Ortuťové pary, svetelné diódy (LED) a excimerové lampy sú odlišné technológie UV vytvrdzovania. Hoci sa všetky tri používajú v rôznych fotopolymerizačných procesoch na zosieťovanie farieb, náterov, lepidiel a extrúzií, mechanizmy generujúce vyžarovanú UV energiu, ako aj charakteristiky zodpovedajúceho spektrálneho výstupu, sú úplne odlišné. Pochopenie týchto rozdielov je kľúčové pri vývoji aplikácií a formulácií, výbere zdroja UV vytvrdzovania a integrácii.
Ortuťové výbojky
Elektródové oblúkové výbojky aj bezelektródové mikrovlnné výbojky patria do kategórie ortuťových výbojok. Ortuťové výbojky sú typom strednotlakových plynových výbojok, v ktorých sa malé množstvo elementárnej ortuti a inertného plynu odparuje do plazmy vo vnútri utesnenej kremennej trubice. Plazma je ionizovaný plyn s neuveriteľne vysokou teplotou, ktorý je schopný viesť elektrický prúd. Vyrába sa privedením elektrického napätia medzi dve elektródy v oblúkovej výbojke alebo ohrevom bezelektródovej výbojky v mikrovlnnom médiu vo vnútri krytu alebo dutiny, ktorá je svojou koncepciou podobná domácej mikrovlnnej rúre. Po odparení ortuťová plazma vyžaruje širokospektrálne svetlo v ultrafialovom, viditeľnom a infračervenom žiarení.
V prípade elektrickej oblúkovej lampy privedené napätie napája utesnenú kremennú trubicu. Táto energia odparuje ortuť do plazmy a uvoľňuje elektróny z odparených atómov. Časť elektrónov (-) prúdi smerom k kladnej volfrámovej elektróde alebo anóde (+) lampy a do elektrického obvodu UV systému. Atómy s novo chýbajúcimi elektrónmi sa stávajú kladne nabitými katiónmi (+), ktoré prúdia smerom k záporne nabitej volfrámovej elektróde alebo katóde (-) lampy. Pri svojom pohybe katióny narážajú na neutrálne atómy v plynnej zmesi. Náraz prenáša elektróny z neutrálnych atómov na katióny. Keď katióny získavajú elektróny, prechádzajú do stavu s nižšou energiou. Energetický rozdiel sa vybíja ako fotóny, ktoré vyžarujú smerom von z kremennej trubice. Za predpokladu, že lampa je vhodne napájaná, správne chladená a prevádzkovaná v rámci svojej životnosti, stály prísun novovytvorených katiónov (+) gravituje k zápornej elektróde alebo katóde (-), naráža na ďalšie atómy a vytvára nepretržité vyžarovanie UV svetla. Mikrovlnné lampy fungujú podobným spôsobom, s tým rozdielom, že mikrovlny, známe aj ako rádiofrekvenčné (RF), nahrádzajú elektrický obvod. Keďže mikrovlnné lampy nemajú volfrámové elektródy a sú to jednoducho utesnené kremenné trubice obsahujúce ortuť a inertný plyn, bežne sa označujú ako bezelektródové.
UV výstup širokospektrálnych ortuťových výbojok pokrýva ultrafialové, viditeľné a infračervené vlnové dĺžky v približne rovnakom pomere. Ultrafialová časť zahŕňa zmes vlnových dĺžok UVC (200 až 280 nm), UVB (280 až 315 nm), UVA (315 až 400 nm) a UVV (400 až 450 nm). Výbojky, ktoré vyžarujú UVC vo vlnových dĺžkach pod 240 nm, vytvárajú ozón a vyžadujú odsávanie alebo filtráciu.
