UV-LED紫外光固化技术在家具与木制品表面装饰中的应用

家具2020年第41卷第6期

Furniture2020Vol.41No.6 UV-LED紫外光固化技术在家具与木制品

表面装饰中的应用

吴智慧

(南京林业大学家居与丁.业设计学院，南京210037)

摘要：UV-LED(ultraviolet light-emitting diodes)紫外光固化是一种新兴的、环保的固化技术，是利用LIV-LED

灯发出的紫外光引发UV树脂的瞬间光化学反应，在物体表面形成具有网状化学结构的涂层，UV-LED紫外光固化

技术具有高效、节能、环保、经济、适应性广等特点目前UV-LED灯正在逐渐取代传统UV汞灯，并已成为众多UV

涂料、UV油墨等树脂紫外光固化的选择方向。主要总结和概述了紫外光(UV)固化的原理、紫外光(UV)光源及设

备,UV-LED紫外光固化技术的应用等，以期为UV-LED紫外光固化技术在家具与木制品表面装饰中得到推广应用

提供借鉴和参考

关键词：家具；木制品；涂饰；数码喷墨打印;UV-LED；紫外光固化

中图分类号:TS664文献标志码：A文章编号:1000-4629(2020)06-0019-07

Application of Ultraviolet Curing Technology with UV-LED in the

Surface Coating of Furniture and Wood Products

WU Zhihui

(College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University,Nanjing210037.China)

Abstract:UV-LED(ultraviolet light-emitting diodes)curing is a kind of new and environ m en t ell protec

tion curing technology.It use the ultraviolet light emitted by UV-LED lamps to initiate UV resin instant

photochemical reaction and form coating with inesh structure in the surface of substrates.UV-LED curing technology has such advantages as higher efficiency,energy saving,better environmental protection,economy,and wide adaptability,etc.At present,the UV-LED lamp are gradually replacing traditional UV mercury lamp,and has become a choice direction of UV curing for many UV resins as UV coating and UV ink.The summarization of the principle of the ultraviolet(UV)curing,ultraviolet(UV)light source and

the equipment,the application of UV・LED curing technology,etc.,will provide practical reference for UV-LED curing technology widely to be used in the surface coating of furniture and wood products.

Key words:furniture;wood products;coating;digital ink-jet printing;ultraviolet light-emitting diodes (UV-LED);ultraviolet curing

紫外光(UV)辐射固化技术自20世纪开发和应用以来，已成为一种较成熟的涂装技术.一直被印

刷、表面装饰等行业广泛应用。近年来，随着led 技术的发展,U V-LED固化作为一种新兴的、环保的固化技术，其利用UV-LED光源产生的特定紫外光引发UV树脂产生瞬间光化学反应，在基材表面形成具有三维网状结构的亮光涂层、漆膜或立体实物，可适用于UV涂料、UV油墨、UV胶黏剂的快速固化以及UV树脂的快速成型加工。

与此同时,UV-LED紫外光固化作为一种全新的绿色技术，利用UV-LED涂料.UV-LED油墨等对各种基材进行表面装饰，具有不含挥发性有机化合物、无汞辐射污染、对环境污染小，固化速度快、生产效率高，节省能源、固化性能好，适用于自动流水线生产等优点“J其应用范围也已开始日益扩大。目前UV-LED固化技术已逐渐取代传统UV汞灯固化.成为很多UV涂料固化和家具、木制品涂装生产的优先选择。

基金项日：“十三五”国家重点研发计划专项项目课题(2016YFD0600704)

作者简介：吴智慧(1963—)，男，教授.研究方向为家具设计与T.程。E-mail:***************：

引文格式：吴智慧.UV-LED紫外光固化技术在家具与木制品表面装饰中的应用[J].家具,2020.41(6)：19-25.

