วิทยาศาสตร์การบ่มด้วยแสงยูวี

วิทยาศาสตร์การบ่มด้วยแสงยูวี

การบ่มหมายถึงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการโพลีเมอไรเซชัน กระบวนการโพลีเมอไรเซชันเกี่ยวข้องกับการยึดหรือการเชื่อมโยงโมเลกุลที่แยกออกจากกันและโซ่โพลีเมอร์ที่สั้นกว่าเพื่อให้เกิดโซ่โพลีเมอร์ที่ยาวขึ้น แข็งขึ้น และแข็งขึ้น แม้ว่าสารหลายชนิดจะมีโครงสร้างโพลีเมอร์ แต่เคมีโพลีเมอร์และวิศวกรรมโพลีเมอร์จะมุ่งเน้นไปที่วัสดุและกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับพลาสติกและยางเป็นหลัก

หากคุณมีคำถามใดๆ เกี่ยวกับคำศัพท์ที่ใช้ที่นี่ คุณสามารถอ่านบทความคำศัพท์การบ่มด้วยแสงยูวีของเราเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติม

การเกิดพอลิเมอไรเซชันด้วยแสงยูวี หรือที่เรียกอีกอย่างว่า การบ่มด้วยรังสี หรือเรียกสั้นๆ ว่า การบ่มด้วยแสงยูวี เป็นประเภทเฉพาะของการเกิดพอลิเมอไรเซชันที่พลังงานอัลตราไวโอเลตเป็นตัวขับเคลื่อนการเชื่อมโยงขวางภายในวัสดุที่กำหนดสูตรด้วยแสงยูวี เช่น หมึก สารเคลือบ กาว และการอัดรีด เทคโนโลยีนี้ได้รับการใช้ประโยชน์อย่างประสบความสำเร็จมาเกือบสามในสี่ศตวรรษในกระบวนการผลิตที่หลากหลายซึ่งครอบคลุมอุตสาหกรรมที่แตกต่างกันมากมาย เนื่องจากการบ่มด้วยแสงยูวีทำให้ได้คุณสมบัติของวัสดุที่ต้องการอย่างมากด้วยการติดตั้งด้วยความเร็วสูงและใช้พื้นที่น้อย ซึ่งเปลี่ยนวัสดุที่เปียกเมื่อสัมผัสให้กลายเป็นโครงสร้างแข็งที่แห้งเมื่อสัมผัสได้ในทันทีและมีประสิทธิภาพ

ในแอปพลิเคชันหลายๆ อย่าง สูตรแสงยูวีทำมาจากของแข็งทั้งหมดหรือวัสดุที่มีของแข็งสูงซึ่งไม่มีตัวพาของเหลว อนุภาคของแข็งมีขนาดเล็กเพียงพอและจำนวนมากพอที่จะนำไปใช้กับพื้นผิวต่างๆ ได้หลากหลายราวกับว่าเป็นของเหลว แม้ว่าผู้ใช้และซัพพลายเออร์ในอุตสาหกรรมบางครั้งจะอธิบายการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอย่างรวดเร็วของการบ่มด้วยแสงยูวีว่าเป็นการทำให้แห้ง แต่หมึก สารเคลือบ และกาวที่กำหนดสูตรด้วยแสงยูวีจะไม่ทำให้แห้ง พวกมันจะได้รับการบ่ม

ในทางตรงกันข้าม สูตรที่ใช้ตัวทำละลายและน้ำแบบเดิมจะประกอบด้วยตัวพาของเหลวจริงที่มีจุดประสงค์หลักเพื่ออำนวยความสะดวกในการนำของแข็งที่ต้องการไปใช้กับพื้นผิวที่ต้องการโดยใช้การพิมพ์ การพ่น การเคลือบ และการจ่ายต่างๆ เมื่อใช้แล้ว งานของตัวพาก็จะเสร็จสิ้น และจะต้องระเหยหรือทำให้แห้งโดยใช้ลมอัดหรือเครื่องอบแห้งแบบความร้อน หลังจากการระเหย จะมีเพียงอนุภาคของแข็งเท่านั้นที่ยังคงอยู่บนพื้นผิวของชิ้นส่วน วัสดุพิมพ์ หรือโครงสร้าง ในกรณีของตัวพาตัวทำละลาย กฎระเบียบมักจะกำหนดให้ต้องเผาตัวทำละลายระเหยหลังจากเผาเครื่องเผา ก่อนที่จะปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม

สำหรับกระบวนการที่ใช้ตัวทำละลายและน้ำจำนวนมากที่ไม่ได้ใช้แสง UV ในการบ่ม อุโมงค์อบแห้งแบบยาวและเตาอบที่กินพลังงานจะต้องรวมเข้ากับสายการผลิตเพื่อขับเคลื่อนการระเหยอย่างแข็งขัน ซึ่งแตกต่างจากการบ่มด้วยแสง UV กระบวนการอบแห้งจะไม่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลภายในเคมี กระบวนการอบแห้งจะทิ้งของแข็งที่แยกจากกันและตกค้างไว้ ซึ่งจะวางอยู่บนพื้นผิวของวัสดุที่ไม่มีรูพรุน เช่น พลาสติกและโลหะ หรือถูกดูดซึมเข้าไปในโครงสร้างที่มีรูพรุน เช่น ไม้และกระดาษเล็กน้อย ของแข็งที่เหลือมักจะเกิดรอยขีดข่วน รอยตำหนิ รอยถลอก การทำลายด้วยสารเคมี และการผุกร่อน ในหลายกรณี ต้องใช้สารเคลือบด้านบนแบบใส รวมถึงกลไกการป้องกันอื่นๆ เช่น การเคลือบฟิล์มกับวัสดุที่มีน้ำและตัวทำละลายเป็นส่วนประกอบ