Spektrálny výstup ortuťovej výbojky je možné zmeniť pridaním malého množstva dopantov, ako sú: železo (Fe), gálium (Ga), olovo (Pb), cín (Sn), bizmut (Bi) alebo indium (In). Pridané kovy menia zloženie plazmy a následne energiu uvoľnenú pri prijímaní elektrónov katiónmi. Výbojky s pridanými kovmi sa označujú ako dopované, aditívne a halogenidové výbojky. Väčšina atramentov, náterov, lepidiel a extrúzií s UV formuláciou je navrhnutá tak, aby zodpovedala výstupu štandardných výbojok dopovaných ortuťou (Hg) alebo železom (Fe). Výbojky dopované železom posúvajú časť UV výstupu na dlhšie, takmer viditeľné vlnové dĺžky, čo vedie k lepšiemu prenikaniu cez hrubšie, silne pigmentované formulácie. UV formulácie obsahujúce oxid titaničitý majú tendenciu lepšie vytvrdzovať s výbojkami dopovanými gáliom (GA). Je to preto, že gáliové výbojky posúvajú významnú časť UV výstupu smerom k vlnovým dĺžkam dlhším ako 380 nm. Keďže prísady oxidu titaničitého vo všeobecnosti neabsorbujú svetlo nad 380 nm, použitie gáliových lámp s bielymi formuláciami umožňuje fotoiniciátorom absorbovať viac UV energie v porovnaní s prísadami.
Spektrálne profily poskytujú formulátorom a koncovým používateľom vizuálne znázornenie toho, ako je vyžarovaný výkon pre konkrétnu konštrukciu lampy rozložený v celom elektromagnetickom spektre. Zatiaľ čo odparená ortuť a aditívne kovy majú definované radiačné charakteristiky, presná zmes prvkov a inertných plynov vo vnútri kremennej trubice spolu s konštrukciou lampy a návrhom systému vytvrdzovania ovplyvňujú UV výkon. Spektrálny výkon neintegrovanej lampy napájanej a meranej dodávateľom lampy v otvorenom priestore bude mať iný spektrálny výkon ako lampa namontovaná v hlave lampy so správne navrhnutým reflektorom a chladením. Spektrálne profily sú ľahko dostupné od dodávateľov UV systémov a sú užitočné pri vývoji formulácií a výbere lampy.
Bežný spektrálny profil zobrazuje spektrálnu ožiarenosť na osi y a vlnovú dĺžku na osi x. Spektrálna ožiarenosť sa môže zobraziť niekoľkými spôsobmi vrátane absolútnej hodnoty (napr. W/cm2/nm) alebo ľubovoľných, relatívnych alebo normalizovaných (bezjednotkových) mier. Profily bežne zobrazujú informácie buď ako čiarový graf, alebo ako stĺpcový graf, ktorý zoskupuje výstup do pásiem s vlnovou dĺžkou 10 nm. Nasledujúci graf spektrálneho výstupu ortuťovej oblúkovej lampy zobrazuje relatívnu ožiarenosť vzhľadom na vlnovú dĺžku pre systémy GEW (obrázok 1).
OBRÁZOK 1 »Spektrálne výstupné grafy pre ortuť a železo.
Termín „lampa“ sa v Európe a Ázii používa na označenie kremennej trubice vyžarujúcej UV žiarenie, zatiaľ čo v Severnej a Južnej Amerike sa zvyčajne používa zameniteľná kombinácia žiarovky a lampy. Lampa aj hlava lampy označujú celú zostavu, ktorá obsahuje kremennú trubicu a všetky ostatné mechanické a elektrické komponenty.
Elektródové oblúkové lampy
Systémy elektródových oblúkových lámp pozostávajú z hlavy lampy, chladiaceho ventilátora alebo chladiča, napájacieho zdroja a rozhrania človek-stroj (HMI). Hlava lampy obsahuje lampu (žiarovku), reflektor, kovové puzdro alebo kryt, zostavu uzávierky a niekedy aj kremenné okienko alebo drôtený ochranný kryt. Spoločnosť GEW montuje svoje kremenné trubice, reflektory a mechanizmy uzávierky do kaziet, ktoré sa dajú ľahko vybrať z vonkajšieho krytu alebo puzdra hlavy lampy. Odstránenie kazety GEW sa zvyčajne vykonáva v priebehu niekoľkých sekúnd pomocou jediného imbusového kľúča. Keďže UV výkon, celková veľkosť a tvar hlavy lampy, vlastnosti systému a potreby pomocného vybavenia sa líšia v závislosti od aplikácie a trhu, systémy elektródových oblúkových lámp sú vo všeobecnosti navrhnuté pre danú kategóriu aplikácií alebo podobné typy strojov.
