Pary rtęci, diody elektroluminescencyjne (LED) i ekscymery to odrębne technologie lamp utwardzanych promieniami UV. Chociaż wszystkie trzy są wykorzystywane w różnych procesach fotopolimeryzacji do sieciowania farb drukarskich, powłok, klejów i wytłoczek, mechanizmy wytwarzania wypromieniowanej energii UV, a także charakterystyka odpowiadającej im mocy widmowej, są zupełnie inne. Zrozumienie tych różnic ma kluczowe znaczenie w opracowywaniu aplikacji i receptur, wyborze źródła utwardzania UV i integracji.
Lampy rtęciowe
Zarówno lampy łukowe, jak i bezelektrodowe lampy mikrofalowe należą do kategorii par rtęci. Lampy rtęciowe to rodzaj średniociśnieniowych lamp wyładowczych, w których niewielka ilość rtęci elementarnej i gazu obojętnego odparowuje w plazmę wewnątrz szczelnej rurki kwarcowej. Plazma to zjonizowany gaz o niezwykle wysokiej temperaturze, który może przewodzić prąd. Jest wytwarzany przez przyłożenie napięcia elektrycznego pomiędzy dwiema elektrodami w lampie łukowej lub przez podgrzanie w kuchence mikrofalowej lampy bezelektrodowej wewnątrz obudowy lub wnęki podobnej w koncepcji do domowej kuchenki mikrofalowej. Po odparowaniu plazma rtęciowa emituje światło o szerokim spektrum w zakresie fal ultrafioletowych, widzialnych i podczerwonych.
W przypadku elektrycznej lampy łukowej przyłożone napięcie zasila zamkniętą rurkę kwarcową. Energia ta odparowuje rtęć w plazmę i uwalnia elektrony z odparowanych atomów. Część elektronów (-) przepływa w kierunku dodatniej elektrody wolframowej lub anody (+) lampy i do obwodu elektrycznego układu UV. Atomy z nowo brakującymi elektronami stają się kationami o dodatniej energii (+), które płyną w kierunku ujemnie naładowanej elektrody wolframowej lub katody (-) lampy. Poruszając się, kationy uderzają w obojętne atomy mieszaniny gazów. Uderzenie przenosi elektrony z atomów obojętnych na kationy. Gdy kationy zdobywają elektrony, przechodzą w stan o niższej energii. Różnica energii jest wyładowywana w postaci fotonów promieniujących na zewnątrz z rurki kwarcowej. Pod warunkiem, że lampa jest odpowiednio zasilana, prawidłowo chłodzona i eksploatowana przez cały okres jej użytkowania, stały dopływ nowo utworzonych kationów (+) grawituje w kierunku elektrody ujemnej lub katody (-), zderzając się z większą liczbą atomów i wytwarzając ciągłą emisję światła UV. Lampy mikrofalowe działają w podobny sposób, z tą różnicą, że mikrofale, zwane również częstotliwością radiową (RF), zastępują obwód elektryczny. Ponieważ lampy mikrofalowe nie mają elektrod wolframowych i są po prostu uszczelnioną rurką kwarcową zawierającą rtęć i gaz obojętny, powszechnie określa się je jako lampy bezelektrodowe.
Wyjście UV szerokopasmowych lub szerokopasmowych lamp rtęciowych obejmuje fale ultrafioletowe, widzialne i podczerwone w przybliżeniu w równych proporcjach. Część ultrafioletowa obejmuje mieszankę długości fal UVC (200 do 280 nm), UVB (280 do 315 nm), UVA (315 do 400 nm) i UVV (400 do 450 nm). Lampy emitujące promieniowanie UVC o długości fali poniżej 240 nm wytwarzają ozon i wymagają wyciągu lub filtracji.
