光源--光强及光强测定

  

光固化体系中,光源的作用是提供光引发剂经光化学反应产生活性种的能量。光固化涂料大多数都使用紫外光源作为固化光源,在紫外光源中,以汞弧灯最为常用,而近年出现的无极灯以其稳定的输出和超长的寿命逐渐引起光固化厂家的注意。
 
 
    光强的光化学研究和光固化应用中最重要的表征光源的一个参数。光固化反应必须在高于一特定光强下才能引发,低于此光强,则固化不能进行。此外,在一定曝光量下,光强与曝光时间成反比。所以,较高的光强可以缩短固化时间。在实际应用中,应控制光强和曝光时间,过度的曝光虽然可保证涂层的固化,但也会造成能量浪费,同时也会造成涂膜或基材的老化。生产中可通过试验确定最佳曝光量。
    实际应用中,可考虑采用较高功率的光源,有以下优点:
    ①较高的光强,这对克服氧阻聚有好处;
    ②设备费用可能较低;
    ③灯的数目减少,可节省设备空间。
    但也有一些缺点,例如,高功率的光源导致灯管和反射罩过热,必须解决散热问题;灯管寿命较短等。
    图3-1为中压汞灯的灯壁温度及灯电压与灯功率的关系[1]。对于常见的2000W汞灯来说,其灯壁温度达1000℃左右。因此,在实际生产中,高功率光源引起的温度上升常常不能忽略。例如木料基材,尤其是松木,高温会导致木料中的树胶从木节渗出,导致涂料的黏附性下降;对于未完全风干的木料来说,高温也会导致水汽逸出而引起涂层气泡;木器家具的热熔胶接口在高热下会脱离。对塑料基材来说,过高的温度会导致变形,或者汹涌度变差。可采用一些措施,以消除灯管发热引起的温度上升,例如调节灯管与辐照物间的距离;调节输送带的速率;使用带双色反射罩的UV灯;在光源与辐照物之间放置水冷石英过滤器,把热辐射滤掉;加强光源部件的通风散热。
 
 
    图3-2为实际生产中消除热量的一个实例[1]。反射罩为双色冷镜(cold mirror,CM),用于减少红外辐射能。灯箱及窗板均采用循环水冷却。履带下的底板也用水冷,用于吸收穿透基材的红外辐射及作为系统辅助冷却。
 
 
    常用的紫外光源为长管形的,其强度常用线功率表示,即灯的功率除以灯管长度,单位为W/cm,即每厘米灯管的瓦数。灯管有不同规格的长度,习惯上可分为:
    短灯----长度小于24cm,线功率最大达240W/cm;
    中长灯----长度为24~100cm,线功率在160W/cm左右;
    长灯----长度大于100cm,线功率在120W/cm左右。
    上面的光强是以灯管的功率来表示,对于同种类光源来说,功率越大的灯管其发出的辐射光的强度越大。这样的表示方法比较直观,但只可以作为设备的一个参数。因为像汞灯之类的光源,由于灯管老化,其辐射光的强度随着使用时间的增加而不断衰减。在实际应用中为了准确地把握曝光的程度、控制生产条件及监测灯管老化,必须对设备的紫外辐射光的强度或曝光量进行测定。
    光强的测定可分为物理法和化学法两类。物理法的特点是简易、快速,但除热堆法外都是相对法,必须以绝对法进行校正。化学法是绝对法,但测定操作复杂,耗时较多,不适于工业应用。因此,物理法是最常用的方法。
    测定光强的仪器称为光度计,采用光电管将光能转化为电能后、测定光电流值可得到光强大小的相对值,通过校正即得到光强值,一般以W/cm2表示。必须注意的是,由于光电管所用的光电材料(即探头)的光谱灵敏区的限制,所渢的光强只是该光谱灵敏区范围内的值。例如北京师范大学光电仪器厂生产的UV-A(图3-3)和UV-B型光度计,有4种探头可供选择,其最大灵敏波长分别为:254nm、297nm、365nm、420nm。
    使用光度计测得光强后,就很容易求算得曝光量,因为在光强不随时间变化的情况下,曝光量等于光强和曝光时间的乘积(曝光量=光强×曝光时间)。但在光强在稳定的情况下,要想确切得到一定时间的曝光量,最好直接对曝光量进行测定。有专门的仪器测量曝光量,例如北京师范大学光电仪器厂生产的GCK型曝光量自动监测仪(图3-4),可分别应用于3个波段:
 
 
 
    230~280nm(用于紫外杀菌);
    300~1050nm(用于材料老化试验);
    320~400nm(用于光刻、印刷等)。
    该仪器有两个窗口,分别暗淡无光光强和曝光量。

 

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