Le lampade a vapori di mercurio, a diodi a emissione di luce (LED) e a eccimeri sono tecnologie distinte per la fotopolimerizzazione. Sebbene tutte e tre siano utilizzate in diversi processi di fotopolimerizzazione per reticolare inchiostri, rivestimenti, adesivi ed estrusi, i meccanismi che generano l'energia UV irradiata, così come le caratteristiche del corrispondente spettro di emissione, sono completamente diversi. Comprendere queste differenze è fondamentale per lo sviluppo di applicazioni e formulazioni, la selezione della sorgente di fotopolimerizzazione e l'integrazione.
Lampade a vapori di mercurio
Sia le lampade ad arco con elettrodi che le lampade a microonde senza elettrodi rientrano nella categoria delle lampade a vapore di mercurio. Le lampade a vapore 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 riscaldando a microonde una lampada senza elettrodi all'interno di un involucro o di una cavità simile a un forno a microonde domestico. Una volta vaporizzato, il plasma di mercurio emette luce ad ampio spettro nelle lunghezze d'onda ultraviolette, visibili e infrarosse.
Nel caso di una lampada ad arco elettrico, una tensione applicata alimenta il tubo di quarzo sigillato. Questa energia vaporizza il mercurio trasformandolo in plasma e libera elettroni dagli atomi vaporizzati. Una parte degli elettroni (-) fluisce verso l'elettrodo di tungsteno positivo, o anodo (+), della lampada e nel circuito elettrico del sistema UV. Gli atomi con gli elettroni appena persi diventano cationi caricati positivamente (+) che fluiscono verso l'elettrodo di tungsteno caricato negativamente, o catodo (-), della lampada. Muovendosi, i cationi colpiscono gli atomi neutri nella miscela gassosa. L'impatto trasferisce elettroni dagli atomi neutri ai cationi. Man mano che i cationi acquisiscono elettroni, passano a uno stato energetico 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, un flusso costante di cationi (+) appena creati gravita verso l'elettrodo negativo, o catodo (-), colpendo altri atomi e producendo un'emissione continua di luce UV. Le lampade a microonde funzionano in modo simile, con la differenza 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 definite senza elettrodi.
Le lampade a vapori di mercurio a banda larga o ad ampio spettro emettono raggi UV che coprono lunghezze d'onda ultraviolette, visibili e infrarosse, in proporzioni approssimativamente uguali. La componente ultravioletta include 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 un sistema di aspirazione o filtraggio.
Lo spettro di emissione di una lampada a vapori di mercurio può essere modificato 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 acquisiscono elettroni. Le lampade con metalli aggiunti sono dette anche dopate, additive o ad alogenuri metallici. La maggior parte degli inchiostri, rivestimenti, adesivi ed estrusi formulati per UV sono progettati per eguagliare l'emissione di lampade standard dopate al mercurio (Hg) o al ferro (Fe). Le lampade dopate al ferro spostano parte dell'emissione UV verso lunghezze d'onda più lunghe, vicine al visibile, il che si traduce in una migliore penetrazione attraverso formulazioni più dense e fortemente pigmentate. Le formulazioni UV contenenti biossido di titanio tendono a polimerizzare meglio con lampade dopate al 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 a base di biossido di titanio generalmente non assorbono la luce al di sopra dei 380 nm, l'utilizzo di lampade al gallio con formulazioni a luce bianca consente un maggiore assorbimento di energia UV da parte dei fotoiniziatori rispetto agli additivi.
I profili spettrali forniscono a formulisti e utenti finali una rappresentazione visiva di come la radiazione emessa da una specifica lampada si distribuisce nello spettro elettromagnetico. Mentre il mercurio vaporizzato e i metalli additivi hanno caratteristiche di radiazione ben definite, la precisa miscela di elementi e gas inerti all'interno del tubo di quarzo, insieme alla costruzione della lampada e alla progettazione del sistema di polimerizzazione, influenzano l'emissione UV. L'emissione spettrale di una lampada non integrata, alimentata e misurata da un fornitore di lampade all'aria aperta, sarà diversa da quella di una lampada montata all'interno di una testa con riflettore e sistema di raffreddamento opportunamente progettati. I profili spettrali sono facilmente reperibili presso i fornitori di sistemi UV e sono utili nello sviluppo delle formulazioni e nella selezione delle lampade.