Moc widmową lampy rtęciowej można zmieniać 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 co za tym idzie, energię uwalnianą podczas pozyskiwania elektronów przez kationy. Lampy z dodatkiem metali nazywane są domieszkowanymi, dodatkami i metalohalogenkami. Większość atramentów, powłok, klejów i wytłoczek na bazie UV zaprojektowano tak, aby odpowiadały wydajności standardowych lamp domieszkowanych rtęcią (Hg) lub żelazem (Fe). Lampy domieszkowane żelazem przesuwają część promieniowania UV na dłuższe, prawie widzialne długości fal, co skutkuje lepszą penetracją przez grubsze, silnie pigmentowane formuły. Preparaty UV zawierające dwutlenek tytanu mają tendencję do lepszego utwardzania w lampach domieszkowanych galem (GA). Dzieje się tak, ponieważ lampy galowe przesuwają znaczną część promieniowania UV w kierunku długości fal dłuższych niż 380 nm. Ponieważ dodatki ditlenku tytanu na ogół nie absorbują światła powyżej 380 nm, użycie lamp galowych o białych formułach pozwala na pochłonięcie większej ilości energii UV przez fotoinicjatory w porównaniu z dodatkami.
Profile widmowe zapewniają formulatorom i użytkownikom końcowym wizualną reprezentację rozkładu mocy promieniowania dla konkretnego projektu lampy w widmie elektromagnetycznym. Chociaż odparowana rtęć i metale dodatkowe mają określoną charakterystykę promieniowania, precyzyjna mieszanina pierwiastków i gazów obojętnych wewnątrz rurki kwarcowej wraz z konstrukcją lampy i projektem systemu utwardzania wpływają na moc promieniowania UV. Moc widmowa niezintegrowanej lampy zasilanej i mierzona przez dostawcę lampy na otwartej przestrzeni będzie miała inną moc widmową niż lampa zamontowana w głowicy lampy z odpowiednio zaprojektowanym odbłyśnikiem i chłodzeniem. Profile widmowe są łatwo dostępne u dostawców systemów UV i są przydatne przy opracowywaniu receptur i doborze lamp.
Wspólny profil widmowy przedstawia natężenie promieniowania widmowego na osi y i długość fali na osi x. Natężenie widmowe można wyświetlić na kilka sposobów, włączając wartość bezwzględną (np. W/cm2/nm) lub miary arbitralne, względne lub znormalizowane (bez jednostek). Profile zwykle wyświetlają informacje w postaci wykresu liniowego lub wykresu słupkowego grupującego sygnał wyjściowy w pasma 10 nm. Poniższy wykres widma mocy lampy rtęciowej przedstawia względne natężenie promieniowania w odniesieniu do długości fali dla systemów GEW (rysunek 1).
RYSUNEK 1 »Widmowe wykresy wyjściowe dla rtęci i żelaza.
Lampa to termin używany w Europie i Azji w odniesieniu do emitującej promieniowanie UV rurki kwarcowej, podczas gdy mieszkańcy Ameryki Północnej i Południowej mają tendencję do używania wymiennej kombinacji żarówki i lampy. Zarówno lampa, jak i głowica lampy odnoszą się do pełnego zespołu, w którym znajduje się rura kwarcowa oraz wszystkie inne elementy mechaniczne i elektryczne.
Lampy łukowe elektrodowe
Systemy lamp łukowych składają się z głowicy lampy, wentylatora chłodzącego lub agregatu chłodniczego, zasilacza i interfejsu człowiek-maszyna (HMI). Głowica lampy zawiera lampę (żarówkę), odbłyśnik, metalową obudowę lub obudowę, zespół przesłony, a czasami kwarcowe okienko lub osłonę drucianą. Firma GEW montuje swoje rurki kwarcowe, reflektory i mechanizmy przesłon wewnątrz zespołów kaset, które można łatwo wyjąć z zewnętrznej obudowy lub obudowy głowicy lampy. Demontaż kasety GEW zwykle zajmuje kilka sekund przy użyciu jednego klucza imbusowego. Ponieważ moc UV, całkowity rozmiar i kształt głowicy lampy, cechy systemu i wymagania dotyczące sprzętu pomocniczego różnią się w zależności od zastosowania i rynku, systemy lamp łukowych są zazwyczaj projektowane dla danej kategorii zastosowań lub podobnych typów maszyn.
