第４９卷第９期 ２０１１年９月 上海涂料 ＳＨＡＮＧＨＡＩ Ｃ０ＡＴＩＮＧＳ Ｖｏ１．４９Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２０ｌ１ 无电极汞灯在紫外光固化中的应用 华春帆 （辐深紫外系统有限公司，上海２００２３３） 摘要：介绍了无电极汞灯的构造和作用原理，以及灯管类型、发射光谱的波长范围和应用领域。 比较了无电极汞灯和传统汞弧灯的性能。 关键词：无电极汞灯；微波激发；紫外光固化 中图分类号：ＴＱ ６３０．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—１６９６（２０１ １）０９—００２８—０３ ０引言 紫外光（ｕＶ）固化技术是一种先进的材料表面处 外波段，即发射紫外光。汞弧灯由两端高压电极之间 通过的电流供电驱动，以提供持续的光辐射。其构造 结构见图ｌ。 理技术，利用高强度紫外光进行照射，可将涂料等瞬 间固化。与传统的干燥方法相比，紫外光固化具有固 化速度快、能耗低、溶剂排放少，生产速度快、废品 率低等优势而被越来越广泛地用于众多的工业领域。 ｕｖ固化的过程最终是由紫外灯所发出的紫外光 进行辐照而得以实现，由此可见，紫外灯的性能和选 用在紫外光固化过程中起着无可替代的关键作用。 传统的汞弧灯一直沿用至今。近年来，随着材料科学 的不断发展和技术理论的日臻完善，无电极汞灯以 汞弧灯发射出紫外光的同时也发射可见光及红 外线能量。汞弧灯因灯管内汞蒸气的压力不同，可分 为低压汞灯（１０～１００ Ｐａ）、中压汞灯（１．０２×１０ Ｐａ） 图１汞弧灯结构图 Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｍｅｒｃｕｒｙ ａｒｅ ｌａｍｐ 其全新的作用原理和优良的使用性能已经和正在被 广泛的科技领域所接受和采纳，并革命性地引领了 辐射加工和辐射固化的工业过程。本文旨在对传统 汞弧灯和无电极汞灯的构造和作用原理，以及无电 极汞灯的应用优势作一阐述。 和高压汞灯（＞１０ Ｐａ）３类，它们发射的紫外光光谱 也不同。 ２无电极汞灯 无电极汞灯（简称无极灯）没有直接的电极接头， １汞蒸气电弧灯 汞弧灯是封装有汞、两端有钨电极的圆柱形透 明石英长管，管壁约１ ｍｍ厚，外直径约２０—２５ ｍｍ， 利用微波启动，故又称为微波激发灯。由于不需要电 极，使得无电极汞灯的结构相对简单，其石英灯管 的直径可以被制作得非常小，典型的灯管外直径约 ９～１３ ｍｍ。无极灯由含有少量汞的简单密封石英管、 容易离子化的“启动”气和为了调整光谱输出的其它 化学物质所组成。一个由微波产生的高频率和高密 度电场激发灯内的气体到极高的能量和温度，将汞 变成汞蒸气。离子化的蒸气混合物变成了一个由微 管内充有惰性气体（一般为氩）。当电力作用在电极 上，电极之间的电压升高直至气体发生离子化。温度 升高时，液体汞蒸发成气体，管内基态汞原子受到激 发后跃迁到激发态，再由激发态回到基态的过程中， 能量以光子形式释放，这些光子的能量大多数在紫 ［收稿日期］２０１１－０８—０５ 第９期 华春帆：无电极汞灯在紫外光固化中的应用 ２９ 波能量驱动、持续导电的等离子体，从而有效地发射 出紫外光、可见光和红外光能量。 用于启动无极灯的微波由磁控管产生，标准的 微波频率在２ ４５０ ＭＨｚ。汞作为一种金属，会与其他 金属一样在微波激发中起反应。磁控管产生高频高 强度电磁场，并将能量导入由椭圆形反射器及两端 反射器形成的电气封闭腔中，再由灯面下的屏蔽网 进行封锁，从而产生动力，形成持续发光，见图２。 屏 图２无电极汞灯结构和作用原理 Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ａｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｌｅｓｓ ｍｅｒｃｕｒｙ ｌａｍｐ 无极灯可以被包括在中压汞灯范围内。