Un profilo spettrale comune riporta l'irradianza spettrale sull'asse y e la lunghezza d'onda sull'asse x. L'irradianza spettrale può essere visualizzata in diversi modi, tra cui il valore assoluto (ad esempio W/cm²/nm) o misure arbitrarie, relative o normalizzate (adimensionali). I profili solitamente mostrano le informazioni sotto forma di grafico a linee o di grafico a barre che raggruppa l'emissione in bande di 10 nm. Il seguente grafico dell'emissione spettrale di una lampada ad arco di mercurio mostra l'irradianza relativa rispetto alla lunghezza d'onda per i sistemi di GEW (Figura 1).
FIGURA 1 »Grafici dello spettro di emissione per mercurio e ferro.
In Europa e in Asia, il termine "lampada" si riferisce al tubo al quarzo che emette raggi UV, mentre in Nord e Sud America si tende a usare indifferentemente i termini "lampadina" e "lampada". Sia "lampada" che "testa della lampada" si riferiscono all'intero gruppo che ospita il tubo al quarzo e tutti gli altri componenti meccanici ed elettrici.
Lampade ad arco con elettrodo
I sistemi di lampade ad arco elettrodico 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 comprende una lampada (lampadina), un riflettore, un involucro o un corpo metallico, un gruppo otturatore e, talvolta, una finestra di quarzo o una griglia di protezione. GEW monta i suoi tubi di quarzo, i riflettori e i meccanismi dell'otturatore all'interno di cassette che possono essere facilmente rimosse dall'involucro o dal corpo esterno della testa della lampada. La rimozione di una cassetta GEW si effettua in genere in pochi secondi utilizzando una sola chiave a brugola. Poiché la potenza UV, le dimensioni e la forma complessive della testa della lampada, le caratteristiche del sistema e le esigenze di apparecchiature ausiliarie variano a seconda dell'applicazione e del mercato, i sistemi di lampade ad arco elettrodico sono generalmente progettati per una determinata categoria di applicazioni o per tipologie di macchine simili.
Le lampade a vapori di mercurio emettono luce a 360° dal tubo di quarzo. I sistemi a lampada ad arco utilizzano riflettori posizionati sui lati e sul retro della lampada per catturare e focalizzare una maggiore quantità 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 massima. Le lampade ad arco emettono tipicamente un'irradianza compresa tra 5 e 12 W/cm² nel fuoco. Poiché circa il 70% della luce UV emessa dalla testa della lampada proviene dal riflettore, è importante mantenerlo pulito e sostituirlo periodicamente. La mancata pulizia o sostituzione dei riflettori è una causa comune di polimerizzazione insufficiente.
Da oltre 30 anni, GEW si impegna a migliorare l'efficienza dei suoi sistemi di polimerizzazione, personalizzando caratteristiche e prestazioni per soddisfare le esigenze di applicazioni e mercati specifici e sviluppando un ampio portafoglio di accessori di integrazione. Di conseguenza, le attuali soluzioni commerciali di GEW includono design compatti, riflettori ottimizzati per una maggiore riflettanza UV e una riduzione dell'infrarosso, meccanismi di otturazione integrati e silenziosi, protezioni e fessure per il nastro, alimentazione del nastro a conchiglia, inerzia ad azoto, teste a pressione positiva, interfaccia operatore touchscreen, alimentatori a stato solido, maggiore efficienza operativa, monitoraggio della potenza UV e monitoraggio remoto del sistema.
Quando le lampade a elettrodo a media pressione sono in funzione, la temperatura della superficie di quarzo è compresa tra 600 °C e 800 °C, mentre la temperatura interna del plasma raggiunge diverse migliaia di gradi centigradi. L'aria forzata è il mezzo principale per mantenere la corretta temperatura di esercizio della lampada e per dissipare parte dell'energia infrarossa irradiata. Il sistema GEW fornisce quest'aria in aspirazione; ciò significa che l'aria viene aspirata attraverso l'involucro, lungo il riflettore e la lampada, ed espulsa dall'intero gruppo, lontano dalla macchina o dalla superficie di polimerizzazione. Alcuni sistemi GEW, come l'E4C, utilizzano il raffreddamento a liquido, che consente una maggiore emissione UV e riduce le dimensioni complessive della testa della lampada.
