I vapori di mercurio, i diodi a emissione di luce (LED) e gli eccimeri sono tecnologie distinte per le lampade di polimerizzazione UV. Sebbene tutti e tre siano utilizzati in vari processi di fotopolimerizzazione per reticolare inchiostri, rivestimenti, adesivi ed estrusioni, i meccanismi che generano l'energia UV irradiata, così come le caratteristiche della corrispondente uscita spettrale, sono completamente diversi. Comprendere queste differenze è fondamentale per lo sviluppo di applicazioni e formulazioni, la selezione della fonte di polimerizzazione UV e l'integrazione.
Lampade ai vapori di mercurio
Sia le lampade ad arco con elettrodi che le lampade a microonde senza elettrodi rientrano nella categoria dei vapori di mercurio. Le lampade ai vapori di mercurio sono un tipo di lampade a scarica di gas a media pressione in cui una piccola quantità di mercurio elementare e gas inerte vengono vaporizzati in un plasma all'interno di un tubo di quarzo sigillato. Il plasma è un gas ionizzato ad altissima temperatura in grado di condurre elettricità. Viene prodotto applicando una tensione elettrica tra due elettrodi all'interno di una lampada ad arco o cuocendo nel microonde una lampada senza elettrodi all'interno di un involucro o cavità simile concettualmente a un forno a microonde domestico. Una volta vaporizzato, il plasma di mercurio emette luce ad ampio spettro attraverso le lunghezze d'onda ultraviolette, visibili e infrarosse.
Nel caso di una lampada ad arco elettrico, una tensione applicata eccita il tubo di quarzo sigillato. Questa energia vaporizza il mercurio in un plasma e rilascia elettroni dagli atomi vaporizzati. Una porzione di elettroni (-) scorre verso l'elettrodo positivo di tungsteno o l'anodo (+) della lampada e nel circuito elettrico del sistema UV. Gli atomi con gli elettroni mancanti diventano cationi energizzati positivamente (+) che fluiscono verso l'elettrodo di tungsteno o il catodo (-) caricato negativamente della lampada. Mentre si muovono, i cationi colpiscono gli atomi neutri nella miscela di gas. L'impatto trasferisce gli elettroni dagli atomi neutri ai cationi. Quando i cationi acquisiscono elettroni, cadono in uno stato di energia inferiore. La differenza di energia viene scaricata sotto forma di fotoni che si irradiano verso l'esterno dal tubo di quarzo. A condizione che la lampada sia adeguatamente alimentata, raffreddata correttamente e utilizzata entro la sua vita utile, una fornitura costante di cationi appena creati (+) gravita verso l'elettrodo negativo o il catodo (-), colpendo più atomi e producendo un'emissione continua di luce UV. Le lampade a microonde funzionano in modo simile, tranne per il fatto che le microonde, note anche come radiofrequenza (RF), sostituiscono il circuito elettrico. Poiché le lampade a microonde non hanno elettrodi di tungsteno e sono semplicemente un tubo di quarzo sigillato contenente mercurio e gas inerte, vengono comunemente chiamate senza elettrodi.
L'emissione UV delle lampade a vapori di mercurio a banda larga o ad ampio spettro copre le lunghezze d'onda ultraviolette, visibili e infrarosse, in proporzioni approssimativamente uguali. La porzione ultravioletta comprende una miscela di lunghezze d'onda UVC (da 200 a 280 nm), UVB (da 280 a 315 nm), UVA (da 315 a 400 nm) e UVV (da 400 a 450 nm). Le lampade che emettono UVC a lunghezze d'onda inferiori a 240 nm generano ozono e richiedono scarico o filtraggio.