关键区 别在于微波能量被直接传人灯内高度发射的等离子 体，而不是由在两个金属电极之间的电弧来驱动。 它在紫外范围内是一个非常有效的光源，发射的波 长和能量是填充气体特殊分子的函数，效率可达 ３０％～５０％。因灯管内所填充物质的浓度是不变的， 所以在通常５ ０００～８ ０００ ｈ的使用期内，灯的光谱输 出没有变化。这无疑给需要标准化测试和关键性能 参数精确控制的应用场合提供了强有力的保障。 ３无极灯和汞弧灯的性能比较 （１）由于无极灯的能量来源于微波激发系统， 因此可以快速启动或重启（关灯后可在５～１０ ｓ内重新 启动），而不必像汞弧灯需冷却后再启动（重启时间 达２０～３０ ｍｉｎ ｏ由于无极灯可以快速启动和关闭，所 以在无极灯中不需要使用挡板或光闸。除了电气部分 以外，无极灯可以造得比汞弧灯更小，从而提高反射 器的收集效率。无极灯安装迅速，更换时方便易行， 还可以保证稳定的输出波长和强度。这就意味着它应 用于紫外光固化，可以随时获得性能均匀的装饰面。 （２）汞弧灯能量的输出随时间的增加而弱化。 灯管内的金属电极部分同等离子体内气体的化学反 应，导致汞弧灯的紫外光能量输出的衰减。在使用添 加物增强光学输出的情况下（如在金属卤化物灯管 中），随着灯管的老化，也会出现类似的化学反应， 并改变光谱输出。这使得添加物的选择大受限制，因 为一些金属或其化合物更容易发生化学反应。灯管 寿命在一定程度上也与开／关频率有关。当紫外光输 出发生衰减时，通常须通过降低固化设备的传送速 度，增加辐照时间以补偿输出损失。 （３）无极灯由于没有电极、导线、灯丝及金属 套封，所以不存在上述化学反应，在整个使用寿命周 期的输出水平几乎是恒定不变的。此外，它还不受有 添加物灯管的光谱输出变化的影响，可以更自由地 使用各种添加物，而无需担心光谱的“迁移”。无极 灯输出功率稳定，一旦灯管出现故障或到使用寿命， 输出就降为零。无极灯管内充有与汞弧灯类似的惰 性气体以及汞，除汞之外再掺杂其它添加物，如镓、 铟、铁等，则形成各种类型的掺杂灯，其光谱输出可 以变得很宽，以满足不同的需求。 （４）汞弧灯可以有各种不同的长度，不过在实 际使用中，过长的灯管由于重力和热量的作用，可能 发生凹陷现象。此外，两端电极之间的距离越大，电 压必然也越高。与无极灯相比，汞弧灯系统的价格 可能比较便宜，但是初期对电源的配置成本，长期的 操作、更换和维护开支，以及由于灯的功率下降而造 成的不合格品和返工都会相当可观。虽然采用多灯 管系统可以避免灯管凹陷现象以及过量的功率要求， 但是汞弧灯电极和电气联接，势必使端对端的排布 方式在工件表面留下能量“空洞”，因此，各灯管必 须以“棋盘”式的布局进行交叉分布。 （５）相比而言，微波激发的无极灯只有２种灯 管长度，即６ｉｎ及１０ｉｎ，功率分别为３００Ｗ／ｉｎ和６００Ｗ／ｉｎ。 虽然在宽幅固化中，将不得不使用多灯排列系统，但 是，无极灯的设计可以使模块化的灯箱（灯管及反射 器）端对端地放置在一起，这样所有的灯就可以沿着 焦距线进行放置，从而使每个灯具间接口都有能量 的重叠，提供无缝隙的辐照线，达到不受限的固化宽 度，并使整个固化宽度内的辐照更加均匀一致。由于 上海涂料 第４９卷 无极灯可以单独控制，所以可以在宽幅系统上进行 窄幅固化，以达到减少能耗的目的。 的高光强和椭圆型反光罩准确聚焦，可以满足光纤 高速（２ ０００ ｍ／ｍｉｎ）拉丝的要求。此外，光缆的涂覆 标记也采用紫外光快速固化。 （３）汽车工业。可以对汽车车身和零部件所用 ４无极灯作用原理 无极灯的作用原理：磁体产生标准的微波频率 在２ ４５０ ＭＨｚ；金属反射器和屏蔽网构成了一个环绕 涂料和黏合剂进行紫外光固化，包括车前大灯、尾 灯、倒车镜、车身护条、发动机罩下零部件、铝制轮 毂、车身内部饰件涂层和ＳＭＣ车身板等等。 （４）医学应用。从黏合剂到标记，再到密封层 的紫外光固化，包括生物相容、有杀菌效果的密封层 灯的电子密闭室；在灯内导电的离子化气体吸收微 波能量，激发灯内持续的等离子体发光。