Kwikdamp-, lichtemitterende diode (LED)- en excimerlampen zijn verschillende UV-uithardingstechnologieën. Hoewel alle drie worden gebruikt in diverse fotopolymerisatieprocessen voor het crosslinken van inkten, coatings, lijmen en extrusies, verschillen de mechanismen die de uitgestraalde UV-energie genereren, evenals de kenmerken van de bijbehorende spectrale output, volledig van elkaar. Inzicht in deze verschillen is essentieel voor de ontwikkeling van toepassingen en formuleringen, de selectie van UV-uithardingsbronnen en de integratie ervan.
Kwikdamplampen
Zowel booglampen met elektroden als elektrodeloze magnetronlampen vallen onder de categorie kwikdamplampen. Kwikdamplampen zijn een type middendruk gasontladingslamp waarbij een kleine hoeveelheid elementair kwik en inert gas in een afgesloten kwartsbuis tot plasma wordt verdampt. Plasma is een geïoniseerd gas met een extreem hoge temperatuur dat elektriciteit kan geleiden. Het wordt geproduceerd door een elektrische spanning aan te leggen tussen twee elektroden in een booglamp of door een elektrodeloze lamp in een behuizing of holte te verwarmen, vergelijkbaar met een huishoudelijke magnetron. Eenmaal verdampt, zendt het kwikplasma breedbandlicht uit over ultraviolette, zichtbare en infrarode golflengten.
Bij een elektrische booglamp wordt een spanning aangelegd om de afgesloten kwartsbuis te activeren. Deze energie verdampt het kwik tot een plasma en maakt elektronen vrij uit de verdampte atomen. Een deel van de elektronen (-) stroomt naar de positieve wolfraamelektrode of anode (+) van de lamp en in het elektrische circuit van het UV-systeem. De atomen met de nieuw ontstane elektronen worden positief geladen kationen (+) die naar de negatief geladen wolfraamelektrode of kathode (-) van de lamp stromen. Tijdens hun beweging botsen de kationen met neutrale atomen in het gasmengsel. Door deze botsing worden elektronen overgedragen van neutrale atomen naar kationen. Naarmate de kationen elektronen opnemen, komen ze in een toestand met een lagere energie terecht. Het energieverschil wordt ontladen als fotonen die vanuit de kwartsbuis naar buiten stralen. Mits de lamp voldoende stroom krijgt, correct wordt gekoeld en binnen zijn levensduur wordt gebruikt, stroomt een constante aanvoer van nieuw gevormde kationen (+) naar de negatieve elektrode of kathode (-), waar ze meer atomen raken en een continue emissie van UV-licht produceren. Magnetronlampen werken op een vergelijkbare manier, alleen vervangen microgolven, ook wel radiofrequentie (RF) genoemd, het elektrische circuit. Omdat magnetronlampen geen wolfraamelektroden hebben en simpelweg een afgesloten kwartsbuis zijn die kwik en inert gas bevat, worden ze vaak elektrodeloos genoemd.
De UV-straling van breedband- of breedspectrumkwikdamplampen omvat ultraviolette, zichtbare en infrarode golflengten, in ongeveer gelijke verhoudingen. Het ultraviolette gedeelte bestaat uit een mix van UVC (200 tot 280 nm), UVB (280 tot 315 nm), UVA (315 tot 400 nm) en UVV (400 tot 450 nm) golflengten. Lampen die UVC uitzenden met golflengten onder de 240 nm produceren ozon en vereisen afzuiging of filtratie.