L'uscita spettrale di una lampada a vapori di mercurio può essere modificata aggiungendo piccole quantità di droganti, come: ferro (Fe), gallio (Ga), piombo (Pb), stagno (Sn), bismuto (Bi) o indio (In ). I metalli aggiunti modificano la composizione del plasma e, di conseguenza, l'energia rilasciata quando i cationi acquistano elettroni. Le lampade con metalli aggiunti sono denominate drogate, additive e ad alogenuri metallici. La maggior parte degli inchiostri, rivestimenti, adesivi ed estrusioni formulati UV sono progettati per soddisfare l'emissione di lampade standard drogate con mercurio (Hg) o ferro (Fe). Le lampade drogate con ferro spostano parte dell'emissione UV su lunghezze d'onda più lunghe e vicine al visibile, il che si traduce in una migliore penetrazione attraverso formulazioni più spesse e fortemente pigmentate. Le formulazioni UV contenenti biossido di titanio tendono a polimerizzare meglio con lampade drogate con gallio (GA). Questo perché le lampade al gallio spostano una parte significativa dell'emissione UV verso lunghezze d'onda superiori a 380 nm. Poiché gli additivi al biossido di titanio generalmente non assorbono la luce al di sopra di 380 nm, l'utilizzo di lampade al gallio con formulazioni bianche consente di assorbire più energia UV dai fotoiniziatori rispetto agli additivi.
I profili spettrali forniscono ai formulatori e agli utenti finali una rappresentazione visiva di come l'emissione irradiata per un progetto specifico di lampada viene distribuita nello spettro elettromagnetico. Sebbene il mercurio vaporizzato e i metalli additivi abbiano caratteristiche di radiazione definite, la precisa miscela di elementi e gas inerti all'interno del tubo di quarzo insieme alla struttura della lampada e al design del sistema di polimerizzazione influenzano tutti l'emissione UV. L'emissione spettrale di una lampada non integrata alimentata e misurata da un fornitore di lampade all'aperto avrà un'emissione spettrale diversa rispetto a quella di una lampada montata all'interno di una testa con riflettore e raffreddamento adeguatamente progettati. I profili spettrali sono prontamente disponibili presso i fornitori di sistemi UV e sono utili nello sviluppo della formulazione e nella selezione della lampada.
Un profilo spettrale comune traccia l'irradianza spettrale sull'asse y e la lunghezza d'onda sull'asse x. L'irradianza spettrale può essere visualizzata in diversi modi, inclusi valori assoluti (ad esempio W/cm2/nm) o misure arbitrarie, relative o normalizzate (senza unità). I profili normalmente visualizzano le informazioni come grafico a linee o come grafico a barre che raggruppa l'output in bande da 10 nm. Il seguente grafico di uscita spettrale della lampada ad arco al mercurio mostra l'irradianza relativa rispetto alla lunghezza d'onda per i sistemi GEW (Figura 1).
FIGURA 1 »Grafici di uscita spettrale per mercurio e ferro.
Lampada è il termine usato per riferirsi al tubo al quarzo che emette raggi UV in Europa e Asia, mentre il Nord e il Sud America tendono a utilizzare un mix intercambiabile di lampadina e lampada. Lampada e testa della lampada si riferiscono entrambi al gruppo completo che ospita il tubo al quarzo e tutti gli altri componenti meccanici ed elettrici.
Lampade ad arco ad elettrodi
I sistemi con lampade ad arco a elettrodi sono costituiti da una testa della lampada, una ventola di raffreddamento o un refrigeratore, un alimentatore e un'interfaccia uomo-macchina (HMI). La testa della lampada include una lampada (lampadina), un riflettore, un involucro o alloggiamento in metallo, un gruppo otturatore e talvolta una finestra in quarzo o una protezione metallica. GEW monta i suoi tubi al quarzo, riflettori e meccanismi di otturatore all'interno di gruppi di cassette che possono essere facilmente rimossi dall'involucro o dall'alloggiamento esterno della testa della lampada. La rimozione di una cassetta GEW viene generalmente eseguita in pochi secondi utilizzando una singola chiave a brugola. Poiché l'emissione UV, le dimensioni e la forma complessive della testa della lampada, le caratteristiche del sistema e le esigenze delle apparecchiature ausiliarie variano in base all'applicazione e al mercato, i sistemi di lampade ad arco con elettrodi sono generalmente progettati per una determinata categoria di applicazioni o tipi di macchine simili.