Ortuťové výbojky vyžarujú z kremennej trubice svetlo v uhle 360°. Systémy s oblúkovými výbojkami používajú reflektory umiestnené po stranách a zadnej strane výbojky na zachytenie a zaostrenie väčšieho množstva svetla do určenej vzdialenosti pred hlavou výbojky. Táto vzdialenosť sa nazýva ohnisko a je to miesto, kde je ožiarenie najväčšie. Oblúkové výbojky zvyčajne vyžarujú v ohnisku v rozsahu 5 až 12 W/cm2. Keďže približne 70 % UV žiarenia z hlavy výbojky pochádza z reflektora, je dôležité udržiavať reflektory čisté a pravidelne ich vymieňať. Nečistenie alebo nevymieňanie reflektorov je častým prispievateľom k nedostatočnému vytvrdnutiu.
Spoločnosť GEW už viac ako 30 rokov zlepšuje účinnosť svojich vytvrdzovacích systémov, prispôsobuje funkcie a výkon potrebám špecifických aplikácií a trhov a vyvíja rozsiahle portfólio integračného príslušenstva. Výsledkom je, že dnešné komerčné ponuky od spoločnosti GEW zahŕňajú kompaktné konštrukcie krytov, reflektory optimalizované pre vyššiu odrazivosť UV žiarenia a zníženie infračerveného žiarenia, tiché integrované mechanizmy uzávierky, lemovanie a drážky pásu, podávanie pásu v tvare mušle, inerciu dusíkom, pretlakové hlavy, dotykové rozhranie operátora, polovodičové napájacie zdroje, vyššiu prevádzkovú účinnosť, monitorovanie UV výstupu a diaľkové monitorovanie systému.
Keď sú v prevádzke strednotlakové elektródové lampy, teplota kremenného povrchu je medzi 600 °C a 800 °C a vnútorná teplota plazmy je niekoľko tisíc stupňov Celzia. Nútený vzduch je primárnym prostriedkom na udržanie správnej prevádzkovej teploty lampy a odvádzanie časti vyžarovanej infračervenej energie. Systémy GEW (Generálne vlnovodné chladenie) dodávajú tento vzduch negatívne; to znamená, že vzduch je preťahovaný cez puzdro, pozdĺž reflektora a lampy a vyfukovaný von zo zostavy a preč od stroja alebo vytvrdzovacieho povrchu. Niektoré systémy GEW, ako napríklad E4C, využívajú kvapalinové chladenie, ktoré umožňuje mierne vyšší UV výkon a znižuje celkovú veľkosť hlavy lampy.
Elektródové oblúkové lampy majú cykly zahrievania a chladenia. Lampy sa zapaľujú s minimálnym chladením. To umožňuje ortuťovej plazme stúpnuť na požadovanú prevádzkovú teplotu, produkovať voľné elektróny a katióny a umožniť tok prúdu. Po vypnutí hlavy lampy chladenie pokračuje ešte niekoľko minút, aby sa rovnomerne ochladila kremenná trubica. Príliš teplá lampa sa znovu nezapáli a musí sa naďalej chladiť. Dĺžka cyklu zapaľovania a chladenia, ako aj degradácia elektród počas každého zapálenia napätia, sú dôvodom, prečo sú do zostáv elektródových oblúkových lámp GEW vždy integrované pneumatické uzáverové mechanizmy. Obrázok 2 znázorňuje vzduchom chladené (E2C) a kvapalinou chladené (E4C) elektródové oblúkové lampy.
OBRÁZOK 2 »Kvapalinou chladené (E4C) a vzduchom chladené (E2C) elektródové oblúkové výbojky.
UV LED lampy
Polovodiče sú pevné, kryštalické materiály, ktoré sú do istej miery vodivé. Elektrina preteká polovodičom lepšie ako izolantom, ale nie tak dobre ako kovovým vodičom. Medzi prirodzene sa vyskytujúce, ale skôr neefektívne polovodiče patria prvky kremík, germánium a selén. Synteticky vyrobené polovodiče určené pre výkon a účinnosť sú zložené materiály s nečistotami presne impregnovanými v kryštálovej štruktúre. V prípade UV LED diód je bežne používaným materiálom nitrid hlinito-gália (AlGaN).
Polovodiče sú základom modernej elektroniky a sú navrhnuté tak, aby tvorili tranzistory, diódy, svetelné diódy a mikroprocesory. Polovodičové súčiastky sú integrované do elektrických obvodov a montované do produktov, ako sú mobilné telefóny, notebooky, tablety, spotrebiče, lietadlá, autá, diaľkové ovládače a dokonca aj detské hračky. Tieto drobné, ale výkonné súčiastky umožňujú fungovanie bežných produktov a zároveň umožňujú, aby boli predmety kompaktnejšie, tenšie, ľahké a cenovo dostupnejšie.