Le lampade ad arco con elettrodo hanno cicli di riscaldamento e raffreddamento. Le lampade vengono innescate con un raffreddamento minimo. Ciò consente al plasma di mercurio di raggiungere la temperatura di esercizio desiderata, produrre elettroni e cationi liberi e consentire il flusso di corrente. Quando la testa della lampada viene spenta, il raffreddamento continua per alcuni minuti per raffreddare uniformemente il tubo di quarzo. Una lampada troppo calda non si riaccenderà e deve continuare a raffreddarsi. La durata del ciclo di accensione e raffreddamento, così come il degrado degli elettrodi durante ogni scarica di tensione, sono i motivi per cui i meccanismi di otturatore pneumatico sono sempre integrati nei gruppi di lampade ad arco con elettrodo GEW. La Figura 2 mostra lampade ad arco con elettrodo raffreddate ad aria (E2C) e raffreddate a liquido (E4C).
FIGURA 2 »Lampade ad arco con elettrodo raffreddate a liquido (E4C) e ad aria (E2C).
Lampade LED UV
I semiconduttori sono materiali solidi e cristallini che presentano una certa conduttività. L'elettricità fluisce attraverso un semiconduttore meglio che attraverso un isolante, ma non altrettanto bene quanto attraverso un conduttore metallico. Tra i semiconduttori presenti in natura, sebbene piuttosto inefficienti, si annoverano il silicio, il germanio e il selenio. I semiconduttori sintetizzati, progettati per massimizzare potenza ed efficienza, sono materiali composti con impurità incorporate con precisione nella struttura cristallina. Nel caso dei LED UV, il nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) è un materiale comunemente utilizzato.
I semiconduttori sono fondamentali per l'elettronica moderna e vengono progettati per formare transistor, diodi, diodi a emissione di luce e microprocessori. I dispositivi a semiconduttore sono integrati nei circuiti elettrici e montati all'interno di prodotti come telefoni cellulari, computer portatili, tablet, elettrodomestici, aerei, automobili, telecomandi e persino giocattoli per bambini. Questi componenti minuscoli ma potenti consentono il funzionamento dei prodotti di uso quotidiano, permettendo al contempo di renderli più compatti, sottili, leggeri e convenienti.
Nel caso specifico dei LED, materiali semiconduttori progettati e realizzati con precisione emettono bande di lunghezza d'onda relativamente strette quando collegati a una sorgente di alimentazione in corrente continua. La luce viene generata solo quando la corrente fluisce dall'anodo positivo (+) al catodo negativo (-) di ciascun LED. Poiché l'emissione luminosa dei LED è facilmente e rapidamente controllabile e quasi monocromatica, i LED sono ideali per l'utilizzo come: spie luminose; segnali di comunicazione a infrarossi; retroilluminazione per TV, computer portatili, tablet e smartphone; insegne elettroniche, cartelloni pubblicitari e maxischermi; e polimerizzazione UV.
Un LED è una giunzione pn (a polarizzazione positiva). Ciò significa che una parte del LED ha una carica positiva ed è chiamata anodo (+), mentre l'altra parte ha una carica negativa ed è chiamata catodo (-). Sebbene entrambi i lati siano relativamente conduttivi, il confine di giunzione dove i due lati si incontrano, noto come zona di svuotamento, non è conduttivo. Quando il terminale positivo (+) di un alimentatore a corrente continua (CC) viene collegato all'anodo (+) del LED e il terminale negativo (-) dell'alimentatore viene collegato al catodo (-), gli elettroni caricati negativamente nel catodo e le lacune elettroniche caricate positivamente nell'anodo vengono respinti dall'alimentatore e spinti verso la zona di svuotamento. Questa polarizzazione diretta ha l'effetto di superare il confine non conduttivo. Il risultato è che gli elettroni liberi nella regione di tipo n attraversano la regione di tipo p e riempiono le lacune. Man mano che gli elettroni fluiscono attraverso il confine, passano a uno stato di energia inferiore. La corrispondente diminuzione di energia viene rilasciata dal semiconduttore sotto forma di fotoni di luce.
