przejściowy między dotychczasową a nową technologią. Hybrydy pozwalają użytkownikom nabrać pewności siebie i samodzielnie decydować, jak i kiedy należy stosować nowe produkty lub metody, bez rezygnowania z obecnych możliwości. W przypadku utwardzania UV, system hybrydowy umożliwia użytkownikom szybką i łatwą wymianę między lampami rtęciowymi a technologią LED. W liniach z wieloma stacjami utwardzania, systemy hybrydowe umożliwiają drukarniom drukowanie w 100% z lampami LED, w 100% z lampami rtęciowymi lub w dowolnej kombinacji tych dwóch technologii, wymaganej dla danego zadania.
GEW oferuje hybrydowe systemy łukowe/LED dla konwerterów wstęgowych. Rozwiązanie to zostało opracowane dla największego rynku GEW, etykiet wąskowstęgowych, ale hybrydowa konstrukcja znajduje zastosowanie również w innych zastosowaniach wstęgowych i niewstęgowych (rysunek 6). System łukowy/LED zawiera wspólną obudowę głowicy lampy, która może pomieścić kasetę rtęciową lub LED. Obie kasety są zasilane z uniwersalnego systemu zasilania i sterowania. Inteligentne rozwiązania w systemie umożliwiają rozróżnienie typów kaset i automatycznie zapewniają odpowiednie zasilanie, chłodzenie i interfejs operatora. Demontaż lub montaż kaset rtęciowych lub LED firmy GEW jest zazwyczaj możliwy w ciągu kilku sekund za pomocą jednego klucza imbusowego.
RYCINA 6 »System łukowy/LED do sieci.
Lampy ekscymerowe
Lampy ekscymerowe to rodzaj lampy wyładowczej, która emituje quasi-monochromatyczną energię ultrafioletową. Chociaż lampy ekscymerowe są dostępne w wielu długościach fali, typowe długości fali ultrafioletowej wynoszą 172, 222, 308 i 351 nm. Lampy ekscymerowe o długości fali 172 nm mieszczą się w próżniowym paśmie UV (100–200 nm), podczas gdy 222 nm to wyłącznie UVC (200–280 nm). Lampy ekscymerowe o długości fali 308 nm emitują UVB (280–315 nm), a 351 nm to stałe UVA (315–400 nm).
Fale UV o długości 172 nm w próżni są krótsze i zawierają więcej energii niż UVC; jednak z trudem wnikają głęboko w substancje. W rzeczywistości fale o długości 172 nm są całkowicie absorbowane w górnych 10–200 nm składu chemicznego UV. W rezultacie lampy ekscymerowe o długości fali 172 nm sieciują tylko zewnętrzną powierzchnię formulacji UV i muszą być zintegrowane z innymi urządzeniami utwardzającymi. Ponieważ fale UV w próżni są również absorbowane przez powietrze, lampy ekscymerowe o długości fali 172 nm muszą być eksploatowane w atmosferze obojętnego azotu.
Większość lamp ekscymerowych składa się z rurki kwarcowej, która pełni funkcję bariery dielektrycznej. Rurka jest wypełniona gazami szlachetnymi, które mogą tworzyć cząsteczki ekscymerowe lub ekscypleksowe (rysunek 7). Różne gazy wytwarzają różne cząsteczki, a różne wzbudzone cząsteczki decydują o długościach fal emitowanych przez lampę. Elektroda wysokiego napięcia biegnie wzdłuż wewnętrznej długości rurki kwarcowej, a elektrody uziemiające wzdłuż zewnętrznej długości. Do lampy podawane są impulsy napięcia o wysokiej częstotliwości. Powoduje to przepływ elektronów wewnątrz elektrody wewnętrznej i wyładowanie przez mieszaninę gazów w kierunku zewnętrznych elektrod uziemiających. To zjawisko naukowe znane jest jako wyładowanie z barierą dielektryczną (DBD). Gdy elektrony przemieszczają się przez gaz, oddziałują z atomami i tworzą naelektryzowane lub zjonizowane cząsteczki, które wytwarzają cząsteczki ekscymerowe lub ekscypleksowe. Cząsteczki ekscymerowe i ekscypleksowe mają niezwykle krótki czas życia, a gdy rozkładają się ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, emitowane są fotony o rozkładzie quasi-monochromatycznym.