การอบด้วยแสงยูวีทำให้มีโซ่โพลีเมอร์ยาวและโครงสร้างโมเลกุลที่แข็งแกร่งอย่างเหลือเชื่อ ส่งผลให้มีคุณสมบัติทางกายภาพ กลไก และความสวยงามที่เป็นที่ต้องการอย่างยิ่ง ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะช่วยปรับปรุงรูปลักษณ์โดยรวม คุณภาพ และประสิทธิภาพของสิ่งของในชีวิตประจำวันมากมาย ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตจึงใช้การอบด้วยแสงยูวีกันอย่างแพร่หลายในการผลิตหมึกสีสดใส สร้างเอฟเฟกต์พิเศษทางสายตา สัมผัส และสัมผัส พันธะทำลายล้างที่แข็งแกร่งอย่างเหลือเชื่อ ทนทานต่อสารเคมีและสภาพอากาศที่เหนือกว่า และคุณสมบัติพื้นผิวที่พึงประสงค์ เช่น ความแข็ง การลื่น และทนต่อแรงกระแทก การอบด้วยแสงยูวีเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากช่วยขจัดการใช้เตาอบและอุโมงค์อบแห้งที่กินพลังงาน สารอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) และมลพิษทางอากาศที่เป็นอันตราย (HAPs) เนื่องจากกระบวนการอบด้วยแสงยูวีทำให้เกิดการเชื่อมขวางทางเคมีในเสี้ยววินาที และเนื่องจากปฏิกิริยาเสร็จสิ้นเมื่อสิ้นสุดกระบวนการ จึงสามารถดำเนินการหลังการอบ การแปลง การบรรจุ การประกอบ การเติม และการจัดส่งได้ทันทีหลังจากสถานีอบด้วยแสงยูวีขั้นสุดท้าย

วิทยาศาสตร์แสง

​ สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงถึงช่วงต่อเนื่องของแสงทั้งหมดในจักรวาล รวมถึงแสงที่เปล่งออกมาจากวัตถุบนโลกและวัตถุท้องฟ้า เนื่องจากแสงจะแผ่ออกจากแหล่งกำเนิดเสมอ จึงมักเรียกว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้าหรือเรียกง่ายๆ ว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ภาพประกอบต่อไปนี้แสดงภาพกราฟิกของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าแบ่งออกเป็นรังสีแกมมา รังสีเอกซ์ รังสีอัลตราไวโอเลต คลื่นที่มองเห็นได้ อินฟราเรด และคลื่นวิทยุ แบนด์วิดท์ของรังสีอัลตราไวโอเลตยังแบ่งย่อยได้อีกเป็นรังสี UV ในสุญญากาศ รังสี UVC รังสี UVB รังสี UVA และรังสี UVV คลื่นวิทยุแบ่งย่อยเป็นเรดาร์ ทีวี เอฟเอ็ม และเอเอ็ม โดยไมโครเวฟจะแยกเป็นส่วนย่อยที่เล็กกว่าของเรดาร์ และมักจะแยกเป็นแถบที่แยกจากกันระหว่างคลื่นอินฟราเรดและคลื่นวิทยุ แต่ละช่วงของสเปกตรัมจะถูกวัดปริมาณอย่างแยกจากกันตามความยาวคลื่น ความถี่ และพลังงานโฟตอน ยกเว้นแสงที่มองเห็นได้ซึ่งผลิตสีเมื่อโต้ตอบกับวัตถุ แสงทั้งหมดภายในสเปกตรัมจะมองไม่เห็น

ขอบเขตระหว่างแถบแสงนั้นไม่แข็งกร้าว และไม่มีการกำหนดความยาวคลื่นอย่างเป็นทางการว่าแถบใดสิ้นสุดและแถบใดเริ่มต้น ดังนั้น อุตสาหกรรม องค์กร มาตรฐาน และเครื่องมือวัดต่างๆ จึงมีช่วงอ้างอิงที่แตกต่างกันเล็กน้อย โดยทั่วไปแล้ว ช่วงต่อไปนี้จะใช้สำหรับการอบด้วยแสงยูวี