I materiali e i droganti che costituiscono la struttura cristallina del LED determinano l'emissione spettrale. Attualmente, le sorgenti LED per polimerizzazione disponibili in commercio presentano emissioni 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), più alto è il picco della curva a campana. Sebbene lo sviluppo di LED UVC tra 275 e 285 nm sia in corso, l'emissione, la durata, l'affidabilità e il costo non sono ancora commercialmente sostenibili per i sistemi e le applicazioni di polimerizzazione.
Poiché l'emissione UV-LED è attualmente limitata alle lunghezze d'onda UVA più lunghe, un sistema di polimerizzazione UV-LED non emette lo spettro a banda larga caratteristico delle lampade a 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 le lunghezze d'onda infrarosse che generano calore. Sebbene ciò consenta l'utilizzo dei sistemi di polimerizzazione UV-LED in applicazioni più sensibili al calore, gli inchiostri, i rivestimenti e gli adesivi esistenti formulati per le lampade a vapori di mercurio a media pressione devono essere riformulati per i sistemi di polimerizzazione UV-LED. Fortunatamente, i fornitori di prodotti chimici stanno sempre più spesso progettando soluzioni a doppia polimerizzazione. Ciò significa che una formulazione a doppia polimerizzazione, pensata per polimerizzare con una lampada UV-LED, polimerizzerà anche con una lampada a vapori di mercurio (Figura 3).
FIGURA 3 »Grafico dello spettro di emissione del LED.
I sistemi di polimerizzazione UV-LED di GEW emettono fino a 30 W/cm² in corrispondenza della finestra di emissione. A differenza delle lampade ad arco con elettrodo, i sistemi di polimerizzazione UV-LED non incorporano riflettori che dirigono i raggi luminosi verso un punto concentrato. Di conseguenza, il picco di irradianza UV-LED si verifica in prossimità della finestra di emissione. I raggi UV-LED emessi divergono tra loro all'aumentare della distanza tra la testa della lampada e la superficie da polimerizzare. Ciò riduce la concentrazione della luce e l'intensità dell'irradianza che raggiunge la superficie. Sebbene il picco di irradianza sia importante per la reticolazione, un'irradianza sempre più elevata non è sempre vantaggiosa e può persino inibire una maggiore densità di reticolazione. La lunghezza d'onda (nm), l'irradianza (W/cm²) e la densità di energia (J/cm²) svolgono tutte un ruolo fondamentale nella polimerizzazione e il loro impatto complessivo sul processo deve essere compreso appieno durante la selezione della sorgente UV-LED.
I LED sono sorgenti lambertiane. In altre parole, ogni LED UV emette una luce uniforme in avanti su un emisfero completo di 360° x 180°. Numerosi LED UV, ciascuno dell'ordine di un millimetro quadrato, sono disposti in una singola riga, in una matrice di righe e colonne o in altre configurazioni. Questi sottoassiemi, noti come moduli o array, sono progettati con spaziatura tra i LED che garantisce la miscelazione della luce negli spazi vuoti e facilita il raffreddamento dei diodi. Più moduli o array vengono quindi disposti in assemblaggi 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 multi-lampada ad alta velocità.
Poiché i sistemi di polimerizzazione UV-LED non emettono radiazioni infrarosse, trasferiscono intrinsecamente meno energia termica alla superficie di polimerizzazione rispetto alle lampade a vapori di mercurio. Tuttavia, 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 irradianza molto elevati e le lunghezze d'onda ultraviolette sono una forma di energia. Qualsiasi quantità di energia emessa non assorbita dal processo chimico riscalderà il pezzo o il substrato sottostante, nonché i componenti circostanti della macchina.
Anche i LED UV sono componenti elettrici, e le inefficienze sono dovute alla progettazione e alla fabbricazione dei semiconduttori, nonché ai metodi di produzione e ai componenti utilizzati per assemblare i LED nell'unità di polimerizzazione più grande. Mentre la temperatura di un tubo al quarzo a vapori di mercurio deve essere mantenuta tra 600 e 800 °C durante il funzionamento, la temperatura della giunzione pn del LED deve rimanere al di sotto dei 120 °C. Solo il 35-50% dell'energia elettrica che alimenta un array di LED UV viene convertita in emissione ultravioletta (fortemente dipendente dalla lunghezza d'onda). Il resto viene trasformato in calore che deve essere dissipato per mantenere la temperatura di giunzione desiderata e garantire l'irradianza, la densità di energia e l'uniformità specificate dal sistema, nonché una lunga durata. I LED sono intrinsecamente dispositivi a stato solido di lunga durata e l'integrazione dei LED in assemblaggi più grandi con sistemi di raffreddamento progettati e mantenuti correttamente è fondamentale per raggiungere le 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 inadeguato hanno una maggiore probabilità di surriscaldarsi e guastarsi in modo catastrofico.