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1紫外光(UV)固化原理

近年来，由于紫外光(UV)涂料及UV固化技术具有优良的性能，符合当前人们环保意识不断增强的需求，

因而在纸张、木器、塑料、金属、光盘、光纤等基材上获得了很好的应用据报道，我国紫外光固化领域发展速度惊人，每年都以20%-30%的速度增长，在印刷、包装、涂装及表面装饰等众多领域的应用越来越广泛，并具有巨大的发展潜力。

1.1紫外光(UV)波长

紫外光又称紫外线(ultraviolet，简称UV).紫外光在电磁波谱中，其波长比可见光短，但比X射线长，其有效波长范围可分为3个不同的波段(图1)：长波紫外光UVA(315〜400nm)、中波紫外光UVB (280〜315nm)、短波紫外光UVC(210〜280nm)。目前，工业用UV光源波长范围是200-400nm，其中，用于UV固化的主要是UVA和UVB紫外线，一般以365nm为中心；UVC紫外线具有紫外光杀菌作用，并以253.7nm左右为最佳。

可见光红外线

紫外线

UVC(100-280nm)UVB(280〜315nm)UVA(315~-400nm)

图1紫外光(UV)波长范围

Fig.1The wavelength coverage of ultraviolet

1.2紫外光(UV)固化

紫外光固化(UV curing)是利用光引发剂(或光敏剂)在紫外光照射下形成的活性自由基或离子，使液态树脂产生聚合、接枝和交联等化学反应而实现固化的工艺过程简单地说.UV固化就是用紫外光(UV)来照射液态的材料使其硬化的过程(图2)。

UV固化与传统的树脂干燥固化过程相似，但其原理不同。传统的树脂干燥固化一般借助于涂敷材料中溶剂的挥发而形成硬化；而UV固化是一种光化学反应或辐射固化，是利用紫外光(UV)照射涂层产生辐射聚合、辐射接枝和辐射交联等反应，迅速将低分子量物质转变成高分子量产物，实现硬化的过程，涂层体系中不含溶剂或含极少量溶剂，因而几乎无溶剂挥发，产品并可直接使用。因此，自20世纪60年代末以来，这一技术在国际上得到快速发展，并在许多与涂装、印刷等相关的行业都得到广泛应用。

UV固化是具有“5E”特点的一项绿色工业的新技术。“5E”主要是指：1)高效(efficient)：UV固化能实现瞬间完全固化，其生产效率高；2)节能(energy saving)：U V固化是常温快速固化，其能源消耗低；

3)环保(environmental friendly):UV固化无挥发性有机化合物产生，其环保性好;4)经济(economy)：UV固化能实现流水线生产，其劳动生产率高、涂膜性能好、生产成本较低；5)适应性广(enabling)：UV 固化适应于木材、纸张、塑料、金属等多种基材，其用途较广。

图2【JV固化过程

Fig.2The process of UV curing

1.3紫外光(UV)树脂

UV树脂又称光敏树脂，是一种受紫外光线照射后，能在较短的时间内迅速发生交联化学反应而固化成膜的低聚物4®。UV树脂是一种低分子量的感光性树脂，具有在UV照射下可进行反应或聚合的不饱和碳碳双键或环氧基等基团。UV树脂主要有溶剂型和水性两大类心。U V树脂是UV涂料、UV油墨、UV胶黏剂等的主要组分。

(DUV涂料：UV涂料能在UV灯管(紫外线光子)照射下固化，通常只需几秒钟或更短时间.可进行快速连续化作业，大幅度地提高生产效率旧何。UV涂料主要由低聚物(UV树脂)、单体(活性稀释剂)、光引发剂和助剂等四部分组成，其固化机理主要是在UV光辐射作用下.光引发剂逐渐分解成一定量的活性自由基，从而引发低聚物与单体的聚合交联，实现涂层固化的目的。

(2)

UV油墨：UV油墨与UV涂料一样，也是由UV树脂、单体、光引发剂和助剂等四部分组成，也是在紫外光照射下，利用不同波长和能量的紫外光使油墨中的组分发生光化学反应、交联聚合而实现快速固

化成膜。UV油墨是一种不含挥发性有机溶剂、干燥速度快、色彩鲜艳，以及光泽、附着力、耐

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水、耐溶剂、耐磨性都很好的油墨，已成为一种较成熟的油墨技术川切，广泛应用于印刷领域"⑷。