Lampy rtęciowe emitują 360° światła z rurki kwarcowej. Systemy lamp łukowych wykorzystują odbłyśniki umieszczone po bokach i z tyłu lampy, aby wychwycić i skupić większą ilość światła na określoną odległość przed głowicą lampy. Odległość ta nazywana jest ogniskiem i jest miejscem, w którym 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 utrzymywanie reflektorów w czystości i okresowa ich wymiana. Brak czyszczenia lub wymiany reflektorów jest częstą przyczyną niewystarczającego utwardzenia.
Od ponad 30 lat firma GEW poprawia wydajność swoich systemów utwardzania, dostosowując funkcje i wydajność do potrzeb konkretnych zastosowań i rynków oraz opracowując szeroką gamę akcesoriów integracyjnych. W rezultacie dzisiejsza oferta handlowa firmy GEW obejmuje kompaktowe obudowy, reflektory zoptymalizowane pod kątem większego współczynnika odbicia promieni UV i zmniejszonej podczerwieni, ciche zintegrowane mechanizmy przesłon, fartuchy i szczeliny wstęgowe, podawanie wstęgi typu „muszla”, inercja azotu, głowice pod ciśnieniem dodatnim, ekran dotykowy interfejs operatora, zasilacze półprzewodnikowe, większa wydajność operacyjna, monitorowanie mocy UV i zdalne monitorowanie systemu.
Gdy działają średniociśnieniowe lampy elektrodowe, temperatura powierzchni kwarcu wynosi od 600°C do 800°C, a wewnętrzna temperatura plazmy wynosi kilka tysięcy stopni Celsjusza. Wymuszony obieg powietrza to podstawowy sposób utrzymywania prawidłowej temperatury pracy lampy i usuwania części wypromieniowanej energii podczerwonej. GEW dostarcza to powietrze negatywnie; oznacza to, że powietrze jest przeciągane przez obudowę, wzdłuż reflektora i lampy, a następnie usuwane z zespołu z dala od maszyny lub powierzchni utwardzania. Niektóre systemy GEW, takie jak E4C, wykorzystują chłodzenie cieczą, co umożliwia nieco większą moc promieniowania UV i zmniejsza całkowity rozmiar głowicy lampy.
Lampy łukowe elektrodowe mają cykle nagrzewania i schładzania. Lampy są uderzane przy minimalnym chłodzeniu. Dzięki temu plazma rtęciowa może wzrosnąć do żądanej temperatury roboczej, wytworzyć wolne elektrony i kationy oraz umożliwić przepływ prądu. Gdy głowica lampy jest wyłączona, chłodzenie trwa jeszcze kilka minut, aby równomiernie schłodzić rurkę kwarcową. Zbyt ciepła lampa nie zapali się ponownie i musi nadal się ochładzać. Długość cyklu rozruchu i schładzania, a także degradacja elektrod podczas każdego uderzenia napięcia powodują, że pneumatyczne mechanizmy przesłony są zawsze zintegrowane z zespołami lamp łukowych elektrod GEW. Rysunek 2 przedstawia lampy łukowe chłodzone powietrzem (E2C) i cieczą (E4C).
RYSUNEK 2 »Lampy łukowe chłodzone cieczą (E4C) i powietrzem (E2C).
Lampy UV-LED
Półprzewodniki to stałe, krystaliczne materiały, które w pewnym stopniu przewodzą. Prąd przepływa przez półprzewodnik lepiej niż izolator, ale nie tak dobrze jak przez przewodnik metalowy. Naturalnie występujące, ale raczej nieefektywne półprzewodniki obejmują krzem, german i selen. Syntetycznie wytwarzane półprzewodniki zaprojektowane z myślą o wydajności i wydajności to materiały złożone z zanieczyszczeniami precyzyjnie impregnowanymi w strukturze kryształu. W przypadku diod UV powszechnie stosowanym materiałem jest azotek glinu i galu (AlGaN).
Półprzewodniki mają fundamentalne znaczenie dla współczesnej elektroniki i są zaprojektowane tak, aby tworzyć tranzystory, diody, diody elektroluminescencyjne i mikroprocesory. Urządzenia półprzewodnikowe są integrowane z obwodami elektrycznymi i montowane wewnątrz produktów, takich jak telefony komórkowe, laptopy, tablety, urządzenia, samoloty, samochody, piloty zdalnego sterowania, a nawet zabawki dla dzieci. Te małe, ale potężne komponenty sprawiają, że produkty codziennego użytku funkcjonują, a jednocześnie pozwalają być kompaktowymi, cieńszymi, lekkimi i tańszymi.