• UV สูญญากาศ (100 – 200 นาโนเมตร) – ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่าง 100 ถึง 200 นาโนเมตร ความยาวคลื่น UV สูญญากาศได้รับการเรียกเช่นนี้เนื่องจากเดินทางได้ดีที่สุดในสูญญากาศและไม่เดินทางผ่านอากาศ UV สูญญากาศที่ปล่อยออกมาจากระบบการบ่มจะมีประสิทธิภาพเฉพาะในกระบวนการโฟโตพอลิเมอไรเซชันเมื่อระบบ UV และพื้นผิวการบ่มทำงานในสภาพแวดล้อมเฉื่อยไนโตรเจน ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของออกซิเจนในสภาพแวดล้อมเฉื่อย UV สูญญากาศสามารถสร้างโอโซนได้
• UVC (200 – 280 นาโนเมตร) – ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่าง 200 ถึง 280 นาโนเมตร UVC มักเรียกอีกอย่างว่า UV สั้นหรือ UV ฆ่าเชื้อโรคและมองไม่เห็นด้วยตามนุษย์ โอโซนมักผลิตขึ้นที่ความยาวคลื่น UVC ที่ 240 นาโนเมตรหรือน้อยกว่า ความยาวคลื่น UVC จะถูกดูดซับที่พื้นผิวของสารเคมี UV และขับเคลื่อนการบ่มพื้นผิว
• UVB (280 – 315 นาโนเมตร) – ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่าง 280 ถึง 315 นาโนเมตร UVB มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ความยาวคลื่น UVB ทะลุผ่านเข้าไปในสารเคมีได้ลึกกว่า UVC แต่ทะลุผ่านได้ไม่เท่า UVA และ UVV
• UVA (315 – 400 นาโนเมตร) – ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่าง 315 ถึง 400 นาโนเมตร UVA เป็นตัวแทนของพลังงาน UV ส่วนใหญ่และมักเรียกกันว่า long UV UV อยู่ที่ค่าต่ำสุดของสิ่งที่ดวงตาของมนุษย์มองเห็นเป็นสี ความยาวคลื่น UVA ทะลุเข้าไปในเคมี UV ได้ลึก
• UVV (400 – 450 นาโนเมตร) – ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่าง 400 ถึง 450 นาโนเมตร V ย่อมาจาก visible เนื่องจากความยาวคลื่นเหล่านี้รับรู้เป็นสีโดยดวงตาของมนุษย์และทับซ้อนกับส่วนเล็กน้อยของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ความยาวคลื่น UVV ทะลุเข้าไปในเคมี UV ได้ลึก
• ultraviolet (100 – 450 นาโนเมตร) – ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่าง 100 ถึง 450 นาโนเมตร ขอบเขตระหว่าง UV และความยาวคลื่นที่มองเห็นได้นั้นไม่ได้ถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจนและโดยทั่วไปถือว่าอยู่ระหว่าง 400 ถึง 450 นาโนเมตร ความยาวคลื่น UV อยู่นอกเหนือจากที่สายตาของมนุษย์มองเห็นเป็นสีม่วง
• แสงที่มองเห็นได้ (400 – 700 นาโนเมตร) – ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่าง 400 ถึง 700 นาโนเมตร แสงที่มองเห็นได้ประกอบด้วยเฉดสีทั้งหมด และสีต่างๆ เกิดขึ้นจากความยาวคลื่นที่แตกต่างกันหรือการรวมกันของความยาวคลื่นที่สะท้อนจากวัตถุ สเปกตรัมที่มองเห็นได้มักแสดงด้วยรุ้ง
• อินฟราเรด (700 นาโนเมตร – 0.1 มม.) – ส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่าง 700 นาโนเมตรและ 0.1 มม. ความยาวคลื่นอินฟราเรดอยู่เหนือสิ่งที่ตาของมนุษย์มองเห็นเป็นสีแดง ความยาวคลื่นอินฟราเรดบางช่วงปล่อยความร้อนในขณะที่บางช่วงไม่ปล่อย ความยาวคลื่นอินฟราเรดเป็นปัจจัยหลักในการแผ่ความร้อนจากระบบบ่มด้วยแสงยูวีด้วยอิเล็กโทรดและไมโครเวฟ ระบบบ่มด้วยแสงยูวีแบบสีเดียวค่อนข้างมากจะไม่ปล่อยอินฟราเรด
• ไมโครเวฟ (0.1 มม. – 10 ซม.) – แถบแคบระหว่าง 0.1 มม. ถึง 10 ซม. ตั้งอยู่ที่ขอบเรดาร์และส่วนคลื่นวิทยุที่กว้างกว่ามากของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถใช้ไมโครเวฟเพื่อจ่ายพลังงานให้กับหลอดบ่ม UV ชนิดหนึ่งที่ใช้ในระบบบ่มโดยไม่ใช้ไฟฟ้าหรือไมโครเวฟได้

ในขณะที่แหล่งกำเนิดแสง UV แบบแบนด์วิดท์กว้างทั่วไป เช่น หลอดไฟไมโครเวฟและหลอดไฟอาร์กอิเล็กโทรดจะปล่อยรังสี UVA, UVB, UVC และ UVV รวมถึงรังสีที่มองเห็นได้และอินฟราเรด แหล่งกำเนิดแสง LED ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดจะปล่อยรังสี UVA ที่มีแถบแคบกว่าซึ่งใกล้เคียงกับรังสีที่มองเห็นได้ (365, 385, 395 และ 405 นาโนเมตร) ดังนั้น สารเคมี UV แบบสเปกตรัมกว้างตามสูตรทั่วไปจึงมักจะไม่สามารถบ่มได้ดีกับ UV LED และต้องปรับปรุงสูตรใหม่ให้บ่มได้เฉพาะความยาวคลื่น UVA และ UVV ที่ยาวกว่าเท่านั้น โชคดีที่บริษัทผลิตหมึก สารเคลือบ และกาวต่างออกแบบสารเคมี UV LED มากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อให้สามารถบ่มสูตรเดียวได้ด้วยทั้งหลอดไฟ LED และแบบทั่วไป ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้านี้ สูตรต่างๆ มากขึ้นเรื่อยๆ จะเปลี่ยนไปเป็นความสามารถในการบ่มสองแบบ และผลักดันการเปลี่ยนแปลงของอุตสาหกรรมไปสู่การบ่มด้วย UV LED อย่างค่อยเป็นค่อยไปแต่หลีกเลี่ยงไม่ได้

ความยาวคลื่น ความถี่ และพลังงานโฟโตนิก

แต่ละส่วนของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกวัดปริมาณโดยแยกจากกันตามความยาวคลื่น ความถี่ และพลังงานโฟตอน ความยาวคลื่นคือการวัดระยะทางระหว่างจุดที่สอดคล้องกันบนคลื่นแสงเป็นระยะ โดยทั่วไปจะแสดงด้วยอักษรกรีกแลมบ์ดา (l) ความถี่คืออัตราที่ความยาวคลื่นเฉพาะเกิดขึ้น วัดเป็นรอบต่อวินาทีหรือเฮิรตซ์ (Hz) และโดยทั่วไปจะแสดงด้วยอักษร (f) หรือ (v) ความถี่และความยาวคลื่นสัมพันธ์กันด้วยความเร็วแสง โดยที่ความถี่คือความเร็วแสงหารด้วยความยาวคลื่น เมื่อความยาวคลื่นยาวขึ้น ความถี่จะลดลง ในทางกลับกัน เมื่อความยาวคลื่นสั้นลง ความถี่จะเพิ่มขึ้น

