UV光固化用于固化或干燥各種工業(yè)印刷應(yīng)用中的油墨、涂料和粘合劑。傳統(tǒng)上，UV燈由汞供電以產(chǎn)生熱量，然后發(fā)光。然而，發(fā)光二極管 (LED) 供電燈的可用性提供了一種可以說更環(huán)保的替代方案，因為解決方案能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為光能。

UV LED解決方案具有許多可持續(xù)性優(yōu)勢。這些以更低的能源消耗、消除汞和臭氧的產(chǎn)生、無有害溶劑或揮發(fā)性有機化合物以及更少的部件的形式出現(xiàn)。將傳統(tǒng)UV燈與UV LED進(jìn)行比較時，兩個積極的特點很突出，即浪費和能源減少，兩者都具有環(huán)境效益。

01 污染防治

UV LED技術(shù)的一個主要優(yōu)勢是它不含汞。“由于汞的危險，世界正在遠(yuǎn)離在工業(yè)過程中使用它。傳統(tǒng)的UV燈管含有汞，但UV LED模塊不含汞。傳統(tǒng)的UV燈會破壞汞并將其泄漏到環(huán)境中，但LED不會，”Baldwin Technology的AMS光譜UV部門商業(yè)負(fù)責(zé)人喬納森·福爾分享道。

此外，當(dāng)傳統(tǒng)UV燈的能量足以產(chǎn)生電弧時，它們會產(chǎn)生一種稱為臭氧的有害氣體。“臭氧必須從固化系統(tǒng)中排出，以防止對生產(chǎn)線上的工作人員造成傷害。LED不會產(chǎn)生臭氧，這意味著運行LED所需的設(shè)備更少，對人類和環(huán)境造成傷害的可能性也更小，”福爾說道。

“研究表明，在某些應(yīng)用中，用UV LED燈代替汞燈可以使每件產(chǎn)品每年減少20噸二氧化碳排放。使用UV LED，不需要排煙裝置來去除汞蒸氣UV燈產(chǎn)生的有害氣體和臭氧。汞中毒會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟和許多其他器官造成損害，”Phoseon Technology市場傳播經(jīng)理斯泰西·霍格解釋道。

使用UV LED燈代替汞蒸氣UV燈也可以減少浪費。“傳統(tǒng)的汞弧燈壽命短，需要每1,000-1,500小時更換一次，會產(chǎn)生大量燈泡廢料。如果維護得當(dāng)，UV LED固化燈的使用壽命可超過60,000小時。升級到UV LED技術(shù)消除了這些燈泡更換成本，通過消除有毒汞進(jìn)入廢物流提供了顯著的環(huán)境效益，”她繼續(xù)說道。
 Dipl.-Ing.流程開發(fā)專家佩特拉·伯格指出，汞被回收并用于新工藝。

02 節(jié)能

除了環(huán)境效益外，經(jīng)濟優(yōu)勢還體現(xiàn)在節(jié)能方面。“在傳統(tǒng)的UV固化工藝中，與汞蒸氣UV燈相關(guān)的巨大熱量需要大量的電力才能運行。與傳統(tǒng)的汞蒸氣UV燈相比UV LED技術(shù)可節(jié)省高達(dá)85%的能源，”霍格說。

Baldwin Technology的AMS Spectral UV部門的UV/LED產(chǎn)品專家鮑勃·格里森貝克指出，LED 系統(tǒng)僅在需要時才通電并立即準(zhǔn)備好固化，而傳統(tǒng)的弧光燈則在整個生產(chǎn)過程中保持開啟狀態(tài)，并且需要初始 減慢生產(chǎn)速度和降低效率的預(yù)熱期。

伯格對此表示贊同，并指出由于UV LED不需要加熱階段，因此它們可以在短周期內(nèi)打開和關(guān)閉，從而節(jié)省能源。“而且，由于固化裝置的每個UV LED都可以單獨控制，因此照射區(qū)域可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行完美調(diào)整，”伯格評論道。

GEW (EC) Limited業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁詹妮弗·希思科特表示：“LED的使用壽命長，并且沒有傳統(tǒng)的燈、反射器和快門機制，因此消除了消耗品以及隨后與這些物品的生產(chǎn)和運輸相關(guān)的碳足跡。” .