W szczególnym przypadku diod LED precyzyjnie zaprojektowane i wykonane materiały półprzewodnikowe po podłączeniu do źródła prądu stałego emitują stosunkowo wąskie pasma długości fali światła. Światło jest generowane tylko wtedy, gdy prąd przepływa od dodatniej anody (+) do ujemnej katody (-) każdej diody LED. Ponieważ moc diod LED można szybko i łatwo kontrolować oraz jest ona quasi-monochromatyczna, diody LED idealnie nadają się do stosowania jako: lampki sygnalizacyjne; sygnały komunikacyjne w podczerwieni; podświetlenie telewizorów, laptopów, tabletów i smartfonów; znaki elektroniczne, billboardy i jumbotrony; i utwardzanie promieniami UV.
Dioda LED jest złączem dodatnim i ujemnym (złącze pn). Oznacza to, że jedna część diody LED ma ładunek dodatni i nazywana jest anodą (+), a druga część ma ładunek ujemny i jest określana jako katoda (-). Chociaż obie strony są stosunkowo przewodzące, granica złącza, w którym spotykają się obie strony, zwana strefą zubożenia, nie jest przewodząca. Kiedy 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, a dodatnio naładowane wakaty elektronowe w anodzie są odpychane przez źródło zasilania i wypychane w kierunku strefy wyczerpania. Jest to odchylenie do przodu, którego skutkiem jest pokonanie granicy nieprzewodzącej. W rezultacie wolne elektrony w obszarze typu n krzyżują się i wypełniają puste miejsca w obszarze typu p. 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 określają moc widmową. Obecnie dostępne na rynku źródła utwardzania LED mają moc wyjściową ultrafioletu skupioną przy 365, 385, 395 i 405 nm, typową tolerancję ± 5 nm i rozkład widmowy Gaussa. Im większe szczytowe natężenie promieniowania (W/cm2/nm), tym wyższy szczyt krzywej dzwonowej. Chociaż prace nad UVC trwają w zakresie długości fali od 275 do 285 nm, wydajność, trwałość, niezawodność i koszty nie są jeszcze opłacalne z komercyjnego punktu widzenia w przypadku systemów i zastosowań utwardzania.
Ponieważ moc wyjściowa 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 promieni UVC, UVB, większości światła widzialnego ani generujących ciepło długości fal podczerwieni. Chociaż umożliwia to wykorzystanie systemów utwardzania UV-LED w zastosowaniach bardziej wrażliwych na ciepło, istniejące tusze, powłoki i kleje opracowane dla średniociśnieniowych lamp rtęciowych muszą zostać przeformułowane pod kątem systemów utwardzania UV-LED. Na szczęście dostawcy chemii coraz częściej projektują oferty jako podwójne lekarstwo. Oznacza to, że preparat podwójnie utwardzalny przeznaczony do utwardzania lampą UV-LED będzie również utwardzany lampą rtęciową (rysunek 3).
RYSUNEK 3 »Wykres mocy widmowej dla diod LED.