ทั้งความถี่และความยาวคลื่นสามารถใช้เพื่อคำนวณพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดในสเปกตรัมได้ โดยใช้สูตรเทียบเท่าสองสูตรต่อไปนี้ ซึ่งเรียกว่าความสัมพันธ์ของพลังค์-ไอน์สไตน์

โดยที่:

E = พลังงานโฟตอน (จูล)

h = ค่าคงที่ของพลังค์ (จูล·วินาที)

c = ความเร็วแสง (เมตรต่อวินาที)

λ = ความยาวคลื่น (เมตร)

v = ความถี่ (รอบต่อวินาที)

ตามความสัมพันธ์ของพลังค์-ไอน์สไตน์ ความยาวคลื่นที่สั้นกว่า เช่น UVC มีพลังงานมากกว่าความยาวคลื่นที่ยาวกว่า เช่น UVA โดยความยาวคลื่นทั้งหมดในช่วงอัลตราไวโอเลตจะมีพลังงานมากกว่าคลื่นที่มองเห็นได้ อินฟราเรด ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุอย่างมาก ในขณะที่มีพลังงานน้อยกว่ารังสีเอกซ์และรังสีแกมมา

ความเข้มของแสง (W/cm²)

ความเข้มของรังสีคือพลังงานที่แผ่รังสีไปยังพื้นผิวต่อหน่วยพื้นที่ โดยแสดงเป็นวัตต์หรือมิลลิวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร (W/cm² หรือ mW/cm²) คำศัพท์อื่นๆ ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับความเข้มของรังสี ได้แก่ ความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของวัตต์ แม้ว่าจะไม่ถูกต้องในทางเทคนิค แต่ความเข้มของรังสีมักเรียกกันว่าความเข้มข้น และเมื่อใดก็ตามที่มีการใช้ความเข้มข้น ความเข้มของรังสีจะหมายถึงความเข้มของรังสีโดยทั่วไป ความเข้มของรังสีจะถูกวัดและรายงานเป็นค่าพีคสูงสุดในช่วงความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลตที่หลากหลาย หรือเป็นค่าพีคภายในแต่ละช่วงที่แคบกว่าของ UVC, UVB, UVA และ UVV ความเข้มของรังสีควรอ้างอิงถึงเรดิโอมิเตอร์ที่ใช้ในการวัดเสมอ รวมถึงตำแหน่งของเรดิโอมิเตอร์เมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิด UV

สำหรับระยะทางที่กำหนดระหว่างพื้นผิวบ่มกับระบบบ่ม UV ความเข้มของรังสีจะคงที่สำหรับการตั้งค่าพลังงานของหลอดไฟแต่ละค่า และไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของสายการผลิตหรือระยะเวลาในการรับแสง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความเข้มของแสงที่พื้นผิวบ่มจะเพิ่มขึ้นตามกำลังของหลอดไฟที่เพิ่มขึ้น และจะลดลงตามกำลังของหลอดไฟที่ลดลง ค่าความเข้มของแสงดังกล่าวจะคงที่ที่พื้นผิวบ่มโดยไม่คำนึงถึงความเร็วของสาย โดยที่การตั้งค่ากำลังของหลอดไฟและระยะทางไม่เปลี่ยนแปลง

สำหรับระบบบ่มด้วยแสงอัลตราไวโอเลต LED แบบกระจกแบนและหลอดไฟไอปรอทที่มีโปรไฟล์น้ำท่วม ความเข้มของแสงจะได้รับผลกระทบจากระยะห่างระหว่างแต่ละจุดบนพื้นผิวบ่มและหัวหลอดไฟ ในทั้งสองกรณี ระยะทางที่ไกลขึ้นส่งผลให้ความเข้มของแสงที่พื้นผิวบ่มลดลง นั่นเป็นเพราะแสงที่เปล่งออกมาจะกระจายหรือเบี่ยงเบนจากกันเมื่อเดินทางไกลจากแหล่งกำเนิดแสง ทำให้ความเข้มข้นของแสงลดลงและความเข้มของแสงลดลง ในกรณีของหลอดไฟไอปรอทแบบโฟกัส ความเข้มของแสงจะสูงสุดที่ความยาวโฟกัสและจะลดลงเมื่อพื้นผิวบ่มเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากความยาวโฟกัส จุดประสงค์ของหลอดไฟไอปรอทแบบโฟกัสคือการรวมพลังงาน UV ที่เปล่งออกมาส่วนใหญ่ให้อยู่ในแถบแคบเพื่อเพิ่มความเข้มสัมบูรณ์ของความเข้มแสง

ในสถานการณ์การผลิต พื้นผิวบ่มส่วนใหญ่จะสัมผัสกับความเข้มของแสงแบบไดนามิก การแผ่รังสีแบบไดนามิกจะเกิดขึ้นเมื่อหัวหลอดผ่านพื้นผิวบ่มโดยไม่หยุดชะงัก หรือเมื่อพื้นผิวบ่มผ่านใต้หัวหลอดโดยไม่หยุด เมื่อตำแหน่งจุดบนพื้นผิวบ่มเข้าใกล้ ตรงข้าม และเคลื่อนออกจากแหล่งกำเนิดแสง UV ความเข้มรังสีสูงสุดที่ตกกระทบในแต่ละตำแหน่งและแต่ละช่วงเวลาจะแตกต่างกันไป