Le lampade ai vapori di mercurio emettono una luce a 360° dal tubo di quarzo. I sistemi con lampade ad arco utilizzano riflettori posizionati sui lati e sul retro della lampada per catturare e focalizzare una quantità maggiore di luce a una distanza specifica davanti alla testa della lampada. Questa distanza è nota come fuoco ed è il punto in cui l'irradianza è maggiore. Le lampade ad arco emettono tipicamente al fuoco una potenza compresa tra 5 e 12 W/cm2. Poiché circa il 70% dell'emissione UV della testa della lampada proviene dal riflettore, è importante mantenere i riflettori puliti e sostituirli periodicamente. La mancata pulizia o sostituzione dei riflettori è una causa comune di una cura insufficiente.
Da oltre 30 anni, GEW migliora l'efficienza dei suoi sistemi di polimerizzazione, personalizzando caratteristiche e risultati per soddisfare le esigenze di applicazioni e mercati specifici e sviluppando un ampio portafoglio di accessori di integrazione. Di conseguenza, le attuali offerte commerciali di GEW incorporano design compatti dell'alloggiamento, riflettori ottimizzati per una maggiore riflettanza UV e infrarossi ridotti, meccanismi di otturatore integrati silenziosi, gonne e fessure per il nastro, alimentazione del nastro a conchiglia, inerenza di azoto, teste a pressione positiva, touch-screen interfaccia operatore, alimentatori a stato solido, maggiore efficienza operativa, monitoraggio dell'uscita UV e monitoraggio remoto del sistema.
Quando le lampade ad elettrodi a media pressione sono in funzione, la temperatura della superficie del quarzo è compresa tra 600 °C e 800 °C e la temperatura interna del plasma è di diverse migliaia di gradi centigradi. L'aria forzata è il mezzo principale per mantenere la corretta temperatura di funzionamento della lampada e rimuovere parte dell'energia infrarossa irradiata. GEW fornisce quest'aria negativamente; ciò significa che l'aria viene aspirata attraverso l'involucro, lungo il riflettore e la lampada, e scaricata all'esterno del gruppo e lontano dalla macchina o dalla superficie di polimerizzazione. Alcuni sistemi GEW come l'E4C utilizzano il raffreddamento a liquido, che consente un'emissione UV leggermente maggiore e riduce le dimensioni complessive della testa della lampada.
Le lampade ad arco ad elettrodi hanno cicli di riscaldamento e raffreddamento. Le lampade vengono colpite con un raffreddamento minimo. Ciò consente al plasma di mercurio di raggiungere la temperatura operativa desiderata, produrre elettroni e cationi liberi e consentire il flusso di corrente. Quando la testa della lampada è spenta, il raffreddamento continua a funzionare per alcuni minuti per raffreddare uniformemente il tubo al quarzo. Una lampada troppo calda non si riaccenderà e dovrà continuare a raffreddarsi. La durata del ciclo di avvio e raffreddamento, così come il degrado degli elettrodi durante ogni colpo di tensione, è il motivo per cui i meccanismi di otturatore pneumatici sono sempre integrati nei gruppi di lampade ad arco con elettrodi GEW. La Figura 2 mostra le lampade ad arco con elettrodi raffreddate ad aria (E2C) e a liquido (E4C).
FIGURA 2 »Lampade ad arco con elettrodi raffreddate a liquido (E4C) e ad aria (E2C).
Lampade LED UV
I semiconduttori sono materiali solidi e cristallini che sono in qualche modo conduttivi. L'elettricità scorre attraverso un semiconduttore meglio di un isolante, ma non così bene come un conduttore metallico. I semiconduttori presenti in natura ma piuttosto inefficienti includono gli elementi silicio, germanio e selenio. I semiconduttori fabbricati sinteticamente progettati per rendimento ed efficienza sono materiali composti con impurità impregnate con precisione all'interno della struttura cristallina. Nel caso dei LED UV, il nitruro di gallio e alluminio (AlGaN) è un materiale comunemente utilizzato.
I semiconduttori sono fondamentali per l'elettronica moderna e sono progettati per formare transistor, diodi, diodi emettitori di luce e microprocessori. I dispositivi semiconduttori sono integrati nei circuiti elettrici e montati all'interno di prodotti come telefoni cellulari, laptop, tablet, elettrodomestici, aeroplani, automobili, telecomandi e persino giocattoli per bambini. Questi componenti piccoli ma potenti fanno sì che i prodotti di uso quotidiano funzionino e allo stesso tempo consentano agli articoli di essere compatti, più sottili, leggeri e più convenienti.