Systemy utwardzania UV-LED firmy GEW emitują do 30 W/cm2 w oknie emitującym. W przeciwieństwie do lamp łukowych, systemy utwardzania UV-LED nie zawierają reflektorów, które kierują promienie świetlne do skoncentrowanego ogniska. W rezultacie szczytowe natężenie napromieniowania UV-LED występuje blisko okna emitującego. Emitowane promienie UV-LED rozchodzą się od siebie wraz ze wzrostem odległości głowicy lampy od powierzchni utwardzania. Zmniejsza to koncentrację światła i wielkość natężenia promieniowania docierającego do powierzchni utwardzania. Chociaż szczytowe natężenie napromienienia jest ważne dla sieciowania, coraz wyższe natężenie napromienienia nie zawsze jest korzystne i może nawet hamować większą gęstość usieciowania. 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 są źródłami lambertowskimi. Innymi słowy, każda dioda LED UV emituje jednolity sygnał wyjściowy na całej półkuli 360° x 180°. Liczne diody LED UV, każda rzędu milimetra kwadratowego, są ułożone w jednym rzędzie, matrycy rzędów i kolumn lub w innej konfiguracji. Podzespoły te, zwane modułami lub tablicami, są zaprojektowane z odstępem między diodami LED, który zapewnia mieszanie w szczelinach i ułatwia chłodzenie diody. Następnie wiele modułów lub układów łączy się w większe zespoły, tworząc systemy utwardzania promieniami UV o różnej wielkości (rysunki 4 i 5). Dodatkowe komponenty wymagane do zbudowania systemu utwardzania UV-LED obejmują radiator, okno emitujące, sterowniki elektroniczne, zasilacze prądu stałego, system chłodzenia cieczą lub agregat chłodniczy oraz interfejs człowiek-maszyna (HMI).
RYSUNEK 4 »System LeoLED dla sieci.
RYSUNEK 5 »System LeoLED do szybkich instalacji wielolampowych.
Ponieważ systemy utwardzania UV-LED nie emitują fal podczerwonych. Z natury przekazują mniej energii cieplnej na powierzchnię utwardzania niż lampy rtęciowe, ale nie oznacza to, że diody LED UV należy uważać za technologię utwardzania na zimno. Systemy utwardzania UV-LED mogą emitować bardzo wysokie szczytowe natężenie promieniowania, a długości fal ultrafioletowych są formą energii. Jakakolwiek moc wyjściowa nie zostanie wchłonięta przez chemię, spowoduje podgrzanie znajdującej się pod nią części lub podłoża, a także otaczających elementów maszyny.
Diody LED UV to także komponenty elektryczne charakteryzujące się niską wydajnością wynikającą z projektowania i wytwarzania surowych półprzewodników, a także metod produkcji i komponentów używanych do pakowania diod LED w większą jednostkę utwardzającą. Podczas gdy temperatura kwarcowej rurki rtęciowej musi podczas pracy utrzymywać się w przedziale od 600 do 800°C, temperatura złącza pn diody LED musi utrzymywać się poniżej 120°C. Tylko 35–50% energii elektrycznej zasilającej matrycę UV-LED jest przekształcane na promieniowanie ultrafioletowe (w dużym stopniu zależne od długości fali). Reszta jest przekształcana w ciepło cieplne, które należy usunąć, aby utrzymać żądaną temperaturę złącza i zapewnić określone natężenie promieniowania, gęstość energii i jednorodność, a także długą żywotność. Diody LED są z natury trwałymi urządzeniami półprzewodnikowymi, a integracja diod LED w większe zespoły z odpowiednio zaprojektowanymi i konserwowanymi systemami chłodzenia ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia specyfikacji długiej żywotności. Nie wszystkie systemy utwardzania UV są takie same, a niewłaściwie zaprojektowane i chłodzone systemy utwardzania UV-LED charakteryzują się większym prawdopodobieństwem przegrzania i katastrofalnej awarii.
Lampy hybrydowe łukowe/LED
Na każdym rynku, na którym wprowadzana jest zupełnie nowa technologia w celu zastąpienia istniejącej, mogą pojawić się obawy dotyczące jej przyjęcia, a także sceptycyzm co do wydajności. Potencjalni użytkownicy często odkładają wdrożenie do czasu uformowania się dobrze ugruntowanej bazy instalacyjnej, opublikowania studiów przypadków, masowego rozpowszechniania pozytywnych opinii i/lub uzyskania doświadczeń lub referencji z pierwszej ręki od osób i firm, które znają i którym ufają. Często potrzebne są twarde dowody, zanim cały rynek całkowicie zrezygnuje ze starego i całkowicie przejdzie na nowy. Nie pomaga fakt, że historie sukcesu są zwykle ściśle strzeżone, ponieważ pierwsi użytkownicy nie chcą, aby konkurenci odnieśli porównywalne korzyści. W rezultacie zarówno prawdziwe, jak i przesadzone opowieści o rozczarowaniu mogą czasami odbić się echem na rynku, maskując prawdziwe zalety nowej technologii i jeszcze bardziej opóźniając jej przyjęcie.