RYCINA 7 »Lampa excimerowa
W przeciwieństwie do lamp rtęciowych, powierzchnia kwarcowej tuby lampy ekscymerowej nie nagrzewa się. W rezultacie większość lamp ekscymerowych pracuje z niewielkim chłodzeniem lub bez niego. W innych przypadkach wymagane jest niskie chłodzenie, zazwyczaj zapewniane przez azot. Dzięki stabilności termicznej lampy ekscymerowe można włączać i wyłączać natychmiast i nie wymagają cykli nagrzewania ani schładzania.
Połączenie lamp ekscymerowych o długości fali 172 nm z quasi-monochromatycznymi systemami utwardzania UVA-LED i szerokopasmowymi lampami rtęciowymi pozwala uzyskać matowe efekty powierzchniowe. Lampy UVA LED są najpierw używane do żelowania chemii. Następnie quasi-monochromatyczne lampy ekscymerowe są używane do polimeryzacji powierzchni, a na końcu szerokopasmowe lampy rtęciowe sieciują resztę chemii. Unikalne widma wyjściowe trzech technologii stosowanych w oddzielnych etapach zapewniają korzystne efekty optyczne i funkcjonalne utwardzania powierzchni, których nie można uzyskać przy użyciu żadnego ze źródeł UV osobno.
Długości fal ekscymerowych wynoszące 172 i 222 nm są również skuteczne w niszczeniu niebezpiecznych substancji organicznych i szkodliwych bakterii, dzięki czemu lampy ekscymerowe sprawdzają się doskonale w czyszczeniu powierzchni, dezynfekcji i obróbce energetycznej powierzchni.
Żywotność lampy
Jeśli chodzi o żywotność lampy lub żarówki, lampy łukowe GEW zazwyczaj osiągają do 2000 godzin. Żywotność lampy nie jest wartością bezwzględną, ponieważ moc promieniowania UV stopniowo maleje z upływem czasu i jest zależna od różnych czynników. Konstrukcja i jakość lampy, a także warunki pracy systemu UV oraz reaktywność formuły mają znaczenie. Prawidłowo zaprojektowane systemy UV zapewniają odpowiednią moc i chłodzenie wymagane dla konkretnej konstrukcji lampy (żarówki).
Lampy (żarówki) dostarczane przez firmę GEW zawsze zapewniają najdłuższą żywotność w systemach utwardzania GEW. Dostawcy wtórnego źródła zasilania zazwyczaj odwzorowują lampę na podstawie próbki, a kopie mogą różnić się końcówką, średnicą kwarcu, zawartością rtęci lub mieszanką gazów, co może wpływać na moc promieniowania UV i generację ciepła. Gdy generacja ciepła nie jest zrównoważona z chłodzeniem systemu, lampa traci zarówno moc, jak i żywotność. Lampy, które pracują w niższej temperaturze, emitują mniej promieniowania UV. Lampy, które pracują w wyższej temperaturze, są krótsze i odkształcają się pod wpływem wysokich temperatur powierzchni.
Żywotność lamp łukowych elektrodowych jest ograniczona przez temperaturę pracy lampy, liczbę godzin pracy oraz liczbę zapłonów lub zapłonów. Za każdym razem, gdy lampa jest zajarzana łukiem wysokiego napięcia podczas rozruchu, część elektrody wolframowej ulega zużyciu. Ostatecznie lampa nie zajarzy się ponownie. Lampy łukowe elektrodowe posiadają mechanizmy przesłony, które po uruchomieniu blokują emisję promieniowania UV, alternatywnie dla wielokrotnych cykli zasilania lampy. Bardziej reaktywne tusze, powłoki i kleje mogą wydłużyć żywotność lampy; natomiast mniej reaktywne formulacje mogą wymagać częstszej wymiany lampy.