2紫外光（UV）光源及辐射装置

目前.主流的紫外光（UV）固化的方式有UV汞灯与UV-LED两种光源.其原理都是通过发射出一定的紫外光波段，对涂料（油漆）、油墨、胶粘剂（胶水）等进行引发聚合交联固化这两种固化方式最大区别在于:UV汞灯是光导管输出；UV-LED 是直接的照射头。

2.1UV汞灯

（DUV汞灯的种类：UV汞灯又称UV灯管或UV水银灯（图3）.U V固化常用弧光放电灯，是在真空石英管中加入定量的高纯汞（水银），通过对两端电极提供电压差引起离子放电，从而产生紫外光线辐射

图3UV汞灯

Fig.3The UV mercury lamps

UV汞灯按波段的不同可分为UVA、UVB、UVC，各具有不同的用途。同时，也可分为低压汞灯和高压汞灯两种冋。其中，低压汞灯是指水银（汞）的蒸气压力小于1个大气压的汞蒸气弧光灯，其发射波长在UVC区，主要波长范围为200〜270nm.其中，主射线或中心波长为253.7nm，主要用于杀菌消毒等，因而又称“杀菌灯”；低压汞灯光强低，光固化速度慢，发热量小，有时也用于树脂或涂膜的预固

化。高压汞灯的水银（汞）蒸气压为2〜5个大气压，其发射波长在UVB和UVA区，固化用的高压汞灯的能量主要集中在UVA波段.主要波长范围为350〜400nm，辐射峰值以365nm为中心，主要应用于UV涂料（油漆）、UV油墨、UV胶黏剂的固化等，这类高压汞灯又称“固化灯”。

（2）UV汞灯的特性h祸:UV汞灯的UV点光源需要UV光导管的传输，再好的UV光导管的光传输率都达不到100%,—般为60%〜80%。另外,UV汞灯的光看上去亮度很亮，热量很高，其实UV汞灯发光不是纯紫外光.其波长范围（光谱）很宽，真正起有效固化作用的只是其中一部分的紫外光波段，而大部分是可见光段（杂光），会对操作人员的眼睛有损伤，并且如果照射时间稍长.温度就会过高，不仅会影响涂层固化质量，也容易使加工工件产生热变形，因此不适合用于固化热敏材料（如薄膜、塑料等）上的涂料或油墨。

UV汞灯的使用寿命是指其能维持足够的能量进行正常工作的时间。由于UV汞灯的能量会随着工作时间的增加而逐渐衰减.所以常用的标准UV 汞灯的使用寿命短，一般只有可正常使用的时间约为1000小时，因而需要经常更换灯管，损耗大。

UV汞灯一般都会有一定的紫外线辐射逸出；同时.UV汞灯在一定波长下还会有臭氧产生。因此.在使用紫外光干燥固化设备时必须保证紫外线辐射不会从设备中逸出，必须抽除产生的臭氧，以免危害操作人员的人身健康。

目前，UV汞灯仍是UV固化的主流光源，也被使用了很长时间。但由于UV固化的高压汞灯一般都会有光能衰减快、使用寿命短、耗电量较大、光效率不高、固化速度慢、稳定性较差、对人有伤害、设备体积大、使用成本高等缺陷或问题，所以其使用也逐渐受到一定的局限，尽管业界一直致力改进，但一直难以突破。