W całej historii projekty hybrydowe były często uznawane za przejściowy pomost między dotychczasową technologią a nową technologią, aby przeciwdziałać niechętnemu przyjęciu. Hybrydy pozwalają użytkownikom zyskać pewność siebie i samodzielnie określić, jak i kiedy należy zastosować nowe produkty lub metody, nie rezygnując przy tym z obecnych możliwości. W przypadku utwardzania promieniami UV system hybrydowy pozwala użytkownikom szybko i łatwo przełączać się pomiędzy lampami rtęciowymi a technologią LED. W przypadku linii z wieloma stacjami utwardzania prasy hybrydowe umożliwiają pracę w 100% w technologii LED, w 100% w postaci par rtęci lub w dowolnej kombinacji obu technologii wymaganej do danego zadania.
GEW oferuje systemy hybrydowe arc/LED do konwerterów sieciowych. Rozwiązanie zostało opracowane dla największego rynku GEW, etykiety wąskowstęgowej, ale hybrydowa konstrukcja ma również zastosowanie w innych aplikacjach sieciowych i pozasieciowych (Rysunek 6). Łuk/LED zawiera typową obudowę głowicy lampy, w której można umieścić parę rtęci lub kasetę LED. Obie kasety napędzane są uniwersalnym systemem zasilania i sterowania. Inteligencja systemu umożliwia rozróżnienie typów kaset i automatycznie zapewnia odpowiednie zasilanie, chłodzenie i interfejs operatora. Demontaż lub montaż kaset rtęciowych lub kaset LED firmy GEW zwykle odbywa się w ciągu kilku sekund przy użyciu jednego klucza imbusowego.
RYSUNEK 6 »System Arc/LED dla Internetu.
Lampy ekscymerowe
Lampy ekscymerowe to rodzaj lamp wyładowczych, które emitują quasi-monochromatyczną energię ultrafioletową. Chociaż lampy ekscymerowe są dostępne w wielu długościach fal, typowe wyjścia ultrafioletowe skupiają się na 172, 222, 308 i 351 nm. Lampy ekscymerowe 172 nm mieszczą się w próżniowym paśmie UV (100 do 200 nm), podczas gdy 222 nm to wyłącznie UVC (200 do 280 nm). Lampy ekscymerowe 308 nm emitują promieniowanie UVB (280 do 315 nm), a 351 nm to stałe promieniowanie UVA (315 do 400 nm).
Fale UV próżniowego o długości 172 nm są krótsze i zawierają więcej energii niż UVC; jednakże mają trudności z wnikaniem bardzo głęboko w substancje. W rzeczywistości fale o długości 172 nm są całkowicie absorbowane w zakresie od 10 do 200 nm składu chemicznego UV. W rezultacie lampy ekscymerowe o długości fali 172 nm sieciują jedynie najbardziej zewnętrzną powierzchnię preparatów UV i muszą być zintegrowane z innymi urządzeniami utwardzającymi. Ponieważ próżniowe długości fal UV są również pochłaniane przez powietrze, lampy ekscymerowe o długości fali 172 nm muszą pracować w atmosferze obojętnej azotem.
Większość lamp ekscymerowych składa się z rurki kwarcowej, która służy jako bariera dielektryczna. Rurka wypełniona jest rzadkimi gazami zdolnymi do tworzenia cząsteczek ekscymeru lub ekscypleksu (Rysunek 7). Różne gazy wytwarzają różne cząsteczki, a różne wzbudzone cząsteczki decydują o długości fal emitowanych przez lampę. Elektroda wysokiego napięcia biegnie wzdłuż wewnętrznej długości rurki kwarcowej, a elektrody uziemiające biegną wzdłuż zewnętrznej długości. Do lampy podawane są impulsy napięcia o wysokich częstotliwościach. Powoduje to przepływ elektronów wewnątrz elektrody wewnętrznej i wyładowanie przez mieszaninę gazów w kierunku zewnętrznych elektrod masowych. To zjawisko naukowe znane jest jako wyładowanie z barierą dielektryczną (DBD). Gdy elektrony przemieszczają się przez gaz, wchodzą w interakcję z atomami i tworzą pod napięciem lub zjonizowane formy, które wytwarzają cząsteczki ekscymeru lub ekscypleksu. Cząsteczki ekscymeru i ekscypleksu mają niewiarygodnie krótki czas życia, a podczas rozkładu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego emitowane są fotony o rozkładzie quasi-monochromatycznym.