De spectrale output van een kwikdamplamp kan worden aangepast door kleine hoeveelheden doperingsmiddelen toe te voegen, zoals ijzer (Fe), gallium (Ga), lood (Pb), tin (Sn), bismut (Bi) of indium (In). De toegevoegde metalen veranderen de samenstelling van het plasma en daarmee de energie die vrijkomt wanneer kationen elektronen opnemen. Lampen met toegevoegde metalen worden doperingsmiddelen, additieve lampen of metaalhalidelampen genoemd. De meeste UV-bestendige inkten, coatings, lijmen en extrusies zijn ontworpen om te voldoen aan de output van standaard kwik- (Hg) of ijzer- (Fe) gedoteerde lampen. IJzer-gedoteerde lampen verschuiven een deel van de UV-output naar langere, bijna zichtbare golflengten, wat resulteert in een betere penetratie door dikkere, sterk gepigmenteerde formuleringen. UV-formuleringen die titaniumdioxide bevatten, harden doorgaans beter uit met gallium- (GA) gedoteerde lampen. Dit komt doordat galliumlampen een aanzienlijk deel van de UV-output verschuiven naar golflengten langer dan 380 nm. Omdat titaandioxide-additieven over het algemeen geen licht absorberen boven 380 nm, zorgt het gebruik van galliumlampen met witte formuleringen ervoor dat er meer UV-energie wordt geabsorbeerd door foto-initiatoren dan door de additieven.
Spectrale profielen bieden formuleerders en eindgebruikers een visuele weergave van hoe de uitgestraalde output van een specifiek lampontwerp verdeeld is over het elektromagnetische spectrum. Hoewel verdampt kwik en additieve metalen gedefinieerde stralingseigenschappen hebben, beïnvloeden de precieze samenstelling van elementen en inerte gassen in de kwartsbuis, samen met de lampconstructie en het ontwerp van het uithardingssysteem, de UV-output. De spectrale output van een niet-geïntegreerde lamp die door een lampleverancier in de open lucht wordt gevoed en gemeten, zal anders zijn dan die van een lamp die in een lampkop met een correct ontworpen reflector en koeling is gemonteerd. Spectrale profielen zijn gemakkelijk verkrijgbaar bij leveranciers van UV-systemen en zijn nuttig bij de ontwikkeling van formuleringen en de selectie van lampen.
Een veelvoorkomend spectraalprofiel zet de spectrale bestralingssterkte uit op de y-as en de golflengte op de x-as. De spectrale bestralingssterkte kan op verschillende manieren worden weergegeven, waaronder als absolute waarde (bijv. W/cm²/nm) of als willekeurige, relatieve of genormaliseerde (eenheidsloze) maat. De profielen tonen de informatie meestal als een lijndiagram of als een staafdiagram dat de output groepeert in banden van 10 nm. De volgende grafiek van de spectrale output van een kwikbooglamp toont de relatieve bestralingssterkte ten opzichte van de golflengte voor de systemen van GEW (Figuur 1).
AFBEELDING 1 »Spectrale outputgrafieken voor kwik en ijzer.
In Europa en Azië wordt de term 'lamp' gebruikt voor de UV-uitstralende kwartsbuis, terwijl in Noord- en Zuid-Amerika de termen 'gloeilamp' en 'lampkop' door elkaar worden gebruikt. Zowel 'lamp' als 'lampkop' verwijzen naar de complete unit die de kwartsbuis en alle andere mechanische en elektrische componenten bevat.
Elektrodebooglampen
Elektrodebooglampsystemen bestaan uit een lampkop, een koelventilator of koeler, een voeding en een mens-machine-interface (HMI). De lampkop omvat een lamp (gloeilamp), een reflector, een metalen behuizing, een sluitmechanisme en soms een kwartsvenster of draadbescherming. GEW monteert zijn kwartsbuizen, reflectoren en sluitmechanismen in cassettes die eenvoudig uit de buitenste behuizing van de lampkop kunnen worden verwijderd. Het verwijderen van een GEW-cassette is doorgaans binnen enkele seconden gedaan met behulp van een inbussleutel. Omdat de UV-output, de totale grootte en vorm van de lampkop, de systeemfuncties en de benodigde randapparatuur variëren per toepassing en markt, worden elektrodebooglampsystemen over het algemeen ontworpen voor een bepaalde categorie toepassingen of vergelijkbare machinetypes.
Kwikdamplampen zenden 360° licht uit vanuit de kwartsbuis. Booglampsystemen gebruiken reflectoren aan de zijkanten en achterkant van de lamp om meer licht op te vangen en te focussen op een bepaalde afstand voor de lampkop. Deze afstand staat bekend als het focuspunt en is de plek waar de bestralingssterkte het grootst is. Booglampen zenden doorgaans 5 tot 12 W/cm² uit in het focuspunt. Omdat ongeveer 70% van de UV-straling van de lampkop afkomstig is van de reflector, is het belangrijk om reflectoren schoon te houden en periodiek te vervangen. Het niet schoonmaken of vervangen van reflectoren is een veelvoorkomende oorzaak van onvoldoende uitharding.