經(jīng)濟利益也得以實現(xiàn)。UV LED是一種能量較低的系統(tǒng)，光波長集中在更小的范圍內(nèi)。格里森貝克解釋說：“與標(biāo)準(zhǔn)的汞弧UV相比，該系統(tǒng)使用的能源少得多，產(chǎn)生的熱量也少得多，因此也會影響建筑物中的環(huán)境供暖和制冷系統(tǒng)。”

UV LED固化系統(tǒng)可降低總裝機功率，并在運行期間降低高達(dá)75%的能耗。“這對制造商的底線來說非常好，并直接影響組織的可持續(xù)發(fā)展努力，”希思科特說。

03 冷卻系統(tǒng)

UV和UV LED的一個復(fù)雜問題是需要冷卻，主要可選的有風(fēng)冷和水冷技術(shù)。

“當(dāng)電流通過UV LED技術(shù)時，其中30%-40%會轉(zhuǎn)化為UV能量的波長，從相關(guān)設(shè)備向外輻射。平衡轉(zhuǎn)化為熱能，必須通過強制空氣循環(huán)或水循環(huán)將其去除，”希思科特解釋道，“適當(dāng)?shù)睦鋮s可將LED結(jié)溫穩(wěn)定在最佳設(shè)定點，是確保最佳系統(tǒng)性能、UV輸出和產(chǎn)品壽命的最重要因素之一。因此，冷卻的選擇及其設(shè)計不是一件小事。”

Integration Technology集團市場部經(jīng)理尼爾·斯蒂克蘭也表示，冷卻系統(tǒng)的可持續(xù)性取決于環(huán)境。“水冷具有明顯的性能優(yōu)勢，但會帶來額外成本，而空氣冷卻雖然效率較低，但不需要冷卻器或水源。移除的熱量當(dāng)然可以用來幫助在較涼爽的環(huán)境中加熱房間。”

此外，希思科特認(rèn)為冷卻方法最重要的是取決于UV系統(tǒng)所需的固化輸出。“當(dāng)需要更高水平的UV輸出時，必須用水循環(huán)冷卻LED，因為這是最有效的。當(dāng)需要較低水平的UV輸出時，系統(tǒng)用水或空氣冷卻。只要冷卻系統(tǒng)針對UV輸出水平進(jìn)行了適當(dāng)設(shè)計，并且隨著時間的推移得到了充分維護，任何一種方法都是可以接受的。另外，還必須考慮設(shè)施的周圍環(huán)境，因為更高的溫度、更大的相對濕度和來自其他過程的空氣中的微粒可能會影響這兩種冷卻技術(shù)的有效性。”

談到風(fēng)冷方法，霍格說這些系統(tǒng)不需要外部冷卻系統(tǒng)，因此與水冷系統(tǒng)相比，它們通常更便宜并且需要更少的維護。“風(fēng)冷系統(tǒng)具有較低的能源需求和較低的運營成本；水冷系統(tǒng)提供更小的外形尺寸和更高的峰值輻照度，但需要稍微多一點的能量來運行。”

希思科特對此表示同意，并指出從可持續(xù)性的角度來看，空氣冷卻需要更少的電力并消除了水調(diào)節(jié)，水調(diào)節(jié)由腐蝕抑制劑和乙二醇的精確稀釋溶液組成。
水冷系統(tǒng)也有優(yōu)點和局限性。希思科特指出，發(fā)出更大UV輸出的水冷系統(tǒng)更有可能驅(qū)動更快的機器速度、增加容量、改善固化，并允許在生產(chǎn)線上運行更大范圍的UV固化化學(xué)品。“水冷也能更好地保持較低的LED結(jié)溫，從而提高設(shè)備穩(wěn)定性、性能和產(chǎn)品壽命。”

格里森貝克表示，與其他選擇相比，水冷能夠更有效地從系統(tǒng)中吸收更多熱量。“空氣系統(tǒng)通常會在周圍環(huán)境中產(chǎn)生熱量，這進(jìn)一步加重了建筑物中的任何溫度調(diào)節(jié)。由于水在封閉系統(tǒng)中循環(huán)，因此它為溫度穩(wěn)定性和可持續(xù)性提供了最佳解決方案。”

從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，伯格認(rèn)為風(fēng)冷UV LED光源的支持者會爭辯說，他們使用的能源比水冷器少。“然而，風(fēng)冷UV LED通常運行在較低的水平并且強度較低。因此，您很可能需要更多的LED燈才能獲得良好的固化效果，因為您需要使用水冷版本。”