（3）U V汞灯的辐射固化阳：在家具与木制品涂饰中，UV固化干燥装置常设有两个区域，前端为预固化区，由几十支低压汞灯按一定方式配置而成；后侧为主固化区，由几支高压汞灯构成。如图4所示为UV汞灯辐射固化机及其示意图。

a）UV汞灯辐射固化机示意图（1、T.件;2和3、低压汞灯预固化区；

4、吸风口；5和6、高压汞灯主固化区;7、传送带）

b）常见UV汞灯辐射固化机

图4UV汞灯辐射固化机

Fig.4UV mercury lamp radiation curing machine

已涂上涂料的板式部件由传送带运送到紫外线辐射装置的预固化区.通过低压汞灯照射几分

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钟，使光敏涂料的涂层预固化，接着再通过主固化区由高压汞灯所产生的紫外线辐射.经几十秒钟即能使涂层达到充分固化，整个涂层干燥过程仅需5 -7min此外.也有的固化装置只有几支高压汞灯组成主固化区，没有预固化区。一般常用的紫外线光固化设备均包括淋涂（淋涂机）和涂层固化（干燥装置）两部分。

目前，常用的UV高压汞灯会有60%的功率属于红外辐射，其灯管表面温度可达700-800°C O因而，在UV固化装置中一般会采用高功率UV汞灯或多灯系统，以及风冷却、水冷却、加装光学片和加装反射灯罩等多种防护措施来调节辐射温度，既要避免使基材过热.又要有利于涂层固化。

2.2UV LED光源

2.2.1UV-LED的概念与类型

UV-LED又称紫外发光二极管（ultraviolet light emitting diodes），是LED的一种（图5），采用LED发光方式"伯。LED的主体是一块电致发光的半导体材料.电流越强、发光越强LED光源以“节能、环保、高效”著称，是替代传统UV汞灯光源技术的一种更安全、更环保、更经济的选择」

UV-LED的波长范围为260〜400nm.是单波长的不可见光，一般在400nm以下"也UV-LED 不像传统UV汞灯有较宽的波长（光谱）范围目前，用于UV-LED固化的主要有365、385和395nm，尤其以395nm为主，以满足不同UV涂料或UV油墨在不同材质上的要求网一

UV-LED光源根据不同的应用领域，一般可分为:UV LED点光源,UV-LED线光源和UV-LED面光源3种，就光强度而言，三者依次递减。通过专门设计可使UV-LED发出一个完整连续紫外光带（图5），满足涂层的固化需要网

图5UV-LED灯

Fig.5UV-LED lamps

2.2.2UV-LED的特性

采用UV-LED光源的紫外线辐射固化具有以下优点阿:

（l）LED灯泡使用寿命长。相对于传统UV汞灯固化设备，汞灯使用寿命只有1000~3000h；而UV-LED灯在发光过程中不会产生大量热量，其使用寿命达到20000〜30000h，是传统汞灯的10倍以上；LED可以瞬间点亮工作，苴采用点控方式的使用寿命相当于汞灯方式的30〜40倍。而传统汞灯由于启动慢，经常开闭会影响寿命.所以需要一直开启，因而寿命短、耗能大。

（3）超强照度，生产效率高。UV-LED具有大功率LED芯片和特殊的光学设计，能实现了比传统汞灯照射方式更加优化的高强度输出与均匀性，使紫外光达到高精度、高强度的照射，能量高、光输出稳定，照射均匀效果好；与传统汞灯相比，可减少灯泡的更换次数，维护简单方便，生产效率可提高20%o （4）发光效率高.能耗成本低UV LED的有效发光效率比UV汞灯高10倍以上；而且.UV-LED可以瞬间开关，不需要预热即可达到最大功率紫外输出，关闭后可以瞬间重新开机.只在开机照射时才有电力消耗，因而其耗电量仅为传统汞灯的10%~ 20%，可节能80%〜90%，而且能源衰减率只有1%，维护成本较低，可节省70%左右的运营成本；而汞灯使用时需要连续点亮，不管其是否进行有效照射，都一直有电力消耗。

（5）二极管发光，环保无污染.传统的UV汞灯的灯泡内有水银，如使用或废品处理不当都会对环境造成污染；而LED不会对环境产生污染，同时，UV LED的亮度低于传统灯泡。因此使用UV-LED 式固化机更加环保。

总之,UV-LED光源辐射固化是高纯度紫外线照射，是线光源.使用寿命长，寿命不受开闭次数影响；是冷光源.能量高、照射均匀；超强照度，发光效率和生产效率高，电能消耗成本低；不含汞、无臭氧，