V špeciálnom prípade LED diód, presne navrhnuté a vyrobené polovodičové materiály vyžarujú relatívne úzke vlnové dĺžky svetla, keď sú pripojené k zdroju jednosmerného prúdu. Svetlo sa generuje iba vtedy, keď prúd preteká z kladnej anódy (+) do zápornej katódy (-) každej LED diódy. Keďže výstup LED diódy je rýchlo a ľahko ovládateľný a je kvázi monochromatický, LED diódy sú ideálne na použitie ako: indikátory, infračervené komunikačné signály, podsvietenie televízorov, notebookov, tabletov a smartfónov, elektronické reklamné tabule, billboardy a jumbotrony, a na vytvrdzovanie UV žiarením.
LED dióda je kladno-záporný prechod (pn prechod). To znamená, že jedna časť LED diódy má kladný náboj a označuje sa ako anóda (+) a druhá časť má záporný náboj a označuje sa ako katóda (-). Zatiaľ čo obe strany sú relatívne vodivé, hranica prechodu, kde sa obe strany stretávajú, známa ako zóna vyčerpania, nie je vodivá. Keď je kladný (+) pól zdroja jednosmerného prúdu (DC) pripojený k anóde (+) LED diódy a záporný (-) pól zdroja je pripojený ku katóde (-), záporne nabité elektróny v katóde a kladne nabité voľné miesta v anóde sú zdrojom energie odpudzované a tlačené smerom k zóne vyčerpania. Toto je priame predpätie a má za následok prekonanie nevodivej hranice. Výsledkom je, že voľné elektróny v oblasti typu n sa pretínajú a zapĺňajú voľné miesta v oblasti typu p. Keď elektróny prúdia cez hranicu, prechádzajú do stavu s nižšou energiou. Príslušný pokles energie sa uvoľňuje z polovodiča ako fotóny svetla.
Materiály a prímesi, ktoré tvoria kryštalickú štruktúru LED, určujú spektrálny výstup. V súčasnosti majú komerčne dostupné vytvrdzovacie zdroje LED ultrafialový výstup so stredom pri 365, 385, 395 a 405 nm, typickú toleranciu ±5 nm a Gaussovo spektrálne rozloženie. Čím väčšia je špičková spektrálna ožiarenie (W/cm2/nm), tým vyšší je vrchol krivky. Zatiaľ čo vývoj UVC žiarenia medzi 275 a 285 nm stále prebieha, výstup, životnosť, spoľahlivosť a náklady ešte nie sú komerčne realizovateľné pre vytvrdzovacie systémy a aplikácie.
Keďže výstup UV-LED je v súčasnosti obmedzený na dlhšie vlnové dĺžky UVA, vytvrdzovací systém UV-LED nevyžaruje širokopásmový spektrálny výstup charakteristický pre strednotlakové ortuťové výbojky. To znamená, že vytvrdzovacie systémy UV-LED nevyžarujú UVC, UVB, väčšinu viditeľného svetla a infračervené vlnové dĺžky generujúce teplo. Hoci to umožňuje použitie vytvrdzovacích systémov UV-LED v aplikáciách citlivejších na teplo, existujúce farby, nátery a lepidlá určené pre strednotlakové ortuťové výbojky musia byť preformulované pre vytvrdzovacie systémy UV-LED. Našťastie, dodávatelia chemikálií čoraz častejšie navrhujú ponuky ako produkty s dvojitým vytvrdzovaním. To znamená, že formulácia s dvojitým vytvrdzovaním určená na vytvrdzovanie UV-LED lampou bude tiež vytvrdzovať ortuťovou výbojkou (obrázok 3).
OBRÁZOK 3 »Spektrálny výstupný graf pre LED.
