UV汞灯、UV LED光源及其测量

对于光固化的配方来说，一定需要有一个UV光源来激发配方中的光引发剂，产生自由基或者阳离子，然后才能引发剂聚合反应的进行，从而完成从液态到固态的转化过程。因此，对于光固化应用，UV光源是一个必须的硬件配置。今天我们就来谈谈UV光源，以及对光源的测量。

光源和能量的关系

光引发剂是一种光照下不稳定的分子，其分子中含有低离解能的化学键，可以在UV光的照射下发生断裂而形成自由基。紫外光所发射出来的是一定波长的光子，而光子的能量和其波长密切相关。通过著名的普朗克-爱因斯坦关系公式(Planck–Einstein Relation)，我们可以得到单个光子的能量值：

光子的能量和其波长成反比，波长越短，能量越高。使特定化学键产生离解的能量和某一波长范围的UV光相关，离解能越高，所需UV辐照的波长就越短。对于不同化学键的键能，其所需UV光的波长关系如图1所示。

图1 化学键的离解能和不同波长UV射线的能量之间的关系

UV的波段和特点

对于UV光，通常被分为UVA，UVB和UVC三个波段(图2)。对于光固化来讲， UV光源的发射波长一定要和光引发剂的吸收波长相匹配，才能发生光引发剂的裂解而生产自由基。这个匹配，可以通过对UV光源或光引发剂的调整和选择来达到。

图2 根据ISO21348对UVA，UVB和UVC的定义及相对应的能量

对于UV光还有一些其他的分类方法。根据ISO21348中对太阳辐射中UV光部分的分类如图3所示。除了ISO21348对UV的分类叫法以外，还有一个称呼叫做UVV，这个称呼将UVA的上限扩充到了450nm，不过这一称呼缺乏标准的定义，因此在不同场合可能会有差别。

图3 ISO21348中对太阳光中UV光谱段的分类名称

UV的穿透力

不同波长的光(更加准确的说法是电磁射线)穿透力是不同的，波长越长的光穿透能力越强，波长越短的光穿透能力越弱。对于UV涂料油墨来说，UVC和UVB几乎完全被表层的涂料油墨所吸收，穿透的深度在1-2微米，甚至更少。因此吸收波长在这个范围内的光引发剂更加适合表面固化。而长波长的UVA，以及UVV具有深得多的穿透深度，可以达到5-100微米，通常可以达到涂料油墨的底层，即基材界面。吸收波长在这个范围内的光引发剂更加适合深层固化。在实际配方中，通常会是不同光引发剂的组合，从而同时达到良好的表面固化和深层固化。

UV汞灯

光固化应用中被广泛使用的汞灯，更加准确的称呼叫做中压汞灯，其使用已经有数十年的历史。汞灯所发射的光谱除了涵盖整个UV光谱区域，而且还包含可见光以及红外的部分。因此汞灯所发生的紫外光可以涵盖几乎所有传统商业化光引发剂的吸收光谱区域，从而达到很好的固化效果。

图4 中压汞灯的发射光谱(来源于Dr. Hönle AG.公司资料)

中压汞灯所消耗的能量中，只有28%被转换为紫外光，其中UVC占14%左右，UVA和UVB各占7%左右。剩下的70%左右能量均被转换为了可见光和红外，而这一部分和UV固化没有直接的帮助。不过，红外有时对固化也会有一些正面的影响，因为热可以降低体系的粘度，从而促进自由基的移动来加快反应。

通过在中压汞灯中添加其他的卤化金属可以改变汞灯的发射光谱及能量分布。在汞灯中掺入卤化镓之后，可以强化UVA和UVV部分的输出，而UVC部分会有所降低，从而对深层固化有利。掺入卤化铁可以对UVA的350-390nm波段有显著的增加，而UVB和UVC部分有所降低，这种情况也对深层固化有利。

UV LED

在汞灯占据了固化领域几十年后中终于出现了一种新的UV光源，那就是UV LED。UV LED虽然仅仅在2000年才开始商业化，但它在光固化领域却发展迅速，在UV喷墨、牙科材料、粘合剂、印刷和光纤等诸多领域，已经得到了越来越广泛的应用。

和汞灯多波长显著不同的是，UV LED属于单波长，其峰值波长的半宽(FWHM)在±(8-15)nm。现在固化应用中使用的UV LED光源的波长在405，395，385，和365nm，前面三个波长的强度差别不大，而365nm比前三者要低35-40%左右(见图5)。

固化用的UV LED既没有红外的部分，也没有UVB或UVC的部分，而后者对于固化中的光引发剂选择十分重要。由于UVB特别是UVC对于表面固化十分重要，因此UV LED的表面固化就是一个大问题。当前对于UV LED有效的光引发剂包括酰基氧化膦，噻吨酮和4,4´-双(N,N-二烷基氨基)二苯甲酮等。

图5 UV LED光源的发射光谱

UV LED的发射光谱属于单波长，而汞灯的发射光谱可以被称为全波长范围，但UV LED的单波长的强度会高于汞灯的单个波长。同时由于UV LED没有红外发出，因此其属于冷光源，这对于光敏的基材特别有利。