Nel caso speciale dei LED, i materiali semiconduttori progettati e fabbricati con precisione emettono bande di luce di lunghezza d'onda relativamente strette quando sono collegati a una fonte di alimentazione CC. La luce viene generata solo quando la corrente scorre dall'anodo positivo (+) al catodo negativo (-) di ciascun LED. Poiché l'emissione dei LED è controllabile in modo rapido e semplice ed è quasi monocromatica, i LED sono ideali per l'uso come: spie luminose; segnali di comunicazione a infrarossi; retroilluminazione per TV, laptop, tablet e smartphone; segnali elettronici, cartelloni pubblicitari e jumbotron; e polimerizzazione UV.
Un LED è una giunzione positivo-negativo (giunzione pn). Ciò significa che una parte del LED ha una carica positiva ed è denominata anodo (+), mentre l'altra parte ha una carica negativa ed è denominata catodo (-). Mentre entrambi i lati sono relativamente conduttivi, il confine di giunzione in cui i due lati si incontrano, noto come zona di svuotamento, non è conduttivo. Quando il terminale positivo (+) di una fonte di alimentazione a corrente continua (CC) è collegato all'anodo (+) del LED e il terminale negativo (-) della fonte è collegato al catodo (-), gli elettroni caricati negativamente nel catodo e i posti vacanti di elettroni caricati positivamente nell'anodo vengono respinti dalla fonte di energia e spinti verso la zona di esaurimento. Questa è una polarizzazione diretta e ha l'effetto di superare il confine non conduttivo. Il risultato è che gli elettroni liberi nella regione di tipo n si incrociano e riempiono i posti vacanti nella regione di tipo p. Quando gli elettroni attraversano il confine, passano ad uno stato di energia inferiore. La rispettiva caduta di energia viene rilasciata dal semiconduttore sotto forma di fotoni di luce.
I materiali e i droganti che formano la struttura cristallina del LED determinano l'uscita spettrale. Oggi, le sorgenti di polimerizzazione LED disponibili in commercio hanno uscite ultraviolette centrate a 365, 385, 395 e 405 nm, una tolleranza tipica di ±5 nm e una distribuzione spettrale gaussiana. Maggiore è l'irradianza spettrale di picco (W/cm2/nm), maggiore è il picco della curva a campana. Sebbene lo sviluppo degli UVC sia in corso tra 275 e 285 nm, il rendimento, la durata, l'affidabilità e i costi non sono ancora commercialmente sostenibili per i sistemi e le applicazioni di polimerizzazione.
Poiché l’emissione dei LED UV è attualmente limitata a lunghezze d’onda UVA più lunghe, un sistema di polimerizzazione UV-LED non emette l’emissione spettrale a banda larga caratteristica delle lampade ai vapori di mercurio a media pressione. Ciò significa che i sistemi di polimerizzazione UV-LED non emettono UVC, UVB, la maggior parte della luce visibile e lunghezze d'onda infrarosse che generano calore. Sebbene ciò consenta di utilizzare i sistemi di polimerizzazione UV-LED in applicazioni più sensibili al calore, gli inchiostri, i rivestimenti e gli adesivi esistenti formulati per lampade al mercurio a media pressione devono essere riformulati per i sistemi di polimerizzazione UV-LED. Fortunatamente, i fornitori di prodotti chimici progettano sempre più offerte a doppia cura. Ciò significa che una formulazione a doppia polimerizzazione destinata a polimerizzare con una lampada UV-LED polimerizzerà anche con una lampada ai vapori di mercurio (Figura 3).
FIGURA 3 »Grafico di uscita spettrale per LED.