RYSUNEK 7 »Lampa ekscymerowa
W przeciwieństwie do lamp rtęciowych powierzchnia kwarcowej lampy ekscymerowej nie nagrzewa się. W rezultacie większość lamp ekscymerowych działa z niewielkim lub żadnym chłodzeniem. W innych przypadkach wymagany jest niski poziom chłodzenia, który zwykle zapewnia gazowy azot. Ze względu na stabilność termiczną lampy, lampy ekscymerowe można natychmiast włączyć/wyłączyć i nie wymagają cykli nagrzewania ani schładzania.
Kiedy lampy ekscymerowe emitujące promieniowanie o długości fali 172 nm zostaną zintegrowane w połączeniu zarówno z quasi-monochromatycznymi systemami utwardzania UVA-LED, jak i szerokopasmowymi lampami rtęciowymi, uzyskuje się efekt matowej powierzchni. Lampy UVA LED są najpierw używane do żelowania chemii. Następnie do polimeryzacji powierzchni stosuje się quasi-monochromatyczne lampy ekscymerowe, a na koniec szerokopasmowe lampy rtęciowe sieciują resztę chemii. Unikalna moc widmowa trzech technologii zastosowanych w oddzielnych etapach zapewnia korzystne efekty optyczne i funkcjonalne utwardzania powierzchni, których nie można osiągnąć samodzielnie za pomocą żadnego źródła UV.
Długości fal ekscymerowych 172 i 222 nm są również skuteczne w niszczeniu niebezpiecznych substancji organicznych i szkodliwych bakterii, co sprawia, że lampy ekscymerowe są praktyczne do czyszczenia, dezynfekcji i obróbki powierzchniowej energią.
Życie lampy
Jeśli chodzi o żywotność lamp lub żarówek, lampy łukowe GEW zazwyczaj wynoszą do 2000 godzin. Żywotność lampy nie jest wartością bezwzględną, ponieważ moc promieniowania UV stopniowo maleje z biegiem czasu i zależy od różnych czynników. Konstrukcja i jakość lampy, a także warunki pracy systemu UV i reaktywność preparatu mają znaczenie. Odpowiednio zaprojektowane systemy UV zapewniają odpowiednią moc i chłodzenie wymagane przez konkretną konstrukcję lampy (żarówki).
Lampy (żarówki) dostarczane przez GEW zawsze zapewniają najdłuższą żywotność, gdy są stosowane w systemach utwardzania GEW. Wtórne źródła dostaw zazwyczaj poddały inżynierii wstecznej lampę na podstawie próbki, a kopie mogą różnić się od siebie końcówkami, średnicą kwarcu, zawartością rtęci lub mieszaniną gazów, co może mieć wpływ na moc promieniowania UV i wytwarzanie ciepła. Kiedy wytwarzanie ciepła nie jest zrównoważone z chłodzeniem systemu, lampa cierpi zarówno na wydajności, jak i na trwałości. Chłodniejsze lampy emitują mniej promieniowania UV. Lampy, które się nagrzewają, nie są tak trwałe i wypaczają się przy wysokich temperaturach powierzchni.
Żywotność lamp łukowych jest ograniczona temperaturą roboczą lampy, liczbą godzin pracy oraz liczbą uruchomień lub uderzeń. Za każdym razem, gdy podczas rozruchu lampa zostaje uderzona łukiem wysokiego napięcia, część elektrody wolframowej ulega zużyciu. Ostatecznie lampa nie zapali się ponownie. Lampy łukowe elektrodowe zawierają mechanizmy przesłonowe, które po włączeniu blokują emisję promieniowania UV, co stanowi alternatywę dla wielokrotnego przełączania mocy lampy. Bardziej reaktywne atramenty, powłoki i kleje mogą skutkować dłuższą żywotnością lampy; natomiast mniej reaktywne preparaty mogą wymagać częstszych zmian lampy.