Baldwin Technology的AMS Spectral UV部門美洲工業(yè)銷售主管凱文·喬塞爾認(rèn)為，從可持續(xù)性的角度來看，這兩種冷卻工藝之間實際上沒有什么區(qū)別。“LED 系統(tǒng)設(shè)計師需要考慮的兩個因素是輸出與壽命的折衷，設(shè)計人員需要保持芯片的目標(biāo)溫度以確保更長的使用壽命。”

他解釋說，功率最高的系統(tǒng)需要更高的冷卻能力。LED的功率越大，對冷卻的要求越高，就越有可能使用水作為冷卻機制。“用于UV LED的水冷系統(tǒng)是閉環(huán)的，這意味著冷卻劑通過冷卻器運行。這最大限度地減少了對環(huán)境的影響。必須記住的是，LED無法從熱事件中恢復(fù)。使芯片過冷會顯著縮短使用壽命。它們不能自我修復(fù)，更換芯片的成本可能很高，而且可能會導(dǎo)致計劃外的停線情況，這也是代價高昂的。”

它們的不同之處在于UV LED的驅(qū)動力要大得多，以產(chǎn)生更高的輸出。“這意味著更多的能量被投入到LED中，從而產(chǎn)生更高的UV能量輸出，但也需要主動冷卻——空氣或水，以將芯片保持在允許長壽命的溫度范圍內(nèi)。LED的功率越高，冷卻要求就越高，”喬塞爾補充道。

大多數(shù)用于工業(yè)固化的系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)換和木材工業(yè)，需要高能量和速度，并且主要使用水冷系統(tǒng)。對生產(chǎn)率要求較低的實驗室和粘合劑固化系統(tǒng)使用風(fēng)冷系統(tǒng)。“好消息是從電瓦到光瓦的能量轉(zhuǎn)換在持續(xù)地得到改進(jìn)，這意味著主動冷卻要求更低，”喬塞爾繼續(xù)說道。

04 持續(xù)發(fā)展

對于任何技術(shù)，通常都有改進(jìn)的余地。在討論可持續(xù)性與UV LED固化技術(shù)之間的關(guān)系時，情況確實如此。進(jìn)步支持高效的系統(tǒng)。

希思科特強調(diào)，隨著UV LED的出現(xiàn)，可持續(xù)性將繼續(xù)得到改善。“這主要是正在進(jìn)行的化學(xué)優(yōu)化的結(jié)果，使油墨、涂料和粘合劑能夠?qū)^低的峰值輻照度做出反應(yīng)，并在源選擇和操作期間更好地將UV化學(xué)和線速度的要求與正確的UV輸出相匹配。提供過多的UV LED能量是低效的，因為任何不能被化學(xué)物質(zhì)吸收的部分在與油墨、涂料或粘合劑接觸時都會立即轉(zhuǎn)化為熱量。”

在由線速度、化學(xué)和燈集成決定的最佳功率水平下運行UV LED固化系統(tǒng)可以進(jìn)一步降低電力和能源消耗。“任何允許系統(tǒng)以較低的UV輸出運行而不影響固化、線速度和產(chǎn)量的東西都是可持續(xù)性的改進(jìn)。隨著UV LED固化工藝知識的進(jìn)一步提高和積極實施，UV LED固化的整體可持續(xù)性及其在制造業(yè)中的應(yīng)用將繼續(xù)增長。”

“雖然UV LED系統(tǒng)目前消耗的能量很低，但我認(rèn)為它們還沒有達(dá)到頂峰。隨著時間的推移，它們的尺寸可能會變得更加緊湊，冷卻方法也將變得更加高效，”霍格預(yù)測道。

伯格還期望提高UV LED的效率。“這意味著功率輸入/輸出關(guān)系正在改善，這也有助于改善UV LED的能量平衡。冷卻技術(shù)也在不斷改進(jìn)，尤其是在空氣冷卻方面。在這里，我們期待在相同的功耗水平下獲得更高的強度，我們已經(jīng)習(xí)慣了。”

Heraeus Noblelight America LLC高級銷售經(jīng)理埃斯特萬·馬林指出：“持續(xù)改進(jìn)還以延長UV LED系統(tǒng)壽命的形式出現(xiàn)，重點關(guān)注LED燈何時失效或達(dá)到其預(yù)期壽命。”