Lampade ibride ad arco/LED
In qualsiasi mercato in cui viene introdotta una tecnologia completamente nuova in sostituzione di quella esistente, possono sorgere timori riguardo all'adozione e scetticismo sulle prestazioni. I potenziali utenti spesso ritardano l'adozione fino a quando non si forma una solida base di installazioni, non vengono pubblicati casi di studio, non iniziano a circolare numerose testimonianze positive e/o non ottengono esperienze dirette o referenze da persone e aziende che conoscono e di cui si fidano. Spesso sono necessarie prove concrete prima che un intero mercato abbandoni completamente il vecchio sistema e passi definitivamente al nuovo. A peggiorare le cose, le storie di successo tendono a essere gelosamente custodite, poiché i primi utilizzatori non vogliono che i concorrenti ottengano vantaggi comparabili. Di conseguenza, storie di delusione, sia reali che esagerate, possono talvolta diffondersi nel mercato, mascherando i veri meriti della nuova tecnologia e ritardandone ulteriormente l'adozione.
Nel corso della storia, e come contromisura alla riluttanza ad adottare nuove tecnologie, i sistemi ibridi sono stati spesso accolti come un ponte di transizione tra le tecnologie esistenti e quelle di nuova generazione. Gli ibridi consentono agli utenti di acquisire sicurezza e di decidere autonomamente come e quando utilizzare nuovi prodotti o metodi, senza sacrificare le funzionalità attuali. Nel caso della polimerizzazione UV, un sistema ibrido permette di passare rapidamente e facilmente dalle lampade a vapori di mercurio alla tecnologia LED. Per le linee con più stazioni di polimerizzazione, gli ibridi consentono alle macchine da stampa di funzionare al 100% con LED, al 100% con vapori di mercurio o con qualsiasi combinazione delle due tecnologie richiesta per una determinata lavorazione.
GEW offre sistemi ibridi arco/LED per convertitori di bobina. La soluzione è stata sviluppata per il mercato principale di GEW, quello delle etichette a banda stretta, ma il design ibrido trova applicazione anche in altri settori, sia per la stampa a bobina che per quella tradizionale (Figura 6). Il sistema arco/LED incorpora un alloggiamento comune per la testa della lampada, compatibile sia con lampade a vapori di mercurio che con LED. Entrambe le tipologie di cassette funzionano con un sistema di alimentazione e controllo universale. L'intelligenza integrata nel sistema permette di distinguere tra i diversi tipi di cassette e di fornire automaticamente l'alimentazione, il raffreddamento e l'interfaccia operatore appropriati. La rimozione o l'installazione delle cassette a vapori di mercurio o a LED di GEW si effettua in genere in pochi secondi utilizzando una sola chiave a brugola.
FIGURA 6 »Sistema ad arco/LED per il web.
Lampade a eccimeri
Le lampade a eccimeri sono un tipo di lampada a scarica di gas che emette energia ultravioletta quasi monocromatica. Sebbene le lampade a eccimeri siano disponibili in numerose lunghezze d'onda, le emissioni ultraviolette più comuni sono centrate a 172, 222, 308 e 351 nm. Le lampade a eccimeri da 172 nm rientrano nella banda UV del vuoto (da 100 a 200 nm), mentre quelle da 222 nm emettono esclusivamente UVC (da 200 a 280 nm). Le lampade a eccimeri da 308 nm emettono UVB (da 280 a 315 nm) e quelle da 351 nm emettono esclusivamente UVA (da 315 a 400 nm).
Le lunghezze d'onda UV a vuoto di 172 nm sono più corte e contengono più energia rispetto agli UVC; tuttavia, faticano a penetrare in profondità nelle sostanze. Infatti, le lunghezze d'onda di 172 nm vengono completamente assorbite entro i primi 10-200 nm dello spessore delle formulazioni chimiche UV. Di conseguenza, le lampade a 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 a vuoto vengono assorbite anche dall'aria, le lampade a eccimeri da 172 nm devono essere utilizzate in un'atmosfera inertizzata di azoto.