UV-LED vytvrdzovacie systémy GEW vyžarujú v okienku vyžarovania až 30 W/cm2. Na rozdiel od elektródových oblúkových lámp, UV-LED vytvrdzovacie systémy neobsahujú reflektory, ktoré by smerovali svetelné lúče do koncentrovaného ohniska. V dôsledku toho sa špičkové ožiarenie UV-LED vyskytuje v blízkosti okienka vyžarovania. Vyžarované UV-LED lúče sa od seba rozbiehajú so zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi hlavou lampy a vytvrdzovaným povrchom. To znižuje koncentráciu svetla a veľkosť ožiarenia, ktoré dosahuje vytvrdzovaný povrch. Zatiaľ čo špičkové ožiarenie je dôležité pre zosieťovanie, stále vyššie ožiarenie nie je vždy výhodné a môže dokonca brániť väčšej hustote zosieťovania. Vlnová dĺžka (nm), ožiarenie (W/cm2) a hustota energie (J/cm2) zohrávajú pri vytvrdzovaní kľúčovú úlohu a ich kolektívny vplyv na vytvrdzovanie by sa mal pri výbere zdroja UV-LED správne pochopiť.
LED diódy sú Lambertovské zdroje. Inými slovami, každá UV LED dióda vyžaruje rovnomerný priamy výstup cez celú hemisféru s rozmermi 360° x 180°. Množstvo UV LED diód, každá s rozmermi rádovo jedného štvorcového milimetra, je usporiadaných v jednom riadku, matici riadkov a stĺpcov alebo v inej konfigurácii. Tieto podzostavy, známe ako moduly alebo polia, sú navrhnuté s rozostupmi medzi LED diódami, ktoré zabezpečujú prelínanie svetla cez medzery a uľahčujú chladenie diód. Viaceré moduly alebo polia sú potom usporiadané do väčších zostáv, aby vytvorili rôzne veľkosti UV vytvrdzovacích systémov (obrázky 4 a 5). Medzi ďalšie komponenty potrebné na zostavenie UV-LED vytvrdzovacieho systému patrí chladič, emitujúce okno, elektronické ovládače, jednosmerné napájacie zdroje, kvapalinový chladiaci systém alebo chladič a rozhranie človek-stroj (HMI).
OBRÁZOK 4 »Systém LeoLED pre web.
OBRÁZOK 5 »Systém LeoLED pre vysokorýchlostné inštalácie s viacerými zdrojmi.
Keďže UV-LED vytvrdzovacie systémy nevyžarujú infračervené vlnové dĺžky, prenášajú na vytvrdzovaný povrch inherentne menej tepelnej energie ako ortuťové výbojky, to však neznamená, že UV LED by sa mali považovať za technológiu vytvrdzovania za studena. UV-LED vytvrdzovacie systémy môžu vyžarovať veľmi vysoké špičkové ožiarenie a ultrafialové vlnové dĺžky sú formou energie. Akýkoľvek výstup, ktorý chemická látka neabsorbuje, zahreje podkladovú časť alebo substrát, ako aj okolité komponenty stroja.
UV LED diódy sú tiež elektrické súčiastky s neefektívnosťou spôsobenou konštrukciou a výrobou polovodičov, ako aj výrobnými metódami a komponentmi použitými na balenie LED diód do väčšej vytvrdzovacej jednotky. Zatiaľ čo teplota ortuťovej kremennej trubice sa musí počas prevádzky udržiavať medzi 600 a 800 °C, teplota pn prechodu LED diódy musí zostať pod 120 °C. Iba 35 – 50 % elektriny napájajúcej pole UV-LED diód sa premieňa na ultrafialový výkon (veľmi závislý od vlnovej dĺžky). Zvyšok sa premieňa na tepelné teplo, ktoré sa musí odvádzať, aby sa udržala požadovaná teplota prechodu a zabezpečila sa špecifikovaná ožiarenie systému, hustota energie a rovnomernosť, ako aj dlhá životnosť. LED diódy sú vo svojej podstate dlhotrvajúce polovodičové zariadenia a integrácia LED diód do väčších zostáv so správne navrhnutými a udržiavanými chladiacimi systémami je kľúčová pre dosiahnutie špecifikácií dlhej životnosti. Nie všetky systémy vytvrdzovania UV diódami sú rovnaké a nesprávne navrhnuté a chladené systémy vytvrdzovania UV-LED diód majú väčšiu pravdepodobnosť prehriatia a katastrofického zlyhania.