โปรไฟล์การแผ่รังสีแบบไดนามิกสามารถมีรูปร่างได้หลายแบบ แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีรูปร่างเป็นเส้นโค้งระฆังดังที่แสดงในภาพประกอบกราฟิกต่อไปนี้ ในกราฟ จุดแต่ละจุดบนโปรไฟล์การแผ่รังสีจะแสดงค่าการแผ่รังสีสูงสุดในแต่ละจุดในเวลา โดยส่วนบนของเส้นโค้งระฆังจะแสดงช่วงเวลาที่พื้นผิวในการบ่มผ่านบริเวณโฟกัสของหลอดไอปรอทหรือผ่านจุดศูนย์กลางของหลอด UV LED แหล่งกำเนิดแสงที่มีค่าการแผ่รังสีสูงสุดที่สูงกว่าจะมีค่าการแผ่รังสีสูงสุดที่โปรไฟล์สูงกว่า แหล่งกำเนิดแสงที่มีค่าการแผ่รังสีสูงสุดที่น้อยกว่าจะมีค่าการแผ่รังสีสูงสุดที่โปรไฟล์สั้นกว่า ความกว้างของโปรไฟล์นั้นขึ้นอยู่กับความกว้างของหัวหลอด UV รวมถึงความเร็วของสายการผลิตหรือระยะเวลาในการรับแสง

ความหนาแน่นของพลังงาน (J/cm²)

ความหนาแน่นของพลังงานคือพลังงานรังสีทั้งหมดที่มาถึงพื้นผิวต่อหน่วยพื้นที่และแสดงเป็น J/cm² หรือ mJ/cm² ความหนาแน่นของพลังงานคือการรวมกันของความเข้มของรังสี (W/cm² หรือ mW/cm²) ในช่วงเวลาการรับแสง ซึ่งแสดงด้วยพื้นที่ใต้โปรไฟล์ความเข้มของรังสีตามที่แสดงในภาพก่อนหน้า เวลาการรับแสง และความหนาแน่นของพลังงานหรือพื้นที่ใต้เส้นโค้งจะเพิ่มขึ้นโดยการลดความเร็วของเส้น เพิ่มเวลาการรอ เพิ่มแหล่งบ่มเพิ่มเติม หรือใช้หัวที่กว้างขึ้นในกรณีของ UV LED ในรูปแบบกราฟิก การกระทำเหล่านี้ทำให้ความกว้างของเส้นโค้งรูประฆังขยายออกไปในช่วงเวลาที่นานขึ้น ปรับให้จุดสูงสุดแบนราบ หรือสร้างจุดสูงสุดที่แตกต่างกันหลายจุดเมื่อใช้หลอดไฟหลายหัวต่ออนุกรมกัน

สำหรับการใช้งานการบ่มที่กำหนด เมื่อส่งเอาต์พุตสเปกตรัมที่ถูกต้องและความเข้มของเกณฑ์ขั้นต่ำไปยังพื้นผิวบ่มแล้ว ปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่ออัตราและระดับการบ่มคือความหนาแน่นของพลังงาน ในขณะที่ความเข้มของรังสีคืออัตราการถ่ายโอนพลังงานหรือกำลัง ความหนาแน่นของพลังงานคือพลังงานที่ส่งทั้งหมด แหล่งบ่มด้วยแสงยูวีที่ให้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าทำให้สามารถบ่มด้วยความเร็วของเส้นที่เร็วกว่าระบบบ่มที่มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า

แม้ว่าในทางเทคนิคจะไม่ถูกต้อง แต่ความหนาแน่นของพลังงานมักเรียกกันว่าปริมาณ และเมื่อใดก็ตามที่มีการใช้ปริมาณ โดยทั่วไปจะเข้าใจว่าหมายถึงความหนาแน่นของพลังงาน เพื่อความชัดเจน ความหนาแน่นของพลังงานคือพลังงานที่ส่งมอบ ในขณะที่ปริมาณคือพลังงานที่ดูดซับ พลังงานที่ดูดซับนั้นวัดได้ยากมากในทางปฏิบัติ ในขณะที่ความหนาแน่นของพลังงานสามารถประมาณได้โดยใช้เรดิโอมิเตอร์และแถบทดสอบความหนาแน่นของพลังงาน สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตมิเตอร์และความเร็วของเส้นเมื่อรายงานค่าความหนาแน่นของพลังงานที่ได้จากเรดิโอมิเตอร์

เคมีการบ่มด้วยแสงยูวีและโฟโตพอลิเมอไรเซชัน

ปฏิกิริยาเคมีของการบ่มด้วยแสงยูวีอาศัยสารเริ่มต้นแสงที่กระจายอยู่ในหมึก สารเคลือบ กาว และวัสดุอัดขึ้นรูปที่ผลิตขึ้นเป็นพิเศษ เมื่อสารเริ่มต้นแสงยูวีสัมผัสกับแสงที่มีความยาวคลื่นระหว่าง 100 ถึง 450 นาโนเมตร สารเริ่มต้นแสงยูวีจะดูดซับพลังงานยูวีและสร้างสารอนุมูลอิสระหรือสารประจุบวก สารที่ถูกกระตุ้นจะขับเคลื่อนปฏิกิริยาผ่านการริเริ่ม การแพร่กระจาย และการยุติ ซึ่งจะเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลของส่วนประกอบวัตถุดิบอย่างรวดเร็ว การใช้งานการบ่มด้วยแสงยูวีส่วนใหญ่ใช้กลไกการบ่มด้วยอนุมูลอิสระ โดยการใช้งานด้วยประจุบวกประกอบด้วยสารเคมีที่บ่มด้วยแสงยูวีเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์เท่านั้น

การบ่มด้วยอนุมูลอิสระก่อให้เกิดอนุมูลอิสระซึ่งขับเคลื่อนปฏิกิริยาการเชื่อมขวาง จำเป็นต้องได้รับแสงยูวีอย่างต่อเนื่องและอยู่ในแนวตรงเพื่อเริ่มต้นและแพร่กระจายการบ่มด้วยอนุมูลอิสระ ปฏิกิริยาจะยุติลงอย่างรวดเร็วในเสี้ยววินาทีและส่งผลให้เกิดรูปแบบวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่ต้องการ เคมีของอนุมูลอิสระอาจไวต่อออกซิเจน โดยเฉพาะที่พื้นผิวการบ่ม โมเลกุลออกซิเจนจะขโมยอนุมูลอิสระจากกระบวนการบ่มและ/หรือลดความเข้มข้นของอนุมูลอิสระ การเพิ่มความเข้มของแสง การบ่มในสภาพแวดล้อมไนโตรเจน และการเปลี่ยนแปลงเคมีเป็นเครื่องมือที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อต่อต้านการยับยั้งออกซิเจน