GEW verbetert al meer dan 30 jaar de efficiëntie van zijn uithardingssystemen, past functies en output aan de specifieke behoeften van toepassingen en markten aan en ontwikkelt een breed portfolio aan integratieaccessoires. Het resultaat hiervan is dat de huidige commerciële producten van GEW compacte behuizingen, reflectoren geoptimaliseerd voor een hogere UV-reflectie en lagere infraroodstraling, stille, geïntegreerde sluitmechanismen, webranden en -sleuven, clamshell-webtoevoer, stikstofinertisering, positief onder druk staande koppen, een touchscreen-bedieningsinterface, solid-state voedingen, een hogere operationele efficiëntie, UV-outputmonitoring en bewaking op afstand van het systeem bieden.
Bij gebruik van middendruk-elektrodelampen ligt de temperatuur van het kwartsoppervlak tussen 600 °C en 800 °C, en de interne plasmatemperatuur bedraagt enkele duizenden graden Celsius. Geforceerde lucht is de belangrijkste manier om de juiste bedrijfstemperatuur van de lamp te handhaven en een deel van de uitgestraalde infraroodenergie af te voeren. GEW voert deze lucht onderdruk aan; dit betekent dat lucht door de behuizing, langs de reflector en de lamp wordt gezogen en vervolgens uit de behuizing wordt afgevoerd, weg van de machine of het uithardingsoppervlak. Sommige GEW-systemen, zoals de E4C, maken gebruik van vloeistofkoeling, wat een iets hogere UV-output mogelijk maakt en de totale afmetingen van de lampkop verkleint.
Elektrodebooglampen hebben opwarm- en afkoelcycli. De lampen worden ontstoken met minimale koeling. Hierdoor kan het kwikplasma opwarmen tot de gewenste bedrijfstemperatuur, vrije elektronen en kationen produceren en stroom laten vloeien. Wanneer de lampkop wordt uitgeschakeld, blijft de koeling nog enkele minuten doorlopen om de kwartsbuis gelijkmatig af te koelen. Een te warme lamp zal niet opnieuw ontstoken worden en moet verder afkoelen. De lange duur van de opstart- en afkoelcyclus, evenals de degradatie van de elektroden tijdens elke spanningspuls, is de reden waarom pneumatische sluitmechanismen altijd in GEW-elektrodebooglampen zijn geïntegreerd. Figuur 2 toont luchtgekoelde (E2C) en vloeistofgekoelde (E4C) elektrodebooglampen.
AFBEELDING 2 »Vloeistofgekoelde (E4C) en luchtgekoelde (E2C) elektrodebooglampen.
UV-ledlampen
Halfgeleiders zijn vaste, kristallijne materialen die enigszins geleidend zijn. Elektriciteit stroomt beter door een halfgeleider dan door een isolator, maar niet zo goed als door een metalen geleider. Natuurlijk voorkomende, maar vrij inefficiënte halfgeleiders zijn onder andere de elementen silicium, germanium en selenium. Synthetisch vervaardigde halfgeleiders, ontworpen voor een hoge output en efficiëntie, zijn samengestelde materialen met onzuiverheden die nauwkeurig in de kristalstructuur zijn ingebed. In het geval van UV-leds is aluminiumgalliumnitride (AlGaN) een veelgebruikt materiaal.
Halfgeleiders zijn essentieel voor moderne elektronica en worden gebruikt om transistors, diodes, led's en microprocessoren te vormen. Halfgeleidercomponenten worden geïntegreerd in elektrische circuits en ingebouwd in producten zoals mobiele telefoons, laptops, tablets, huishoudelijke apparaten, vliegtuigen, auto's, afstandsbedieningen en zelfs kinderspeelgoed. Deze kleine maar krachtige componenten zorgen ervoor dat alledaagse producten functioneren en maken het tegelijkertijd mogelijk om producten compacter, dunner, lichter en betaalbaarder te maken.