Hybridné oblúkové/LED lampy
Na každom trhu, kde sa zavádza úplne nová technológia ako náhrada za existujúcu technológiu, sa môžu vyskytnúť obavy z jej prijatia, ako aj skepticizmus voči jej výkonu. Potenciálni používatelia často odkladajú prijatie, kým sa nevytvorí dobre zavedená základňa, nezverejnia sa prípadové štúdie, nezačnú sa hromadne šíriť pozitívne referencie a/alebo kým nezískajú skúsenosti z prvej ruky či referencie od jednotlivcov a spoločností, ktorých poznajú a ktorým dôverujú. Predtým, ako sa celý trh úplne vzdá starého a úplne prejde na nové, sú často potrebné hmatateľné dôkazy. Nepomáha ani to, že úspešné príbehy bývajú prísne utajované, pretože prví používatelia nechcú, aby konkurenti dosiahli porovnateľné výhody. V dôsledku toho sa skutočným aj prehnaným príbehom o sklamaní niekedy môže trh šíriť, maskovať skutočné výhody novej technológie a ďalej odďaľovať prijatie.
V priebehu histórie a ako protiváha neochotnému prijatiu boli hybridné dizajny často prijímané ako prechodný most medzi etablovanými a novými technológiami. Hybridy umožňujú používateľom získať sebavedomie a sami si určiť, ako a kedy by sa mali nové produkty alebo metódy používať bez toho, aby obetovali súčasné možnosti. V prípade UV vytvrdzovania umožňuje hybridný systém používateľom rýchlo a jednoducho prepínať medzi ortuťovými výbojkami a LED technológiou. Pri linkách s viacerými vytvrdzovacími stanicami umožňujú hybridné tlačiarne prevádzkovať 100 % LED, 100 % ortuťové výbojky alebo akúkoľvek kombináciu týchto dvoch technológií, ktorá je potrebná pre danú úlohu.
Spoločnosť GEW ponúka hybridné systémy oblúkových/LED diód pre web konvertory. Riešenie bolo vyvinuté pre najväčší trh spoločnosti GEW, úzky trh s etiketami, ale hybridný dizajn má uplatnenie aj v iných webových aj newebových aplikáciách (obrázok 6). Oblúková/LED dióda obsahuje spoločné puzdro hlavy lampy, ktoré môže obsahovať buď ortuťovú kazetu, alebo LED kazetu. Obe kazety sú napájané univerzálnym systémom napájania a riadenia. Inteligencia v systéme umožňuje rozlišovanie medzi typmi kaziet a automaticky poskytuje vhodné napájanie, chladenie a rozhranie pre obsluhu. Odstránenie alebo inštalácia ortuťovej alebo LED kazety od spoločnosti GEW sa zvyčajne vykonáva v priebehu niekoľkých sekúnd pomocou jediného imbusového kľúča.
OBRÁZOK 6 »Arc/LED systém pre web.
Excimerové lampy
Excimérové lampy sú typom plynovej výbojky, ktorá vyžaruje kvázi-monochromatickú ultrafialovú energiu. Hoci sú excimérové lampy dostupné v mnohých vlnových dĺžkach, bežné ultrafialové výstupy sú sústredené na 172, 222, 308 a 351 nm. Excimérové lampy s vlnovou dĺžkou 172 nm spadajú do vákuového UV pásma (100 až 200 nm), zatiaľ čo 222 nm je výlučne UVC (200 až 280 nm). Excimérové lampy s vlnovou dĺžkou 308 nm vyžarujú UVB (280 až 315 nm) a 351 nm je čisto UVA (315 až 400 nm).
Vlnové dĺžky vákuového UV žiarenia s vlnovou dĺžkou 172 nm sú kratšie a obsahujú viac energie ako UVC; majú však problém preniknúť veľmi hlboko do látok. Vlnové dĺžky 172 nm sú v skutočnosti úplne absorbované v horných 10 až 200 nm chemických zlúčenín formulovaných UV žiarením. V dôsledku toho excimerové lampy s vlnovou dĺžkou 172 nm zosieťujú iba vonkajší povrch UV formulácií a musia byť integrované v kombinácii s inými vytvrdzovacími zariadeniami. Keďže vákuové UV vlnové dĺžky sú absorbované aj vzduchom, excimerové lampy s vlnovou dĺžkou 172 nm musia byť prevádzkované v atmosfére inertizovanej dusíkom.