I sistemi di polimerizzazione UV-LED di GEW emettono fino a 30 W/cm2 nella finestra di emissione. A differenza delle lampade ad arco ad elettrodi, i sistemi di polimerizzazione UV-LED non incorporano riflettori che dirigono i raggi luminosi verso un fuoco concentrato. Di conseguenza, l’irradiazione di picco dei LED UV si verifica vicino alla finestra di emissione. I raggi UV-LED emessi divergono tra loro man mano che aumenta la distanza tra la testa della lampada e la superficie di polimerizzazione. Ciò riduce la concentrazione della luce e l'entità dell'irradiazione che raggiunge la superficie di polimerizzazione. Mentre l'irradianza di picco è importante per la reticolazione, un'irradianza sempre più elevata non è sempre vantaggiosa e può addirittura inibire una maggiore densità di reticolazione. Lunghezza d'onda (nm), irradianza (W/cm2) e densità di energia (J/cm2) svolgono tutti un ruolo fondamentale nella polimerizzazione e il loro impatto collettivo sulla polimerizzazione dovrebbe essere adeguatamente compreso durante la selezione della sorgente UV-LED.
I LED sono sorgenti lambertiane. In altre parole, ciascun LED UV emette un'emissione diretta uniforme su un intero emisfero di 360° x 180°. Numerosi LED UV, ciascuno dell'ordine di un millimetro quadrato, sono disposti in un'unica fila, in una matrice di righe e colonne o in qualche altra configurazione. Questi sottoassiemi, noti come moduli o array, sono progettati con una spaziatura tra i LED che garantisce la fusione tra gli spazi vuoti e facilita il raffreddamento dei diodi. Più moduli o matrici vengono quindi disposti in gruppi più grandi per formare sistemi di polimerizzazione UV di varie dimensioni (Figure 4 e 5). Ulteriori componenti necessari per costruire un sistema di polimerizzazione UV-LED includono il dissipatore di calore, la finestra di emissione, i driver elettronici, gli alimentatori CC, un sistema di raffreddamento a liquido o refrigeratore e un'interfaccia uomo-macchina (HMI).
FIGURA 4 »Il sistema LeoLED per il web.
FIGURA 5 »Sistema LeoLED per installazioni multilampada ad alta velocità.
Poiché i sistemi di polimerizzazione UV-LED non irradiano lunghezze d'onda infrarosse. Trasferiscono intrinsecamente meno energia termica alla superficie di polimerizzazione rispetto alle lampade ai vapori di mercurio, ma ciò non significa che i LED UV debbano essere considerati una tecnologia di polimerizzazione a freddo. I sistemi di polimerizzazione UV-LED possono emettere picchi di irradiazione molto elevati e le lunghezze d'onda ultraviolette sono una forma di energia. Qualunque prodotto non venga assorbito dalla sostanza chimica riscalderà la parte o il substrato sottostante, nonché i componenti circostanti della macchina.
I LED UV sono anche componenti elettrici con inefficienze dovute alla progettazione e alla fabbricazione del semiconduttore grezzo, nonché ai metodi di produzione e ai componenti utilizzati per confezionare i LED nell'unità di polimerizzazione più grande. Mentre la temperatura di un tubo al quarzo ai vapori di mercurio deve essere mantenuta tra 600 e 800 °C durante il funzionamento, la temperatura della giunzione pn del LED deve rimanere inferiore a 120 °C. Solo il 35-50% dell'elettricità che alimenta un array UV-LED viene convertito in uscita ultravioletta (altamente dipendente dalla lunghezza d'onda). Il resto viene trasformato in calore termico che deve essere rimosso per mantenere la temperatura di giunzione desiderata e garantire al sistema l'irraggiamento, la densità energetica e l'uniformità specificate, oltre che una lunga durata. I LED sono dispositivi a stato solido intrinsecamente di lunga durata e l'integrazione dei LED in gruppi più grandi con sistemi di raffreddamento adeguatamente progettati e mantenuti è fondamentale per raggiungere specifiche di lunga durata. Non tutti i sistemi di polimerizzazione UV sono uguali e i sistemi di polimerizzazione UV-LED progettati e raffreddati in modo improprio hanno una maggiore probabilità di surriscaldamento e guasti catastrofici.