In het bijzondere geval van LED's zenden nauwkeurig ontworpen en gefabriceerde halfgeleidermaterialen relatief smalle golflengtebanden van licht uit wanneer ze op een gelijkstroombron worden aangesloten. Het licht wordt alleen gegenereerd wanneer er stroom vloeit van de positieve anode (+) naar de negatieve kathode (-) van elke LED. Omdat de lichtopbrengst van LED's snel en eenvoudig te regelen en quasi-monochromatisch is, zijn LED's bij uitstek geschikt voor gebruik als: indicatielampjes; infraroodcommunicatiesignalen; achtergrondverlichting voor tv's, laptops, tablets en smartphones; elektronische displays, reclameborden en grote schermen; en UV-uitharding.
Een LED is een positief-negatieve junctie (pn-junctie). Dit betekent dat een deel van de LED een positieve lading heeft en de anode (+) wordt genoemd, en het andere deel een negatieve lading heeft en de kathode (-) wordt genoemd. Hoewel beide zijden relatief geleidend zijn, is de grens tussen de twee zijden, de zogenaamde depletiezone, niet geleidend. Wanneer de positieve (+) pool van een gelijkstroombron (DC) wordt aangesloten op de anode (+) van de LED en de negatieve (-) pool van de bron op de kathode (-), worden negatief geladen elektronen in de kathode en positief geladen elektronenvacatures in de anode door de stroombron afgestoten en naar de depletiezone geduwd. Dit is een voorwaartse polarisatie en heeft als effect dat de niet-geleidende grens wordt overwonnen. Het resultaat is dat vrije elektronen in het n-type gebied overgaan naar het p-type gebied en daar vacatures opvullen. Terwijl elektronen de grens overstromen, gaan ze over naar een toestand met een lagere energie. De bijbehorende energiedaling wordt door de halfgeleider afgegeven in de vorm van lichtfotonen.
De materialen en doteringsmiddelen waaruit de kristallijne LED-structuur is opgebouwd, bepalen de spectrale output. Commercieel verkrijgbare LED-uithardingsbronnen hebben momenteel een ultraviolette output rond 365, 385, 395 en 405 nm, een typische tolerantie van ±5 nm en een Gaussische spectrale verdeling. Hoe hoger de piek spectrale bestralingssterkte (W/cm²/nm), hoe hoger de piek van de klokvormige curve. Hoewel de ontwikkeling van UVC-LED's tussen 275 en 285 nm gaande is, zijn de output, levensduur, betrouwbaarheid en kosten nog niet commercieel haalbaar voor uithardingssystemen en -toepassingen.
Omdat de output van UV-LED's momenteel beperkt is tot langere UVA-golflengten, produceert een UV-LED-uithardingssysteem niet de breedbandige spectrale output die kenmerkend is voor middendrukkwikdamplampen. Dit betekent dat UV-LED-uithardingssystemen geen UVC, UVB, het grootste deel van het zichtbare licht en warmtegenererende infraroodgolflengten uitzenden. Hoewel dit het mogelijk maakt om UV-LED-uithardingssystemen te gebruiken in meer warmtegevoelige toepassingen, moeten bestaande inkten, coatings en lijmen die zijn geformuleerd voor middendrukkwiklampen, worden herformuleerd voor UV-LED-uithardingssystemen. Gelukkig ontwerpen chemische leveranciers steeds vaker producten met een dubbele uitharding. Dit betekent dat een formulering met dubbele uitharding, bedoeld om uit te harden met een UV-LED-lamp, ook uithardt met een kwikdamplamp (Figuur 3).
AFBEELDING 3 »Spectrale outputgrafiek voor LED.