กลไกการบ่มแบบอื่นที่ใช้กันน้อยกว่าคือการบ่มด้วยประจุบวก ปฏิกิริยานี้จะสร้างประจุบวกที่กระตุ้นให้เกิดการเชื่อมขวาง ในการบ่มด้วยประจุบวก จำเป็นต้องมีการฉายแสง UV เพื่อเริ่มการบ่ม แต่การแพร่กระจายจะดำเนินต่อไปโดยไม่มีการฉายแสง UV อย่างต่อเนื่องหรือในแนวเส้นตรงทั้งหมด ขึ้นอยู่กับเคมีและการใช้งาน กระบวนการบ่มด้วยประจุบวกจะแพร่กระจายเป็นเวลาหลายนาที หลายชั่วโมง หรือแม้แต่หลายวันก่อนที่จะสิ้นสุดอย่างสมบูรณ์ เคมีของประจุบวกมีความอ่อนไหวต่อความชื้นและอุณหภูมิ ซึ่งทั้งสองอย่างนี้สามารถรบกวนการเชื่อมขวางได้ ดังนั้น ควรตรวจสอบและควบคุมสภาพแวดล้อมโดยรอบทุกครั้งที่ใช้เคมีของประจุบวก

สูตรที่บ่มด้วยรังสี UV ไม่ว่าจะเป็นอนุมูลอิสระหรือประจุบวก ล้วนทำจากวัสดุที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ แม้ว่าจะมีการคัดเลือกค่อนข้างหลากหลาย แต่ส่วนใหญ่แล้ววัตถุดิบจะถูกจัดกลุ่มตามประเภทต่อไปนี้

• โฟโตอินิเตเตอร์ – โมเลกุลที่ดูดซับพลังงานอัลตราไวโอเลตในช่วงความยาวคลื่นที่กำหนดและขับเคลื่อนปฏิกิริยาโฟโตโพลีเมอร์ผ่านการสร้างอนุมูลอิสระหรือไอออนบวก โฟโตอินิเตเตอร์คิดเป็น 0.5 ถึง 15% ของสูตร UV ทั้งหมดตามน้ำหนัก
• โมโนเมอร์ – โมเลกุลเรซินประเภทหนึ่งที่มีน้ำหนักโมเลกุลค่อนข้างต่ำและมีโครงสร้างเรียบง่ายที่สามารถจับกับตัวเองหรือโมเลกุลที่คล้ายกันเพื่อสร้างพอลิเมอร์ที่เชื่อมขวางด้วยแสงยูวี โมโนเมอร์เป็นสารเจือจางที่มีปฏิกิริยาซึ่งใช้เพื่อปรับความหนืดโดยรวมและมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของวัสดุที่บ่มแล้ว โมโนเมอร์อาจมีน้ำหนักมากถึง 50% ของน้ำหนักสูตรทั้งหมด และในบางครั้งอาจถูกแทนที่ด้วยน้ำหรือตัวทำละลายบางส่วนหรือทั้งหมด
• โอลิโกเมอร์ – โมเลกุลเรซินประเภทหนึ่งที่มีน้ำหนักโมเลกุลค่อนข้างต่ำและมีโครงสร้างเรียบง่ายที่สามารถจับกับตัวเองหรือโมเลกุลที่คล้ายกันเพื่อสร้างพอลิเมอร์ที่เชื่อมขวางด้วยแสงยูวี โอลิโกเมอร์เป็นส่วนประกอบหลักของวัสดุที่เชื่อมขวาง มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของวัสดุที่บ่มแล้วหลายอย่าง และประกอบเป็นสัดส่วนระหว่าง 50 ถึง 80% ของสูตรตามน้ำหนัก
• สารเติมแต่ง – ส่วนประกอบอื่นๆ ทั้งหมดที่เพิ่มเข้าไปเพื่อปรับคุณสมบัติของส่วนผสมก่อนการบ่ม รวมถึงคุณสมบัติของพอลิเมอร์หลังการบ่ม สารเติมแต่งได้แก่ ตัวปรับการไหล สารลดฟอง สารกระจายตัว และสารทำให้แสงคงตัว เป็นต้น สารเติมแต่งร่วมกับเม็ดสีเป็นส่วนที่เล็กที่สุดของส่วนผสม UV โดยรวม
• เม็ดสี – ประเภทเฉพาะของสารเติมแต่งที่ให้สีกับสูตร

นักเคมีจะผสมสารริเริ่มแสง โมโนเมอร์ โอลิโกเมอร์ สารเติมแต่ง และบางครั้งเม็ดสีเข้าด้วยกันเพื่อสร้างหมึก สารเคลือบ กาว และการอัดรีดที่สามารถบ่มด้วยแสงยูวี สารอนุมูลอิสระหรือสารที่มีประจุบวกจะถูกสร้างขึ้นภายในกระบวนการเคมีเมื่อสัมผัสกับความยาวคลื่น UV ที่เหมาะสม (nm) และความเข้มของแสง (W/cm²) การเกิดพอลิเมอไรเซชันด้วยแสงจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยใช้เวลาในการประมวลผลเพียงเสี้ยววินาที เวลาที่แน่นอนและความสามารถในการเชื่อมขวางที่เหมาะสมของส่วนผสมขึ้นอยู่กับส่วนผสมของวัตถุดิบ เอาต์พุตสเปกตรัมของแหล่งปล่อยแสง (nm) ความเข้มของแสง (W/cm²) และความหนาแน่นของพลังงาน (J/cm²) การใช้งาน การตั้งค่าสายการผลิต และการใช้กลไกการบ่มด้วยอนุมูลอิสระหรือสารที่มีประจุบวก ภาพประกอบต่อไปนี้แสดงสูตร UV ที่ยังไม่บ่มและการเชื่อมขวางที่เกิดขึ้นเมื่อสูตรสัมผัสกับแหล่งพลังงาน UV ที่เหมาะสม