Väčšina excimerových lámp pozostáva z kremennej trubice, ktorá slúži ako dielektrická bariéra. Trubica je naplnená vzácnymi plynmi schopnými tvoriť excimerové alebo exciplexové molekuly (obrázok 7). Rôzne plyny produkujú rôzne molekuly a rôzne excitované molekuly určujú, ktoré vlnové dĺžky lampa vyžaruje. Pozdĺž vnútornej dĺžky kremennej trubice prebieha vysokonapäťová elektróda a pozdĺž vonkajšej dĺžky uzemňovacie elektródy. Do lampy sú pulzované napätia s vysokými frekvenciami. To spôsobuje, že elektróny prúdia vo vnútri vnútornej elektródy a vybíjajú sa cez zmes plynov smerom k vonkajším uzemňovacím elektródam. Tento vedecký jav je známy ako dielektrický bariérový výboj (DBD). Keď elektróny prechádzajú plynom, interagujú s atómami a vytvárajú energizované alebo ionizované častice, ktoré produkujú excimerové alebo exciplexové molekuly. Excimerové a exciplexové molekuly majú neuveriteľne krátku životnosť a keď sa rozkladajú z excitovaného stavu do základného stavu, vyžarujú sa fotóny s kvázi-monochromatickým rozložením.
OBRÁZOK 7 »Excimerová lampa
Na rozdiel od ortuťových výbojok sa povrch kremennej trubice excimerovej výbojky nezahrieva. V dôsledku toho väčšina excimerových výbojok pracuje s malým alebo žiadnym chladením. V iných prípadoch je potrebná nízka úroveň chladenia, ktorú zvyčajne zabezpečuje plynný dusík. Vďaka tepelnej stabilite výbojky sa excimerové výbojky okamžite zapínajú a vypínajú a nevyžadujú žiadne cykly zahrievania ani chladenia.
Keď sa excimerové lampy vyžarujúce s vlnovou dĺžkou 172 nm integrujú v kombinácii s kvázi-monochromatickými UVA-LED vytvrdzovacími systémami a širokopásmovými ortuťovými výbojkami, vytvárajú sa matné povrchové efekty. UVA LED lampy sa najprv použijú na gélovanie chemickej látky. Kvázi-monochromatické excimerové lampy sa potom použijú na polymerizáciu povrchu a nakoniec širokopásmové ortuťové výbojky zosieťujú zvyšok chemickej látky. Unikátne spektrálne výstupy troch technológií aplikovaných v samostatných fázach poskytujú priaznivé optické a funkčné efekty povrchovej vytvrdzovania, ktoré sa nedajú dosiahnuť so žiadnym z UV zdrojov samostatne.
Excimerové vlnové dĺžky 172 a 222 nm sú tiež účinné pri ničení nebezpečných organických látok a škodlivých baktérií, vďaka čomu sú excimerové lampy praktické na čistenie povrchov, dezinfekciu a úpravu povrchovej energie.
Životnosť lampy
Pokiaľ ide o životnosť lampy alebo žiarovky, oblúkové lampy GEW zvyčajne dosahujú až 2 000 hodín. Životnosť lampy nie je absolútna, pretože UV výkon postupne klesá v priebehu času a je ovplyvnený rôznymi faktormi. Konštrukcia a kvalita lampy, ako aj prevádzkové podmienky UV systému a reaktivita zloženia. Správne navrhnuté UV systémy zabezpečujú, že je zabezpečený správny výkon a chladenie požadované konkrétnou konštrukciou lampy (žiarovky).
Lampy (žiarovky) dodávané spoločnosťou GEW vždy poskytujú najdlhšiu životnosť pri použití v systémoch vytvrdzovania GEW. Sekundárne zdroje napájania zvyčajne spätne skonštruovali lampu zo vzorky a kópie nemusia obsahovať rovnaký koncový prvok, priemer kremeňa, obsah ortuti alebo zmes plynov, čo všetko môže ovplyvniť UV výkon a tvorbu tepla. Ak nie je tvorba tepla vyvážená chladením systému, trpí lampa výkonom aj životnosťou. Lampy, ktoré pracujú chladnejšie, vyžarujú menej UV žiarenia. Lampy, ktoré sa viac zahrievajú, nevydržia tak dlho a pri vysokých povrchových teplotách sa deformujú.
Životnosť elektródových oblúkových lámp je obmedzená prevádzkovou teplotou lampy, počtom prevádzkových hodín a počtom štartov alebo zapálení. Pri každom zapálení lampy vysokonapäťovým oblúkom počas štartu sa časť volfrámovej elektródy opotrebuje. Nakoniec sa lampa znovu nezapáli. Elektródové oblúkové lampy obsahujú mechanizmy uzávierky, ktoré po aktivácii blokujú UV výstup ako alternatívu k opakovanému vypínaniu a vypínaniu lampy. Reaktívnejšie farby, nátery a lepidlá môžu viesť k dlhšej životnosti lampy, zatiaľ čo menej reaktívne zloženia môžu vyžadovať častejšiu výmenu lámp.