La maggior parte delle lampade a eccimeri è costituita da un tubo di quarzo che funge da barriera dielettrica. Il tubo è riempito con gas nobili in grado di formare molecole di eccimero o ecciplesso (Figura 7). Gas diversi producono molecole diverse e le diverse molecole eccitate determinano le lunghezze d'onda emesse dalla lampada. Un elettrodo ad alta tensione corre lungo la parte interna del tubo di quarzo, mentre gli elettrodi di terra corrono lungo la parte esterna. Vengono applicati impulsi di tensione alla lampada ad alta frequenza. Ciò provoca il flusso di elettroni all'interno dell'elettrodo interno e la loro scarica attraverso la miscela di gas verso gli elettrodi di terra esterni. Questo fenomeno scientifico è noto come scarica a barriera dielettrica (DBD). Mentre gli elettroni attraversano il gas, interagiscono con gli atomi e creano specie energizzate o ionizzate che producono molecole di eccimero o ecciplesso. Le molecole di eccimero e ecciplesso hanno una vita incredibilmente breve e, quando si decompongono dallo stato eccitato allo stato fondamentale, emettono fotoni con una distribuzione quasi monocromatica.
FIGURA 7 »Lampada a eccimeri
A differenza delle lampade a vapori di mercurio, la superficie del tubo di quarzo di una lampada a eccimeri non si riscalda. Di conseguenza, la maggior parte delle lampade a eccimeri funziona con un raffreddamento minimo o nullo. In altri casi, è necessario un basso livello di raffreddamento, che viene in genere fornito da azoto gassoso. Grazie alla stabilità termica, le lampade a eccimeri si accendono e si spengono istantaneamente e non richiedono cicli di riscaldamento o raffreddamento.
Quando le lampade a eccimeri che irradiano a 172 nm vengono integrate in combinazione con sistemi di polimerizzazione a LED UVA quasi monocromatici e lampade a vapori di mercurio a banda larga, si ottengono effetti di opacizzazione superficiale. Le lampade a LED UVA vengono utilizzate inizialmente per gelificare i reagenti chimici. Le lampade a eccimeri quasi monocromatiche vengono quindi utilizzate per polimerizzare la superficie e, infine, le lampade a vapori di mercurio a banda larga reticolano il resto dei reagenti chimici. Le caratteristiche spettrali uniche delle tre tecnologie, applicate in fasi separate, offrono effetti di polimerizzazione superficiale ottici e funzionali vantaggiosi, impossibili da ottenere con una sola delle sorgenti UV.
Le lunghezze d'onda degli eccimeri di 172 e 222 nm sono efficaci anche nella distruzione di sostanze organiche pericolose e batteri nocivi, il che rende le lampade a eccimeri pratiche per la pulizia delle superfici, la disinfezione e i trattamenti energetici delle superfici.
Vita della lampada
Per quanto riguarda la durata delle lampade o delle lampadine, le lampade ad arco di GEW hanno generalmente una durata fino a 2.000 ore. La durata della lampada non è un valore assoluto, poiché l'emissione UV diminuisce gradualmente nel tempo ed è influenzata da diversi fattori. Il design e la qualità della lampada, così come le condizioni operative del sistema UV e la reattività della formulazione, sono elementi cruciali. Sistemi UV progettati correttamente garantiscono la potenza e il raffreddamento adeguati richiesti dal design specifico della lampada (lampadina).
Le lampade (lampadine) fornite da GEW garantiscono sempre la durata maggiore se utilizzate nei sistemi di polimerizzazione GEW. I fornitori di terze parti hanno generalmente realizzato le lampade tramite ingegneria inversa a partire da un campione, e le copie potrebbero non presentare lo stesso raccordo terminale, diametro del quarzo, contenuto di mercurio o miscela di gas, fattori che possono influenzare l'emissione UV e la generazione di calore. Quando la generazione di calore non è bilanciata con il raffreddamento del sistema, la lampada ne risente sia in termini di emissione che di durata. Le lampade che funzionano a temperature più basse emettono meno raggi UV. Le lampade che funzionano a temperature più elevate durano meno a lungo e si deformano ad alte temperature superficiali.