图6 UV LED和汞灯发射光谱的对比图

UV光源的测量

对于UV光源辐照的准确和可重复的测量，一直是一个容易被误解及受争论的话题。UV光源的辐照能力和光固化的效果密切相关，而很多报告中的测量结果又不表明相关的参数，这使得辐照源的测量变得更加容易发生混淆。

对于UV光源，有两个重要的指标：辐照度(Irradiance)和能量密度(Energy Density)。辐照度和传送带的速度无关，是指单位面积特定波长区间的辐射通量。而能量密度则和传送带的速度成反比，同等条件下速度越快，能量密度越低。这两个指标具有完全不同的国标(SI)单位(如下表)。

辐照测量是对辐照度和能量密度的测量，辐照测量计就是为这个目的而设计的。它通常可以被分为三种类型。

第一种包括单频道或多频道的辐照测量计。它使用不同波段宽度的滤光器来探测和量化达到相应光敏传感器上的UV辐照。所得到的数据可以是辐照度，也可以是能量密度(如图7)。

图7 多频道辐照测量计

辐照度和能量密度的数值，和所使用滤光器的数量和类型密切相关。仅使用一个滤光器的单频道辐照测量计，同使用多个滤光器的多频道辐照测量计所测得的值，不具有可比性。即使是使用了同样数量滤光器和同样频道数目的辐照测量计，由于硬件设备供应商的不同也会不同。波段滤光器的光敏感性被设计来模仿UVA、UVB、UVC和UVV的波段，但这并没有得到同一的标准化，而且其波段敏感响应也不是理想的方形。因此，对于固化速度数据的解读就需要特别小心。准确来说，只有当使用同一种辐照测量计，在同样的测量条件下所得到的固化速度数据才真正具有可比性。而对于UV LED，由于其所发射的波长都在UVA和UVV范围，使得采用这种设备对其进行测量变得极其困难。

图8 多频道辐照测量计的波段敏感性

于是我们有了第二种辐照测量计，分光辐照测量计(Spectroradiometer)。这种测量计不使用滤光器，而是记录数个纳米增量的UV光的辐照情况，然后合并为一个全波段的辐照结果。戳蓝字复习：可测全波段输出的UV能量计

图9 分光辐照测量计(Spectro radiometer)

这一设备所提供的辐照度和能量密度的值，可以追溯到一些如德国国家测量协会(PTB)或美国国家标准和技术协会(NIST)等国家级机构的数据，因此这一设备对于不同光源的固化速度的测定，可以进行相对或者绝对的对比。而且分光辐照测量计的标定是基于其对光谱呈现方形的响应范围(如图10)来进行的，得到的数据更加准确。分光辐照测量计由于对于全波长有很好的探测，因此既可以用于UV LED，也可以用于传统中压汞灯的测定。

图10 分光辐照测量计的波段敏感性

单频道和多频道的测量计，以及分光辐照测量计被广泛用于实验室中，但其工业应用却受到一定程度的限制。这主要是因为对于工业应用中，如果光源和固化基材之间的距离空间很小，或者不是水平的位置，就很难放置这些测量计，这使得在实验室的固化测试数据和生产线上的测试数据比较难进行直接的对比。为了解决这个问题，于是有了第三种辐照测量的工具，辐照测量条。

图11 采用辐照测量条来进行能量密度的测定

辐照测量条是一个涂布了UV光敏涂层的柔性薄条，背面有胶粘剂层。辐照测量条可以被粘贴在几乎任何二维和三维的物体的任何位置上。在通过UV辐照之后，辐照测量条的颜色会变化，而这个颜色变化的情况可以通过光度计以及相应的标定曲线转换为能量密度值。

不过虽然辐照测量条可以很容易被用于实验室和工业生产场景，但其本身的性能特点对其应用还是有所限制。首先，辐照测量条只能对能量密度进行量化测定，而不是能测试辐照度。其次，辐照测量条对UV光谱的敏感波段主要集中在UVC和UVB，以及UVA的少部分。这对于表面固化的光引发剂会比较有效，但对于UVA波段比较强的掺杂中压汞灯，以及UV LED应用中的深层固化场景的应用就十分有限(如图12)。

图12 辐照测量条的波段敏感性

从上面的内容中，我们可以看出，不同的UV光源所发射的UV光谱各有特点，而且可能会完全不同，这对于光固化配方的设计，特别是光引发剂的选择，会有很大的影响，对光固化产品的最终固化效果也会大相径庭。采用何种测量设备对何种光源在什么场景下进行测量，需要根据各自的特点和需求来进行，如果只是将两个测量数值进行简单的对比，可能并不能得到你需要的正确结论，也就无法做出好的产品了。

参考资料

Handbookof Industrial Inkjet Printing: A Full System Approach, First Edition. Werner Zapka.2018 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

BSISO 21348:2007 Space Environment (natural and artificial). Process fordetermining solar irradiances

UVOnline Products User’s Guide, EIT Part Number 100200. Online Rev C, EITInstrument Markets

UVpadManual, Version: 1.5.6, Opsytec Dr. Gröbel GmbH