Lampade ibride ad arco/LED
In qualsiasi mercato in cui viene introdotta una nuova tecnologia in sostituzione della tecnologia esistente, può esserci trepidazione riguardo all'adozione, nonché scetticismo sulle prestazioni. I potenziali utenti spesso ritardano l'adozione fino a quando non si forma una base di installazione ben consolidata, non vengono pubblicati casi di studio, le testimonianze positive iniziano a circolare in massa e/o ottengono esperienze di prima mano o referenze da individui e aziende che conoscono e di cui si fidano. Spesso sono necessarie prove concrete prima che un intero mercato abbandoni completamente il vecchio e passi completamente al nuovo. Non aiuta il fatto che le storie di successo tendano ad essere strettamente segrete poiché i primi ad adottarle non vogliono che i concorrenti ottengano vantaggi comparabili. Di conseguenza, storie di delusione sia reali che esagerate possono talvolta riverberarsi in tutto il mercato, camuffando i veri meriti della nuova tecnologia e ritardandone ulteriormente l’adozione.
Nel corso della storia, e per contrastare un’adozione riluttante, i progetti ibridi sono stati spesso adottati come ponte di transizione tra la tecnologia attuale e quella nuova. Gli ibridi consentono agli utenti di acquisire sicurezza e determinare da soli come e quando utilizzare nuovi prodotti o metodi, senza sacrificare le capacità attuali. Nel caso della polimerizzazione UV, un sistema ibrido consente agli utenti di passare rapidamente e facilmente dalle lampade ai vapori di mercurio alla tecnologia LED. Per le linee con più stazioni di essiccazione, gli ibridi consentono alle macchine da stampa di funzionare al 100% a LED, al 100% a vapori di mercurio o qualsiasi combinazione delle due tecnologie sia necessaria per un determinato lavoro.
GEW offre sistemi ibridi arco/LED per convertitori web. La soluzione è stata sviluppata per il mercato più grande di GEW, l'etichetta a bobina stretta, ma il design ibrido può essere utilizzato anche in altre applicazioni web e non web (Figura 6). L'arco/LED incorpora un comune alloggiamento della testa della lampada che può ospitare una cassetta di vapori di mercurio o LED. Entrambe le cassette funzionano con un sistema di alimentazione e controllo universale. L'intelligenza all'interno del sistema consente la differenziazione tra i tipi di cassette e fornisce automaticamente l'alimentazione, il raffreddamento e l'interfaccia operatore appropriati. La rimozione o l'installazione delle cassette a vapori di mercurio o LED di GEW viene generalmente eseguita in pochi secondi utilizzando una singola chiave a brugola.
FIGURA 6 »Sistema arco/LED per web.
Lampade ad eccimeri
Le lampade ad eccimeri sono un tipo di lampada a scarica di gas che emette energia ultravioletta quasi monocromatica. Sebbene le lampade ad eccimeri siano disponibili in numerose lunghezze d'onda, le uscite ultraviolette comuni sono centrate a 172, 222, 308 e 351 nm. Le lampade ad eccimeri da 172 nm rientrano nella banda UV del vuoto (da 100 a 200 nm), mentre quella da 222 nm è esclusivamente UVC (da 200 a 280 nm). Le lampade ad eccimeri da 308 nm emettono UVB (da 280 a 315 nm) e 351 nm sono raggi UVA solidi (da 315 a 400 nm).
Le lunghezze d'onda UV del vuoto di 172 nm sono più corte e contengono più energia dell'UVC; tuttavia faticano a penetrare molto in profondità nelle sostanze. Infatti, le lunghezze d'onda di 172 nm vengono completamente assorbite all'interno dei primi 10-200 nm della chimica formulata UV. Di conseguenza, le lampade ad eccimeri da 172 nm reticolano solo la superficie più esterna delle formulazioni UV e devono essere integrate in combinazione con altri dispositivi di polimerizzazione. Poiché le lunghezze d'onda UV del vuoto vengono assorbite anche dall'aria, le lampade ad eccimeri da 172 nm devono essere utilizzate in un'atmosfera inerte con azoto.