De UV-LED-uithardingssystemen van GEW zenden tot 30 W/cm² uit bij het emitterende venster. In tegenstelling tot booglampen met elektroden, bevatten UV-LED-uithardingssystemen geen reflectoren die lichtstralen concentreren. Hierdoor treedt de piekintensiteit van de UV-LED dicht bij het emitterende venster op. De uitgezonden UV-LED-stralen divergeren naarmate de afstand tussen de lampkop en het uithardingsoppervlak toeneemt. Dit vermindert de lichtconcentratie en de intensiteit van de bestraling die het uithardingsoppervlak bereikt. Hoewel piekintensiteit belangrijk is voor de crosslinking, is een steeds hogere bestraling niet altijd gunstig en kan deze zelfs een hogere crosslinkingdichtheid remmen. Golflengte (nm), bestralingssterkte (W/cm²) en energiedichtheid (J/cm²) spelen allemaal een cruciale rol bij het uitharden, en hun gezamenlijke impact op het uithardingsproces moet goed worden begrepen bij de selectie van de UV-LED-bron.
LED's zijn Lambertiaanse lichtbronnen. Met andere woorden, elke UV-LED zendt een uniforme voorwaartse output uit over een volledige hemisfeer van 360° x 180°. Talrijke UV-LED's, elk ongeveer een vierkante millimeter groot, zijn gerangschikt in een enkele rij, een matrix van rijen en kolommen, of een andere configuratie. Deze subassemblages, modules of arrays genoemd, zijn ontworpen met een afstand tussen de LED's die zorgt voor een vloeiende overgang tussen de openingen en de koeling van de diodes vergemakkelijkt. Meerdere modules of arrays worden vervolgens in grotere assemblages geplaatst om UV-uithardingssystemen van verschillende groottes te vormen (figuren 4 en 5). Andere componenten die nodig zijn voor de bouw van een UV-LED-uithardingssysteem zijn onder andere de koelplaat, het lichtvenster, elektronische drivers, DC-voedingen, een vloeistofkoelsysteem of koeler en een HMI (Human Machine Interface).
AFBEELDING 4 »Het LeoLED-systeem voor web.
AFBEELDING 5 »LeoLED-systeem voor snelle installaties met meerdere lampen.
Omdat UV-LED-uithardingssystemen geen infraroodstraling uitzenden, dragen ze inherent minder warmte-energie over aan het uithardingsoppervlak dan kwikdamplampen. Dit betekent echter niet dat UV-LED's als kouduithardingstechnologie moeten worden beschouwd. UV-LED-uithardingssystemen kunnen zeer hoge piekstralingen produceren, en ultraviolette straling is een vorm van energie. De energie die niet door de chemicaliën wordt geabsorbeerd, zal het onderliggende onderdeel of substraat en de omliggende machineonderdelen opwarmen.
UV-leds zijn ook elektrische componenten met inefficiënties die voortkomen uit het ontwerp en de fabricage van de halfgeleider zelf, evenals uit de productiemethoden en componenten die worden gebruikt om de leds in de grotere uithardingseenheid te integreren. Terwijl de temperatuur van een kwikdampkwartsbuis tijdens bedrijf tussen de 600 en 800 °C moet worden gehouden, moet de pn-junctietemperatuur van een led onder de 120 °C blijven. Slechts 35-50% van de elektriciteit die een UV-ledarray van stroom voorziet, wordt omgezet in ultraviolette straling (sterk afhankelijk van de golflengte). De rest wordt omgezet in warmte die moet worden afgevoerd om de gewenste junctietemperatuur te handhaven en de gespecificeerde systeembestraling, energiedichtheid en uniformiteit te garanderen, evenals een lange levensduur. Leds zijn van nature duurzame halfgeleidercomponenten en de integratie van leds in grotere assemblages met goed ontworpen en onderhouden koelsystemen is cruciaal voor het behalen van de specificaties voor een lange levensduur. Niet alle UV-uithardingssystemen zijn hetzelfde en onjuist ontworpen en gekoelde UV-led-uithardingssystemen hebben een grotere kans op oververhitting en catastrofale storingen.