Systemy UV-LED są z natury trwalsze niż lampy konwencjonalne, ale ich żywotność nie jest absolutna. Podobnie jak w przypadku lamp konwencjonalnych, diody UV LED mają ograniczenia co do mocy, z jaką można je wysterować, i zazwyczaj muszą pracować w temperaturach złącz poniżej 120°C. Przesterowanie i niedochłodzenie diod LED skraca ich żywotność, prowadząc do szybszej degradacji lub poważnej awarii. Nie wszyscy dostawcy systemów UV-LED oferują obecnie projekty o najwyższej, ustalonej żywotności przekraczającej 20 000 godzin. Lepiej zaprojektowane i konserwowane systemy będą działać dłużej niż 20 000 godzin, a systemy o niższej jakości ulegną awarii w znacznie krótszym czasie. Dobrą wiadomością jest to, że projekty systemów LED są stale udoskonalane i z każdą kolejną wersją stają się trwalsze.
Ozon
Gdy krótsze fale UVC oddziałują na cząsteczki tlenu (O₂), powodują one rozszczepienie cząsteczek tlenu (O₂) na dwa atomy tlenu (O₂). Wolne atomy tlenu (O₂) zderzają się następnie z innymi cząsteczkami tlenu (O₂) i tworzą ozon (O₂). Ponieważ trójtlenowy tlen (O₂) jest mniej stabilny na poziomie gruntu niż dwutlenowy tlen (O₂), ozon łatwo przekształca się w cząsteczkę tlenu (O₂) i atom tlenu (O₂) podczas unoszenia się w powietrzu atmosferycznym. Wolne atomy tlenu (O₂) następnie rekombinują ze sobą w układzie wydechowym, tworząc cząsteczki tlenu (O₂).
W przemysłowych zastosowaniach utwardzania promieniowaniem UV, ozon (O3) powstaje w wyniku interakcji tlenu atmosferycznego z promieniowaniem ultrafioletowym o długości fali poniżej 240 nm. Szerokopasmowe źródła utwardzania oparami rtęci emitują promieniowanie UVC o długości fali od 200 do 280 nm, które pokrywa się z częścią obszaru generowania ozonu, a lampy ekscymerowe emitują próżniowe promieniowanie UV o długości fali 172 nm lub UVC o długości fali 222 nm. Ozon wytwarzany przez opary rtęci i lampy ekscymerowe jest niestabilny i nie stanowi poważnego zagrożenia dla środowiska, ale konieczne jest jego usunięcie z bezpośredniego otoczenia pracowników, ponieważ w wysokich stężeniach działa drażniąco na drogi oddechowe i jest toksyczny. Ponieważ komercyjne systemy utwardzania UV-LED emitują promieniowanie UVA o długości fali od 365 do 405 nm, ozon nie jest generowany.
Ozon ma zapach podobny do zapachu metalu, palącego się drutu, chloru i iskry elektrycznej. Ludzki zmysł węchu wykrywa ozon w stężeniach od 0,01 do 0,03 cząstek na milion (ppm). Chociaż stężenie to różni się w zależności od osoby i poziomu aktywności, stężenia powyżej 0,4 ppm mogą prowadzić do niekorzystnych skutków dla układu oddechowego i bólów głowy. Na liniach utwardzania promieniowaniem UV należy zainstalować odpowiednią wentylację, aby ograniczyć narażenie pracowników na ozon.
Systemy utwardzania promieniowaniem UV są zazwyczaj projektowane tak, aby zatrzymywać powietrze wylotowe opuszczające głowice lamp, dzięki czemu można je odprowadzić kanałami z dala od operatorów na zewnątrz budynku, gdzie ulega naturalnemu rozkładowi w obecności tlenu i światła słonecznego. Alternatywnie, lampy bezozonowe zawierają dodatek kwarcowy, który blokuje fale generujące ozon, a obiekty, które chcą uniknąć prowadzenia kanałów lub wycinania otworów w dachu, często stosują filtry na wylocie wentylatorów wyciągowych.
Czas publikacji: 19 czerwca 2024 r.