La durata delle lampade ad arco con elettrodo è limitata dalla temperatura di esercizio, dal numero di ore di funzionamento e dal numero di accensioni o scariche. Ogni volta che una lampada viene colpita da un arco ad alta tensione durante l'avvio, una piccola parte dell'elettrodo di tungsteno si consuma. Col tempo, la lampada non si riaccenderà più. Le lampade ad arco con elettrodo incorporano meccanismi di otturazione che, una volta attivati, bloccano l'emissione di raggi UV, evitando così di dover accendere e spegnere ripetutamente la lampada. Inchiostri, rivestimenti e adesivi più reattivi possono prolungare la durata della lampada; al contrario, formulazioni meno reattive possono richiedere sostituzioni più frequenti.
I sistemi a LED UV hanno una durata intrinseca maggiore rispetto alle lampade convenzionali, ma anche la durata dei LED UV non è assoluta. Come le lampade convenzionali, i LED UV hanno dei limiti nella potenza di funzionamento e generalmente devono operare con temperature di giunzione inferiori a 120 °C. Un'eccessiva potenza di pilotaggio e un raffreddamento insufficiente dei LED ne compromettono la durata, causando un degrado più rapido o un guasto catastrofico. Non tutti i fornitori di sistemi a LED UV offrono attualmente progetti che soddisfano i più elevati standard di durata, superiori a 20.000 ore. I sistemi meglio progettati e manutenuti dureranno oltre le 20.000 ore, mentre i sistemi di qualità inferiore si guasteranno in tempi molto più brevi. La buona notizia è che la progettazione dei sistemi a LED continua a migliorare e a prolungarne la durata ad ogni iterazione progettuale.
Ozono
Quando le lunghezze d'onda UVC più corte colpiscono le molecole di ossigeno (O2), provocano la scissione di queste ultime in due atomi di ossigeno (O). Gli atomi di ossigeno liberi (O) si scontrano quindi con altre molecole di ossigeno (O2) formando ozono (O3). Poiché il triossigeno (O3) è meno stabile a livello del suolo rispetto al diossigeno (O2), l'ozono si riconverte facilmente in una molecola di ossigeno (O2) e un atomo di ossigeno (O) mentre si sposta nell'aria atmosferica. Gli atomi di ossigeno liberi (O) si ricombinano poi tra loro all'interno del sistema di scarico per produrre molecole di ossigeno (O2).
Nelle applicazioni industriali di polimerizzazione UV, l'ozono (O3) viene prodotto quando l'ossigeno atmosferico interagisce con lunghezze d'onda ultraviolette inferiori a 240 nm. Le sorgenti di polimerizzazione a vapori di mercurio a banda larga emettono UVC tra 200 e 280 nm, che si sovrappongono in parte alla regione di generazione dell'ozono, mentre le lampade a eccimeri emettono UV sottovuoto a 172 nm o UVC a 222 nm. L'ozono prodotto dalle lampade a vapori di mercurio e a eccimeri è instabile e non rappresenta un problema ambientale significativo, ma è necessario rimuoverlo dalle immediate vicinanze dei lavoratori poiché è irritante per le vie respiratorie 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 a quello del metallo, di un filo elettrico bruciato, del cloro e di una scintilla elettrica. L'olfatto umano è in grado di rilevare l'ozono a concentrazioni minime, comprese tra 0,01 e 0,03 parti per milione (ppm). Sebbene la sensibilità vari da persona a persona e in base al livello di attività, concentrazioni superiori a 0,4 ppm possono causare effetti negativi sull'apparato respiratorio e mal di testa. È necessario installare un sistema di ventilazione adeguato sulle linee di polimerizzazione UV per limitare l'esposizione dei lavoratori all'ozono.
I sistemi di polimerizzazione UV sono generalmente progettati per contenere l'aria di scarico che fuoriesce dalle lampade, in modo da poterla convogliare lontano dagli operatori e all'esterno dell'edificio, dove si decompone naturalmente in presenza di ossigeno e luce solare. In alternativa, le lampade senza ozono incorporano un additivo al quarzo che blocca le lunghezze d'onda che generano ozono, e gli impianti che desiderano evitare la canalizzazione o la realizzazione di fori nel tetto spesso utilizzano filtri all'uscita dei ventilatori di aspirazione.
Data di pubblicazione: 19 giugno 2024