Boog-/LED-hybridelampen
In elke markt waar gloednieuwe technologie wordt geïntroduceerd als vervanging voor bestaande technologie, kan er terughoudendheid bestaan ten aanzien van de acceptatie en scepsis over de prestaties. Potentiële gebruikers stellen de adoptie vaak uit totdat er een goed gevestigde gebruikersbasis is gevormd, er casestudy's zijn gepubliceerd, er massaal positieve ervaringen circuleren en/of ze uit eerste hand ervaringen of referenties hebben verkregen van personen en bedrijven die ze kennen en vertrouwen. Hard bewijs is vaak nodig voordat een hele markt de oude technologie volledig loslaat en volledig overstapt op de nieuwe. Het helpt niet dat succesverhalen vaak goed bewaard geheim blijven, omdat early adopters niet willen dat concurrenten vergelijkbare voordelen behalen. Als gevolg hiervan kunnen zowel echte als overdreven verhalen over teleurstellingen soms door de markt galmen, waardoor de ware voordelen van de nieuwe technologie worden verhuld en de acceptatie verder wordt vertraagd.
Door de geschiedenis heen zijn hybride ontwerpen, als tegenwicht tegen aarzelende acceptatie, vaak omarmd als een overgangsbrug tussen bestaande en nieuwe technologie. Hybride systemen stellen gebruikers in staat om vertrouwen te winnen en zelf te bepalen hoe en wanneer nieuwe producten of methoden moeten worden gebruikt, zonder dat dit ten koste gaat van de huidige mogelijkheden. In het geval van UV-uitharding maakt een hybride systeem het mogelijk om snel en eenvoudig te wisselen tussen kwikdamplampen en LED-technologie. Voor productielijnen met meerdere uithardingsstations maken hybride systemen het mogelijk om persen volledig op LED, volledig op kwikdamp of een andere mix van beide technologieën te laten draaien, afhankelijk van de specifieke toepassing.
GEW biedt hybride boog-/LED-systemen voor webconverters. De oplossing is ontwikkeld voor GEW's grootste markt, smalbaanlabels, maar het hybride ontwerp is ook bruikbaar in andere web- en niet-webtoepassingen (Figuur 6). Het boog-/LED-systeem heeft een gemeenschappelijke lampbehuizing waarin zowel een kwikdamp- als een LED-cassette geplaatst kan worden. Beide cassettes werken op een universeel voedings- en besturingssysteem. Dankzij de intelligentie in het systeem worden de verschillende cassettetypes herkend en wordt automatisch de juiste voeding, koeling en bedieningsinterface geregeld. Het verwijderen of installeren van een van GEW's kwikdamp- of LED-cassettes is doorgaans binnen enkele seconden gedaan met behulp van één inbussleutel.
AFBEELDING 6 »Boog-/LED-systeem voor webtoepassingen.
Excimerlampen
Excimerlampen zijn een type gasontladingslamp die quasi-monochromatische ultraviolette energie uitzendt. Hoewel excimerlampen verkrijgbaar zijn in tal van golflengten, liggen de meest voorkomende ultraviolette outputwaarden rond 172, 222, 308 en 351 nm. 172-nm excimerlampen vallen binnen de vacuüm-UV-band (100 tot 200 nm), terwijl 222 nm uitsluitend UVC (200 tot 280 nm) is. 308-nm excimerlampen zenden UVB (280 tot 315 nm) uit en 351 nm is volledig UVA (315 tot 400 nm).
UV-straling met een golflengte van 172 nm in een vacuümomgeving is korter en bevat meer energie dan UVC; desondanks dringt deze straling moeilijk diep door in materialen. Sterker nog, 172 nm-golflengtes worden volledig geabsorbeerd binnen de bovenste 10 tot 200 nm van UV-formuleringen. Daardoor zullen 172 nm-excimerlampen alleen het buitenste oppervlak van UV-formuleringen uitharden en moeten ze in combinatie met andere uithardingsapparaten worden gebruikt. Omdat UV-straling in een vacuümomgeving ook door lucht wordt geabsorbeerd, moeten 172 nm-excimerlampen in een stikstofatmosfeer worden gebruikt.