无极灯由于 填充不同金属元素而有多种型号，主要为Ｈ型灯、Ｄ 型灯和Ｖ型灯： 和具有特殊效果的涂层，涉及导尿管、气管导管、注 射器、医用过滤器以及医用导电压敏胶等。 （５）ＣＤ／ＤＶＤ。无极汞灯的高辐射度和可选输出 波长可以保证光盘上的油墨和透明保护涂料快速完 全固化，其高穿透性和稳定性可以为ＤＶＤ光碟的黏 结提供良好的保障。 （６）喷墨打印。采用无极汞灯的Ｄ型灯和Ｖ型 Ｈ型灯为标准的无极灯，管内无金属填充物，主 波段在２４０～３２０ ｎｍ，适用于多种ｕＶ透明涂料和清漆 薄涂层的固化； Ｄ型灯，管内充有铁的填充物，发射光谱向长波 方向移动，主波段在３５０—４００ ｎｍ，适用于含颜料的 ｕＶ色漆和Ｕｖ厚涂层的固化。 Ｖ型灯，管内含有镓的填充物，发射光谱更向可 见光蓝光、紫光方向移动，主波段在４００ ４５０ ｎｍ，适 用于含Ｔｉ０２的白色底漆的固化，对层压材料及其它 特殊应用也十分有效。 灯可以固化用于打印幅宽至５ ｍ的硬板或柔板数码 喷绘打印机上使用的紫外光固化喷墨。 （７）电子零部件。固化从印刷电路板、电线、电 脑芯片到手机半导体、智能卡、显示器、电动机和硬 盘，以及有机发光二极管所用的油墨、涂料和黏合 剂，用以标记、掩蔽和封装。 （８）３Ｃ产品。固化各式各样的消费电子产品中 所用的涂料和胶黏剂，包括手机、电脑、键盘、鼠标、 相机、ＰＶＤ、电子器件和电子线路板用保形涂料。 ５应用领域 微波激发型无极灯及其照射系统被广泛用于多 种紫外光固化、加工和制造领域，并且随着新技术的 发展和新领域的拓宽，其工业用途正变得越来越广， 主要应用领域如下： （１）塑模加工。基于无极汞灯紫外光强的一致 性和稳定的输出光谱和能量，以及双色（冷）反射罩， ６结语 无电极灯技术已逐渐发展成熟，这种灯具有使 用寿命长、性能稳定、光照强度高、维护操作方便等 可用来固化各种光学及光电子产品用薄膜黏合剂和 微结构硬化涂层，主要涉及光学薄膜、触摸屏、液晶 优点。微波激发无电极紫外灯工作时不需要借助传 统汞弧灯必不可少的金属电极，因而有效地避免了 显示屏、太阳能电池、电容器、抗静电薄膜、ＰＥＴ保 护膜、增透反射膜、离型薄膜等等。 （２）光纤光缆。用于固化光纤一次和二次涂覆 涂料和着色光纤涂料，以及带状光纤的制造。无极灯 传统紫外灯常见的启动慢、输出不稳定、衰减、能耗 大、热量高等弊端，是性能可靠稳定，效率最高的紫 外光固化灯。无电极汞灯已成为紫外光固化体系的 首选，应用于众多高科技产品的加工和制造中。 Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｌｅｓｓ Ｌａｍｐ ｉｎ ＵＶ Ｃｕｒｉｎｇ ＨＵＡ Ｃｈｕｎ－ｆａｎ （Ｆｕｓｉｏｎ ＵＶＳｙｓｔｅｍｓ ＩＮＣ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００２３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ａｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｌｅｓｓ ｍｅｒｃｕｒｙ ｌａｍｐ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｔｙｐｅ，ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｅｔｒｏｄｅｌｅｓｓ ｍｅｒｃｕｒｙ ｌａｍｐ ａｎｄ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｒｃｕｒｙ ａｒｃ ｌａｍｐ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｌｅｓｓ ｍｅｒｃｕｒｙ ｌａｍｐ；ｍｉｃｒｏｗａｒｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ；ＵＶ ｃｕｒｉｎｇ