La maggior parte delle lampade ad eccimeri sono costituite da un tubo di quarzo che funge da barriera dielettrica. Il tubo è riempito con gas rari in grado di formare molecole di eccimeri o ecciplex (Figura 7). Gas diversi producono molecole diverse e le diverse molecole eccitate determinano quali lunghezze d'onda vengono emesse dalla lampada. Un elettrodo ad alta tensione corre lungo la lunghezza interna del tubo di quarzo e gli elettrodi di terra corrono lungo la lunghezza esterna. Le tensioni vengono pulsate nella lampada ad alte frequenze. Ciò fa sì che gli elettroni fluiscano all'interno dell'elettrodo interno e si scarichino attraverso la miscela di gas verso gli elettrodi di terra esterni. Questo fenomeno scientifico è noto come scarica della barriera dielettrica (DBD). Mentre gli elettroni viaggiano attraverso il gas, interagiscono con gli atomi e creano specie energizzate o ionizzate che producono molecole di eccimeri o ecciplex. Le molecole di eccimeri ed ecciplex hanno una vita incredibilmente breve e quando si decompongono da uno stato eccitato a uno stato fondamentale, vengono emessi fotoni con una distribuzione quasi monocromatica.
FIGURA 7 »Lampada ad eccimeri
A differenza delle lampade ai vapori di mercurio, la superficie del tubo al quarzo di una lampada ad eccimeri non si riscalda. Di conseguenza, la maggior parte delle lampade ad eccimeri funziona con un raffreddamento minimo o nullo. In altri casi, è richiesto un basso livello di raffreddamento, generalmente fornito dal gas azoto. Grazie alla stabilità termica della lampada, le lampade ad eccimeri si accendono/spengono istantaneamente e non richiedono cicli di riscaldamento o raffreddamento.
Quando le lampade ad eccimeri che irradiano a 172 nm vengono integrate in combinazione sia con sistemi di polimerizzazione UVA-LED quasi monocromatici che con lampade a vapori di mercurio a banda larga, si producono effetti superficiali opacizzati. Le lampade UVA LED vengono inizialmente utilizzate per gelificare la chimica. Lampade ad eccimeri quasi monocromatiche vengono quindi utilizzate per polimerizzare la superficie e infine lampade al mercurio a banda larga reticolano il resto della chimica. Gli esclusivi risultati spettrali delle tre tecnologie applicate in fasi separate offrono benefici effetti ottici e funzionali di polimerizzazione della superficie che non possono essere ottenuti con nessuna delle sorgenti UV da sola.
Le lunghezze d'onda degli eccimeri di 172 e 222 nm sono efficaci anche nel distruggere sostanze organiche pericolose e batteri nocivi, il che rende le lampade ad eccimeri pratiche per la pulizia, la disinfezione e i trattamenti di energia superficiale delle superfici.
Vita della lampada
Per quanto riguarda la durata della lampada o del bulbo, le lampade ad arco GEW generalmente fino a 2.000 ore. La durata della lampada non è assoluta, poiché la resa UV diminuisce gradualmente nel tempo ed è influenzata da vari fattori. Il design e la qualità della lampada, nonché le condizioni operative del sistema UV e la reattività della formulazione sono importanti. I sistemi UV adeguatamente progettati garantiscono che siano forniti la corretta alimentazione e il raffreddamento richiesti dal design specifico della lampada (lampadina).
Le lampade (lampadine) fornite da GEW garantiscono sempre la massima durata se utilizzate nei sistemi di polimerizzazione GEW. Le fonti di approvvigionamento secondarie hanno generalmente effettuato il reverse engineering della lampada da un campione e le copie potrebbero non contenere lo stesso raccordo terminale, diametro del quarzo, contenuto di mercurio o miscela di gas, tutti fattori che possono influenzare l'emissione UV e la generazione di calore. Quando la generazione di calore non è bilanciata rispetto al raffreddamento del sistema, la lampada soffre sia in termini di potenza che di durata. Le lampade che funzionano a temperature più basse emettono meno raggi UV. Le lampade che diventano più calde non durano a lungo e si deformano a temperature superficiali elevate.