De meeste excimerlampen bestaan uit een kwartsbuis die als diëlektrische barrière fungeert. De buis is gevuld met edelgassen die excimeer- of exciplexmoleculen kunnen vormen (Figuur 7). Verschillende gassen produceren verschillende moleculen, en de verschillende aangeslagen moleculen bepalen welke golflengten door de lamp worden uitgezonden. Een hoogspanningselektrode loopt langs de binnenzijde van de kwartsbuis, en aardelektroden lopen langs de buitenzijde. Spanningen worden met hoge frequentie in de lamp gepulseerd. Dit zorgt ervoor dat elektronen door de interne elektrode stromen en zich door het gasmengsel naar de externe aardelektroden ontladen. Dit wetenschappelijke fenomeen staat bekend als diëlektrische barrièreontlading (DBD). Terwijl elektronen door het gas bewegen, reageren ze met atomen en creëren ze geënergeerde of geïoniseerde deeltjes die excimeer- of exciplexmoleculen produceren. Excimer- en exciplexmoleculen hebben een ongelooflijk korte levensduur, en wanneer ze van een aangeslagen toestand naar een grondtoestand overgaan, worden fotonen met een quasi-monochromatische verdeling uitgezonden.
AFBEELDING 7 »Excimerlamp
In tegenstelling tot kwikdamplampen wordt het oppervlak van de kwartsbuis van een excimerlamp niet heet. Daardoor hebben de meeste excimerlampen weinig tot geen koeling nodig. In andere gevallen is een lichte koeling vereist, die doorgaans wordt verzorgd door stikstofgas. Dankzij de thermische stabiliteit van de lamp zijn excimerlampen direct aan en uit te schakelen en vereisen ze geen opwarm- of afkoelcyclus.
Wanneer excimerlampen met een golflengte van 172 nm worden gecombineerd met quasi-monochromatische UVA-LED-uithardingssystemen en breedbandkwikdamplampen, ontstaan matte oppervlakte-effecten. Eerst worden UVA-LED-lampen gebruikt om de chemische samenstelling te geleren. Vervolgens worden quasi-monochromatische excimerlampen gebruikt om het oppervlak te polymeriseren, en ten slotte zorgen breedbandkwikdamplampen voor de verknoping van de rest van de chemische samenstelling. De unieke spectrale output van de drie technologieën, die in afzonderlijke fasen worden toegepast, levert gunstige optische en functionele oppervlakte-uithardingseffecten op die met geen van de UV-bronnen afzonderlijk kunnen worden bereikt.
Excimerstraling met golflengten van 172 en 222 nm is ook effectief in het vernietigen van gevaarlijke organische stoffen en schadelijke bacteriën, waardoor excimerlampen praktisch zijn voor oppervlaktereiniging, desinfectie en oppervlaktebehandelingen met energie.
Lamplevensduur
Wat de levensduur van de lamp of gloeilamp betreft, gaan de booglampen van GEW over het algemeen tot 2000 uur mee. De levensduur van een lamp is echter geen absolute waarde, aangezien de UV-output geleidelijk afneemt en beïnvloed wordt door diverse factoren. Het ontwerp en de kwaliteit van de lamp, evenals de bedrijfsomstandigheden van het UV-systeem en de reactiviteit van de formulering zijn van belang. Goed ontworpen UV-systemen zorgen ervoor dat het juiste vermogen en de juiste koeling, afhankelijk van het specifieke lampontwerp, worden geleverd.
Door GEW geleverde lampen (gloeilampen) hebben altijd de langste levensduur bij gebruik in GEW-uithardingssystemen. Secundaire leveranciers hebben de lamp doorgaans nagemaakt op basis van een voorbeeld, en de kopieën bevatten mogelijk niet dezelfde eindfitting, kwartsdiameter, kwikgehalte of gasmengsel. Dit kan allemaal van invloed zijn op de UV-output en warmteontwikkeling. Wanneer de warmteontwikkeling niet in balans is met de koeling van het systeem, lijdt de lamp daaronder in zowel output als levensduur. Lampen die koeler werken, produceren minder UV-straling. Lampen die warmer worden, gaan minder lang mee en vervormen bij hoge oppervlaktetemperaturen.
De levensduur van booglampen wordt beperkt door de bedrijfstemperatuur van de lamp, het aantal bedrijfsuren en het aantal keren dat de lamp wordt gestart of ontstoken. Elke keer dat een lamp tijdens het opstarten wordt ontstoken met een hoogspanningsboog, slijt er een klein beetje van de wolfraamelektrode weg. Uiteindelijk zal de lamp niet meer opnieuw ontstoken kunnen worden. Booglampen zijn voorzien van een sluitmechanisme dat, wanneer het is ingeschakeld, de UV-straling blokkeert als alternatief voor het herhaaldelijk in- en uitschakelen van de lamp. Meer reactieve inkten, coatings en lijmen kunnen resulteren in een langere levensduur van de lamp; minder reactieve formuleringen vereisen daarentegen mogelijk vaker een lampvervanging.