喬塞爾指出，對于UV LED，可持續(xù)性等同于使用壽命。“UV LED系統(tǒng)非常接近最大理論轉(zhuǎn)化率。下一個前沿領(lǐng)域是提高遠(yuǎn)UV LED的轉(zhuǎn)換率。當(dāng)您轉(zhuǎn)向更低的UV波長時，您必須使用不同的基礎(chǔ)材料，這些材料的制造難度和成本要高得多。一般的例子是385-405納米的能量輸出大致相同。當(dāng)您向下移動到365nm 系統(tǒng)時，能量輸出約為385-405納米范圍的80%。當(dāng)您轉(zhuǎn)向更短的波長（例如340納米）時，能量輸出還不到395納米系統(tǒng)的百分之十。”

當(dāng)您移動到亞300納米范圍時，它的效率會更低，壽命也會更短。“許多公司將為UV系統(tǒng)提供大約20,000小時的保修，并期望更長的使用壽命。當(dāng)您將其與UV  LED進(jìn)行比較時，有用的輸出壽命不到2,000小時。但是，這與2001年左右首次推出用于工業(yè)用途的UV LED并沒有太大的不同。效率和壽命很低。由于UV LED的目標(biāo)市場是用于消毒目的，因此在提高UV LED效率方面存在很大的驅(qū)動力和相應(yīng)的投資，并且可以期待未來的改進(jìn)，喬塞爾解釋道。

格里森貝克指出：“隨著新技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的效率越來越高，但由于LED陣列已經(jīng)非常高效，因此與從汞弧燈泡技術(shù)轉(zhuǎn)向LED技術(shù)時相比，改進(jìn)可能會更小。”

05 可持續(xù)性作為驅(qū)動力

可持續(xù)性是UV LED的優(yōu)勢，也是采用的驅(qū)動因素。

“目前，可持續(xù)性是采用UV LED的主要驅(qū)動因素，”霍格斷言，“我們注意到，由于能源成本上升，尤其是在歐洲，越來越多地采用UV LED固化。隨著能源成本飆升，印刷商和加工商正在以更快的速度采用UV LED。”

除了不斷上漲的能源成本外，制造過程中的汞禁令也在全球范圍內(nèi)推廣，這也促進(jìn)了UV LED固化技術(shù)的普及。“所有主要品牌都要求印刷商、加工商和其他制造商采用環(huán)境可持續(xù)的工藝。現(xiàn)在，LED已成為汞UV的有效替代品，許多全球性大公司正在共同消除工廠中的汞，”霍格評論道。

喬塞爾還將可持續(xù)性視為采用的驅(qū)動因素。“可持續(xù)性現(xiàn)在是轉(zhuǎn)換為UV LED的主要考慮因素，與更成熟的客戶的直接財務(wù)理由一樣。”

“在我看來，隨著能源成本的不斷上漲和對可持續(xù)性的關(guān)注，轉(zhuǎn)向基于LED的系統(tǒng)將會繼續(xù)，”格里森貝克指出。

“今天和未來十年推動UV LED應(yīng)用的最大可持續(xù)發(fā)展因素是該技術(shù)能夠降低運行期間的裝機功率、峰值需求和能源消耗。這具有減少碳足跡的直接和可衡量的好處，使公司能夠更快、更輕松、更經(jīng)濟高效地實現(xiàn)凈零承諾。過渡到UV LED固化可讓印刷商、涂布機和加工商同時降低碳足跡、減少能源費用、消除電網(wǎng)壓力并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，”希思科特指出。

“由于烏克蘭沖突，歐盟面臨能源限制的現(xiàn)狀，行業(yè)需要更節(jié)能的技術(shù)，如UV LED可以幫助解決，”馬林補充道。

個人和公司正在尋找減少能源、減少污染和消除浪費的方法。當(dāng)涉及到工業(yè)印刷應(yīng)用中的油墨、涂料或粘合劑的固化過程時，UV LED技術(shù)能夠滿足所有這些要求。

從不含汞到由很少的部件組成，UV LED系統(tǒng)提供了許多環(huán)境效益。與此直接相關(guān)的是使用UV LED系統(tǒng)可節(jié)省大量能源，這也是一項經(jīng)濟優(yōu)勢。有了這些積極因素，許多行業(yè)參與者認(rèn)為固化技術(shù)的未來將轉(zhuǎn)向UV LED是有道理的，推動這一趨勢的是企業(yè)和消費者對更可持續(xù)的未來的需求。

來源丨迪吉特爾 全球印刷與包裝工業(yè)