Systémy UV-LED majú vo svojej podstate dlhšiu životnosť ako konvenčné lampy, ale životnosť UV-LED nie je absolútna. Rovnako ako konvenčné lampy, aj UV LED majú obmedzenia v tom, ako silno ich možno napájať, a vo všeobecnosti musia pracovať s teplotami spojov pod 120 °C. Preťaženie LED diód a nedostatočné chladenie LED diód ohrozí ich životnosť, čo vedie k rýchlejšej degradácii alebo katastrofickému zlyhaniu. Nie všetci dodávatelia systémov UV-LED v súčasnosti ponúkajú návrhy, ktoré spĺňajú najvyššiu stanovenú životnosť presahujúcu 20 000 hodín. Lepšie navrhnuté a udržiavané systémy vydržia viac ako 20 000 hodín a menej kvalitné systémy zlyhajú v oveľa kratšom čase. Dobrou správou je, že návrhy systémov LED sa neustále zlepšujú a vydržia dlhšie s každou iteráciou návrhu.
Ozón
Keď kratšie vlnové dĺžky UVC žiarenia narazia na molekuly kyslíka (O2), spôsobia ich rozdelenie na dva atómy kyslíka (O). Voľné atómy kyslíka (O) sa potom zrazia s inými molekulami kyslíka (O2) a vytvoria ozón (O3). Keďže trikyslík (O3) je na úrovni zeme menej stabilný ako dikyslík (O2), ozón sa pri prechode atmosférickým vzduchom ľahko mení na molekulu kyslíka (O2) a atóm kyslíka (O). Voľné atómy kyslíka (O) sa potom vo výfukovom systéme rekombinujú a vytvárajú molekuly kyslíka (O2).
Pri priemyselných aplikáciách UV vytvrdzovania vzniká ozón (O3) interakciou atmosférického kyslíka s ultrafialovými vlnovými dĺžkami pod 240 nm. Širokopásmové zdroje ortuťových par vytvrdzujúcich lámp emitujú UVC žiarenie medzi 200 a 280 nm, ktoré prekrýva časť oblasti generujúcej ozón, a excimérové lampy emitujú vákuové UV žiarenie pri 172 nm alebo UVC žiarenie pri 222 nm. Ozón vytvorený ortuťovými parami a excimérovými lampami je nestabilný a nepredstavuje významný environmentálny problém, ale je potrebné ho odstrániť z bezprostredného okolia pracovníkov, pretože dráždi dýchacie cesty a je toxický vo vysokých koncentráciách. Keďže komerčné UV-LED vytvrdzovacie systémy emitujú UVA žiarenie medzi 365 a 405 nm, ozón sa netvorí.
Ozón má zápach podobný zápachu kovu, horiaceho drôtu, chlóru a elektrickej iskry. Ľudské čuchové zmysly dokážu detekovať ozón v koncentráciách už od 0,01 do 0,03 častíc na milión (ppm). Hoci sa koncentrácie líšia v závislosti od osoby a úrovne aktivity, koncentrácie vyššie ako 0,4 ppm môžu viesť k nepriaznivým účinkom na dýchacie cesty a bolestiam hlavy. Na linkách na vytvrdzovanie UV žiarením by malo byť nainštalované správne vetranie, aby sa obmedzilo vystavenie pracovníkov ozónu.
UV vytvrdzovacie systémy sú vo všeobecnosti navrhnuté tak, aby zadržiavali odpadový vzduch, ktorý opúšťa hlavy lámp, aby mohol byť odvedený preč od obsluhy a mimo budovy, kde sa prirodzene rozkladá v prítomnosti kyslíka a slnečného žiarenia. Alternatívne, bezozónové lampy obsahujú kremennú prísadu, ktorá blokuje vlnové dĺžky generujúce ozón, a zariadenia, ktoré sa chcú vyhnúť potrubiu alebo rezaniu otvorov v streche, často používajú filtre na výstupe z odsávacích ventilátorov.
Čas uverejnenia: 19. júna 2024