UV-LED-systemen gaan inherent langer mee dan conventionele lampen, maar de levensduur van UV-LED's is ook niet absoluut. Net als bij conventionele lampen hebben UV-LED's beperkingen wat betreft de belasting die ze aankunnen en moeten ze over het algemeen werken met een junctietemperatuur onder de 120 °C. Overbelasting en onvoldoende koeling van LED's verkorten de levensduur, wat leidt tot snellere degradatie of catastrofale uitval. Niet alle leveranciers van UV-LED-systemen bieden momenteel ontwerpen aan die voldoen aan de hoogst vastgestelde levensduur van meer dan 20.000 uur. De beter ontworpen en onderhouden systemen gaan langer mee dan 20.000 uur, terwijl de mindere systemen binnen een veel kortere periode defect raken. Het goede nieuws is dat LED-systeemontwerpen steeds beter worden en met elke nieuwe versie langer meegaan.
Ozon
Wanneer kortere UVC-golflengten zuurstofmoleculen (O2) raken, zorgen ze ervoor dat zuurstofmoleculen (O2) zich splitsen in twee zuurstofatomen (O). De vrije zuurstofatomen (O) botsen vervolgens met andere zuurstofmoleculen (O2) en vormen ozon (O3). Omdat tri-zuurstof (O3) minder stabiel is op grondniveau dan di-zuurstof (O2), zet ozon zich gemakkelijk weer om in een zuurstofmolecuul (O2) en een zuurstofatoom (O) wanneer het door de atmosferische lucht zweeft. Vrije zuurstofatomen (O) recombineren vervolgens met elkaar in het uitlaatsysteem om zuurstofmoleculen (O2) te produceren.
Bij industriële UV-uithardingstoepassingen wordt ozon (O3) geproduceerd wanneer atmosferische zuurstof reageert met ultraviolette golflengten onder de 240 nm. Breedband kwikdamp-uithardingslampen zenden UVC uit tussen 200 en 280 nm, wat gedeeltelijk overlapt met het ozongenererende gebied, en excimerlampen zenden vacuüm-UV uit bij 172 nm of UVC bij 222 nm. De ozon die door kwikdamp- en excimerlampen wordt geproduceerd, is instabiel en vormt geen significant milieuprobleem, maar het is noodzakelijk dat deze uit de directe omgeving van werknemers wordt verwijderd, omdat het irriterend is voor de luchtwegen en in hoge concentraties giftig is. Omdat commerciële UV-LED-uithardingssystemen UVA-straling uitzenden tussen 365 en 405 nm, wordt er geen ozon gegenereerd.
Ozon heeft een geur die lijkt op die van metaal, een brandende draad, chloor en een elektrische vonk. Het menselijk reukvermogen kan ozon detecteren bij concentraties van slechts 0,01 tot 0,03 ppm. Hoewel dit per persoon en activiteitsniveau verschilt, kunnen concentraties hoger dan 0,4 ppm leiden tot nadelige effecten op de luchtwegen en hoofdpijn. Voldoende ventilatie is noodzakelijk bij UV-uithardingslijnen om de blootstelling van werknemers aan ozon te beperken.
UV-uithardingssystemen zijn over het algemeen zo ontworpen dat de uitlaatgassen die uit de lampkoppen komen, worden opgevangen, zodat ze via kanalen van de operators naar buiten kunnen worden afgevoerd, waar ze op natuurlijke wijze afbreken in aanwezigheid van zuurstof en zonlicht. Als alternatief bevatten ozonvrije lampen een kwartsadditief dat ozonvormende golflengten blokkeert. Bedrijven die het aanleggen van kanalen of het maken van gaten in het dak willen vermijden, gebruiken vaak filters bij de uitlaat van de afzuigventilatoren.
Geplaatst op: 19 juni 2024