La durata delle lampade ad arco a elettrodi è limitata dalla temperatura operativa della lampada, dal numero di ore di funzionamento e dal numero di accensioni o accensioni. Ogni volta che una lampada viene colpita da un arco ad alta tensione durante l'avvio, una parte dell'elettrodo di tungsteno si consuma. Alla fine, la lampada non si riaccenderà. Le lampade ad arco con elettrodi incorporano meccanismi di otturatore che, quando attivati, bloccano l'emissione UV come alternativa al ciclo ripetuto di accensione della lampada. Inchiostri, rivestimenti e adesivi più reattivi possono comportare una maggiore durata della lampada; mentre formulazioni meno reattive possono richiedere cambi di lampada più frequenti.
I sistemi UV-LED sono intrinsecamente più duraturi rispetto alle lampade convenzionali, ma anche la durata degli UV-LED non è assoluta. Come nel caso delle lampade convenzionali, i LED UV hanno dei limiti riguardo alla forza con cui possono essere guidati e generalmente devono funzionare con temperature di giunzione inferiori a 120 °C. Il sovraccarico dei LED e il sottoraffreddamento dei LED ne comprometteranno la durata, provocando un degrado più rapido o guasti catastrofici. Non tutti i fornitori di sistemi UV-LED offrono attualmente progetti che soddisfano le durate più elevate stabilite, superiori a 20.000 ore. I sistemi meglio progettati e mantenuti dureranno oltre 20.000 ore, mentre i sistemi di qualità inferiore falliranno in tempi molto più brevi. La buona notizia è che i progetti dei sistemi LED continuano a migliorare e a durare più a lungo con ogni iterazione del progetto.
Ozono
Quando le lunghezze d'onda UVC più corte colpiscono le molecole di ossigeno (O2), causano la divisione delle molecole di ossigeno (O2) in due atomi di ossigeno (O). Gli atomi di ossigeno liberi (O) si scontrano poi con altre molecole di ossigeno (O2) e formano ozono (O3). Poiché il triossigeno (O3) è meno stabile a livello del suolo rispetto al diossigeno (O2), l'ozono si trasforma facilmente in una molecola di ossigeno (O2) e in un atomo di ossigeno (O) mentre fluttua nell'aria atmosferica. Gli atomi di ossigeno liberi (O) si ricombinano quindi tra loro all'interno del sistema di scarico per produrre molecole di ossigeno (O2).
Per le applicazioni industriali di polimerizzazione UV, l'ozono (O3) viene prodotto quando l'ossigeno atmosferico interagisce con le lunghezze d'onda ultraviolette inferiori a 240 nm. Le fonti di polimerizzazione con vapore di mercurio a banda larga emettono UVC tra 200 e 280 nm, che si sovrappone a parte della regione di generazione dell'ozono, e le lampade ad eccimeri emettono UV sotto vuoto a 172 nm o UVC a 222 nm. L'ozono creato dai vapori di mercurio e dalle lampade di polimerizzazione ad eccimeri è instabile e non rappresenta un problema ambientale significativo, ma è necessario che venga rimosso dall'area circostante i lavoratori poiché è un irritante respiratorio e tossico ad alti livelli. Poiché i sistemi di polimerizzazione UV-LED commerciali emettono raggi UVA tra 365 e 405 nm, non viene generato ozono.
L'ozono ha un odore simile all'odore del metallo, di un filo che brucia, del cloro e di una scintilla elettrica. I sensi dell'olfatto umano possono rilevare l'ozono da 0,01 a 0,03 parti per milione (ppm). Anche se varia in base alla persona e al livello di attività, concentrazioni superiori a 0,4 ppm possono causare effetti respiratori avversi e mal di testa. È necessario installare un'adeguata ventilazione sulle linee di essiccazione UV per limitare l'esposizione dei lavoratori all'ozono.
I sistemi di essiccazione UV sono generalmente progettati per contenere l'aria di scarico mentre lascia le teste delle lampade in modo che possa essere convogliata lontano dagli operatori e all'esterno dell'edificio dove decade naturalmente in presenza di ossigeno e luce solare. In alternativa, le lampade prive di ozono incorporano un additivo al quarzo che blocca le lunghezze d'onda che generano ozono e le strutture che vogliono evitare condutture o fori nel tetto spesso utilizzano filtri all'uscita dei ventilatori di scarico.
Orario di pubblicazione: 19 giugno 2024