Systemy UV-LED są z natury trwalsze niż konwencjonalne lampy, ale trwałość UV-LED również nie jest absolutna. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnych lamp, diody UV LED mają ograniczenia w zakresie siły, z jaką mogą być zasilane i generalnie muszą działać przy temperaturach złączy poniżej 120°C. Przesterowanie diod LED i niedostateczne chłodzenie diod LED pogarszają żywotność, powodując szybszą degradację lub katastrofalną awarię. Nie wszyscy dostawcy systemów UV-LED oferują obecnie konstrukcje, które spełniają najwyższe ustalone czasy życia przekraczające 20 000 godzin. Lepiej zaprojektowane i utrzymywane systemy wytrzymają ponad 20 000 godzin, a gorsze systemy ulegną awarii w znacznie krótszym czasie. Dobra wiadomość jest taka, że projekty systemów LED są stale udoskonalane i wytrzymują dłużej z każdą iteracją projektową.
Ozon
Kiedy krótsze fale UVC oddziałują na cząsteczki tlenu (O2), powodują podział cząsteczek tlenu (O2) na dwa atomy tlenu (O). Wolne atomy tlenu (O) zderzają się następnie z innymi cząsteczkami tlenu (O2) i tworzą ozon (O3). Ponieważ trójtlen (O3) jest mniej stabilny na poziomie gruntu niż ditlen (O2), ozon łatwo przekształca się w cząsteczkę tlenu (O2) i atom tlenu (O), gdy unosi się w powietrzu atmosferycznym. Wolne atomy tlenu (O) łączą się następnie ze sobą w układzie wydechowym, tworząc cząsteczki tlenu (O2).
W przemysłowych zastosowaniach utwardzania promieniami UV ozon (O3) powstaje, gdy tlen atmosferyczny wchodzi w interakcję z falami ultrafioletowymi poniżej 240 nm. Szerokopasmowe źródła utwardzania rtęciowego emitują promieniowanie UVC o długości fali od 200 do 280 nm, które pokrywa się z częścią obszaru wytwarzającego ozon, natomiast lampy ekscymerowe emitują próżniowe promieniowanie UV o długości fali 172 nm lub UVC o długości fali 222 nm. Ozon wytwarzany przez lampy rtęciowe i ekscymerowe jest niestabilny i nie stanowi istotnego zagrożenia dla środowiska, konieczne jest jednak jego usunięcie z bezpośredniego otoczenia pracowników, ponieważ działa drażniąco na drogi oddechowe i jest toksyczny w dużych stężeniach. Ponieważ komercyjne systemy utwardzania UV-LED emitują promieniowanie UVA w zakresie od 365 do 405 nm, ozon nie jest wytwarzany.
Ozon ma zapach podobny do zapachu metalu, płonącego drutu, chloru i iskry elektrycznej. Ludzkie zmysły węchu potrafią wykryć ozon w stężeniu zaledwie od 0,01 do 0,03 części na milion (ppm). Chociaż różni się to w zależności od osoby i poziomu aktywności, stężenia większe niż 0,4 ppm mogą prowadzić do niekorzystnych skutków dla układu oddechowego i bólów głowy. Na liniach utwardzania promieniami UV należy zainstalować odpowiednią wentylację, aby ograniczyć narażenie pracowników na ozon.
Systemy utwardzania promieniami UV są zazwyczaj projektowane tak, aby zatrzymywać powietrze wylotowe opuszczające głowice lamp i odprowadzać je kanałami z dala od operatorów na zewnątrz budynku, gdzie w naturalny sposób rozkłada się w obecności tlenu i światła słonecznego. Alternatywnie lampy bezozonowe zawierają dodatek kwarcowy, który blokuje długości fal wytwarzające ozon, a obiekty chcące uniknąć prowadzenia kanałów lub wycinania otworów w dachu często stosują filtry na wyjściu wentylatorów wyciągowych.
Czas publikacji: 19 czerwca 2024 r