ลักษณะของเหลวของสูตร UV ช่วยให้สามารถอัดขึ้นรูปวัสดุได้ รวมถึงฉีดพ่น พ่นด้วยเครื่องพ่น จ่าย รีด จุ่ม พิมพ์ สปัตเตอร์ ดูดสูญญากาศ หรือฉีดน้ำบนพื้นผิวและวัสดุต่างๆ ได้หลากหลาย เมื่อนำไปใช้แล้ว การได้รับพลังงานอัลตราไวโอเลตก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาแพร่กระจายและเชื่อมโยงขวาง ซึ่งจะทำให้โมเลกุลเชื่อมติดกันเป็นโครงสร้างแข็งที่เป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

กระบวนการอบด้วยแสงยูวี

ปฏิกิริยาการเชื่อมขวางที่เกิดขึ้นระหว่างการบ่มด้วยแสงยูวีเป็นเพียงขั้นตอนหนึ่งในลำดับของกระบวนการผลิตที่เกี่ยวข้องกันหลายขั้นตอนที่เกิดขึ้นก่อนและหลังการบ่ม ขั้นตอนทั้งหมดควรได้รับการระบุ นำมาพิจารณาในกระบวนการ ประเมินผลกระทบต่อกันและกัน จากนั้นจึงรักษาไว้เพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่ตรงตามข้อกำหนดทั้งด้านคุณภาพและประสิทธิภาพการใช้งานขั้นสุดท้ายอย่างสม่ำเสมอ

ขั้นตอนกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการบ่มด้วยแสงยูวีมักประกอบด้วย:

• การประเมินพื้นผิวสำหรับการบ่ม – รูปร่าง โครงสร้าง ประเภทของวัสดุ คุณภาพของวัสดุ พลังงานพื้นผิว และความสะอาดของพื้นผิวสำหรับการบ่มมีความสำคัญ แง่มุมเหล่านี้กำหนดว่าจำเป็นต้องทำการเตรียมการล่วงหน้าหรือไม่ สูตรหมึก เคลือบ หรือกาวที่เหมาะสม การจัดการวัสดุ และทิศทางที่จำเป็นของหัวหลอด UV ควรประเมินพื้นผิวระหว่างการพัฒนาขั้นตอน และประเมินเป็นระยะระหว่างการผลิตปกติ
• การเตรียมการล่วงหน้าและการปรับเปลี่ยนพื้นผิว – พื้นผิวของชิ้นส่วนและวัสดุมักต้องได้รับการทำความสะอาด กำจัดไฟฟ้าสถิต หรือทำการบำบัดเพื่อเพิ่มพลังงานพื้นผิว ขั้นตอนเหล่านี้มักจำเป็นเพื่อให้หมึก เคลือบ และกาวเปียกได้ง่ายขึ้น และเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะ การบำบัด ได้แก่ การล้าง การแช่สารเคมีหรือการเช็ด อุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าสถิต การใช้ไพรเมอร์ สีรองพื้น หรือการปรับขนาด เปลวไฟ โคโรนา พลาสม่า การขัด และการพ่นทราย เป็นต้น
• การจัดการวัสดุ – โดยทั่วไปพื้นผิวของวัสดุจะถูกป้อนผ่านอุปกรณ์การผลิตในรูปแบบแผ่น ตาข่าย หรือชิ้นส่วนสามมิติ การจัดการวัสดุจะต้องทำให้หมึก สารเคลือบ หรือกาวสามารถทาลงบนพื้นผิววัสดุได้อย่างสม่ำเสมอ จากนั้นจึงสัมผัสกับแหล่งกำเนิดแสง UV ที่ระยะห่างที่กำหนดจากหัวโคมไฟ
• สูตรหมึก สารเคลือบ หรือกาว – การใช้งาน พื้นผิววัสดุ วิธีการส่งสูตร ระบบการบ่มและเอาต์พุต UV ความเร็วของสายการผลิตหรืออัตรารอบการทำงาน และข้อกำหนดการใช้งานขั้นสุดท้าย ล้วนกำหนดคุณสมบัติที่จำเป็นของสูตร การแบ่งปันรายละเอียดเหล่านี้กับผู้จำหน่ายสูตรเป็นสิ่งสำคัญ เพื่อให้แน่ใจว่าได้ใช้สูตรที่เหมาะสมที่สุด
• อุปกรณ์ส่งมอบสูตร – หมึก สารเคลือบ และกาวสามารถนำไปใช้ได้หลายวิธีระหว่างกระบวนการผลิต เช่น การพ่น การฉีด การจ่าย การรีด การจุ่ม การถ่ายโอน การสปัตเตอร์ การดูดสูญญากาศ หรือการท่วม อุปกรณ์การนำไปใช้ควรจับคู่กับสูตร ประเภทของชิ้นส่วนที่จะบ่ม รวมถึงวัสดุที่ใช้ผลิต และรูปร่างหรือโปรไฟล์ของชิ้นส่วน ความเร็วของสายการผลิตก็เป็นปัจจัยหนึ่งเช่นกัน เนื่องจากจะกำหนดความหนาแน่นของพลังงานที่ต้องการ
• การระเหยของตัวพาของเหลว – รายการสูตร UV ขนาดเล็กยังมีตัวพาน้ำหรือตัวทำละลายที่ต้องระเหยก่อนได้รับแสงอัลตราไวโอเลต ในบางกรณี ระยะเวลาที่ชิ้นส่วนเดินทางไปยังแหล่งบ่มนั้นเพียงพอสำหรับการระเหย และในกรณีอื่นๆ จำเป็นต้องมีกลไกการอบแห้งในกระบวนการเพื่อเร่งการระเหย
• การบ่มด้วยแสงยูวี – เคมีของอนุมูลอิสระต้องการการได้รับแสงยูวีโดยตรง ความยาวคลื่นยูวีที่ตรงกับตัวริเริ่มแสงในสูตร ความเข้มแสงขั้นต่ำที่เหมาะสมกับระยะห่างระหว่างหลอดไฟกับพื้นผิวการบ่ม และความหนาแน่นของพลังงานที่เพียงพอสำหรับการบ่มที่ความเร็วเส้นที่ต้องการ ในการใช้งานหลายๆ อย่าง จำเป็นต้องใช้ระบบการบ่มด้วยแสงยูวีโดยเฉพาะสำหรับหมึก สารเคลือบ และกาวแต่ละชนิดที่ใช้ ในการใช้งานอื่นๆ สามารถบ่มสูตรต่างๆ ได้พร้อมกันด้วยการได้รับแสงจากหลอดไฟเพียงหลอดเดียว
• อุปกรณ์กระบวนการเสริม – การใช้งานการบ่มด้วยแสงยูวีจำนวนมากต้องการอุปกรณ์อื่นเพื่อช่วยในการบ่มหรือจัดการสภาวะของกระบวนการ ซึ่งรวมถึงระบบการเฉื่อยไนโตรเจน ลูกกลิ้งเย็นหรือแผ่นเย็น หัวหลอดไฟหรือห้องบ่มที่มีการไล่อากาศออกหรือแรงดัน ห้องสะอาด เลนส์ภายนอก ฟิลเตอร์ UV และระบบวัด UV แบบบูรณาการ
• การประมวลผลหลังการบ่ม – เมื่อชิ้นส่วนหรือพื้นผิววัสดุได้รับการบ่มแล้ว มักจะต้องมีการแปลง การตกแต่ง การประกอบ การเติม การบรรจุ และการจัดส่ง
• การตรวจสอบคุณภาพ – การใช้งานแต่ละอย่างมีข้อกำหนดด้านคุณภาพและประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน บางครั้งอาจรวมถึงการจับคู่สี ในกรณีอื่น อาจมีคุณลักษณะการทำงานมากกว่านั้น ควรนำกระบวนการต่างๆ มาใช้เพื่อให้มีเป้าหมายที่วัดได้ซึ่งสามารถตรวจสอบเป็นระยะระหว่างการผลิต โดยแก้ไขตัวแปรกระบวนการตามความจำเป็น
• ประสิทธิภาพการใช้งานขั้นสุดท้าย – เงื่อนไขการใช้งานสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดขั้นตอนกระบวนการก่อนหน้าทั้งหมดในรายการนี้ การสนทนาเกี่ยวกับการใช้งานขั้นสุดท้ายกับผู้จำหน่ายที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทั้งหมดถือเป็นสิ่งสำคัญ
• คุณสมบัติ การรับรอง และการรับรอง – สินค้าที่กำลังได้รับการประมวลผลและอบด้วยแสงยูวีนั้น จะถูกจัดส่งไปยังบุคคลอื่นซึ่งอาจมีข้อกำหนดเฉพาะที่กำหนดว่ากระบวนการผลิตโดยรวมนั้นเหมาะสมกับความต้องการหรือวัตถุประสงค์ขององค์กรหรือไม่ การได้รับคุณสมบัติ การรับรอง และการรับรองที่เหมาะสมจากฝ่ายจัดซื้อ และการรักษาบันทึกการตรวจสอบที่เหมาะสมนั้นมักจะเป็นขั้นตอนที่สำคัญ

แม้ว่ารายการหัวข้อย่อยที่ให้มาจะแสดงภาพรวมที่ชัดเจนของกระบวนการอบด้วยแสงยูวี แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าเป็นรายการกิจกรรมที่เป็นไปได้ทั้งหมดอย่างครอบคลุม การใช้งานอบด้วยแสงยูวีและสายการผลิตด้วยแสงยูวีแต่ละสายจะมีลักษณะเฉพาะที่อาจทำให้เกิดขั้นตอนกระบวนการที่ไม่ได้ระบุไว้ ไม่ว่าในกรณีใด การประเมินการใช้งานอบด้วยแสงยูวี สายการผลิตที่จะรวมกระบวนการนี้ กิจกรรมการประมวลผลหลังการอบ และการใช้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเป็นกระบวนการที่สมบูรณ์ซึ่งแต่ละขั้นตอนอาจส่งผลกระทบต่อขั้นตอนอื่นๆ ถือเป็นสิ่งสำคัญเสมอ โชคดีที่เมื่อกระบวนการอบด้วยแสงยูวีได้รับการจัดตั้งขึ้นแล้ว กระบวนการนี้เชื่อถือได้ ทำซ้ำได้ และควบคุมได้อย่างไม่น่าเชื่อ

โดยรวมแล้ว การอบด้วยแสงยูวีช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพ กลไก และสวยงามที่พึงปรารถนาอย่างยิ่ง ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะช่วยปรับปรุงรูปลักษณ์โดยรวม คุณภาพ และประสิทธิภาพของสิ่งของในชีวิตประจำวันมากมาย การทำความเข้าใจพื้นฐานของการอบด้วยแสงยูวี วิทยาศาสตร์แสง เคมีของแสงยูวี และตัวแปรของกระบวนการจะช่วยให้สามารถเลือกแหล่งและสูตรการอบด้วยแสงยูวีได้อย่างเหมาะสม การผสานรวมที่เหมาะสม การควบคุมกระบวนการ และการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพอย่างสม่ำเสมอ