无毒无害无辐射。因此,UV LED光源与传统UV汞灯的固化相比，其更快速、更高效、更安全、更环保、更绿色。

3UV LED固化技术在表面涂装中的应用

由于传统UV涂料的涂装是靠汞灯进行光固化，在生产过程中，会有臭氧产生、有辐射污染、电能消耗高、汞灯寿命短、报废处理难等问题，近年来. UV-LED涂装技术已受到行业的关注，相比传统汞

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灯的UV固化技术,UV-LED涂装固化技术有能耗低、寿命长、效率高、易维护、更环保等的巨大优势。3.1UV LED涂装的类型

（1）UV-LED涂料种类：从涂料种类上主要有溶剂型UV-LED涂料、水性UV-LED涂料；从涂料用途上主要有UV LED腻子,UV-LED底漆,UV-LED 面漆等。

（2）UV-LED涂装方式：从涂装设备上主要有车昆涂机车昆涂、淋涂机淋涂、喷涂机或人工喷涂（包括往复喷、静电喷、真空喷）等；从应用范围上主要有木地板涂装、木门涂装、木家具涂装、板材涂装（预油漆）等。

3.2UV LED涂装的固化装置

目前常见形式是定型的往复式UV-LED固化机（图6）1181，也有直接在原有的UV涂装生产线（或设备）中改装UV-LED光源，常与辘涂机、淋涂机、水平往复式喷涂机等配套，适合于木地板、木门、家具板件、装饰板材等较为规则的板式部件的光固化；

图6UV-LED固化机

Fig.6UV-LED curing machine

近几年来，鉴于LED的小尺寸和灵巧性特征，UV-LED面光源体系可以依据客户要求加工成任意形状，主要有吊线UV-LED固化系统、地盘线UV-LED固化系统、辐筒线UV-LED戮可以与垂直往复式喷涂机、机器人（或机械手）喷涂机、人工喷涂等配套，特别适合于具有异型非规整零部件或产品的光固化。

3.3UV LED涂装的技术前景

随着我国环保政策和法律法规相继颁布实施.家具与木制品涂装的技术改造、技术升级已经越来越受到关注.其中，随着LED技术的不断发展和股份应用，UV-LED涂装固化技术必将是一个重要的选择途径。

（1）由传统UV汞灯光固化向UV-LED灯光固化发展:UVLED固化是一种新兴的、环保的固化技术，与传统UV汞灯固化技术相比，其具有能耗低、寿命长、效率高、易维护、更环保等优势，必将会取代传统UV汞灯，成为UV涂料固化和家具、木制品涂装生产的主要选择。

（2）由传统UV涂料向UV-LED涂料发展：传统UV涂料是面向UV汞灯光固化技术及其设备的，其光引发剂（光敏剂）适应的紫外光区比较宽，一般在250〜420nm，其中适合高压UV汞灯的波段为350〜4

00nm，而且是连续光谱波段；而目前用于UVLED固化的是窄光谱.主要有365、385和395nm，尤其以395nm为主。因而，UV-LED涂料的选择性固化比传统UV涂料的要好，这也促进了UV-LED 光引发剂产品和技术的发展。

（3）由传统UV涂料向水性UV-LED涂料发展：随着近年来我国“油改水”政策的实施，水性木器涂料已逐步得到广泛应用；与此同时，随着UV涂装生产线技术及设备的提升，适合于楹涂、淋涂、喷涂的水性UV涂料、水性UV-LED涂料也开始分别得到研发与示范应用。这同样取决于水性光引发剂（WSP）的产品和技术的发展。

（4）由传统UV固化机向UV-LED固化系统发展：由于传统UV汞灯是通过真空石英管中的汞（水银）弧光放电而产生紫外光线，因而，其辐射固化装置一般只适用于平面型板件的涂装；而UV LED是二极管发光，具有点光源、线光源和面光源等种类，尤其是由UV-LED面光源体系构成的UV-LED固化系统，特别适合于异型非规整零部件或产品的光固化。

4UV LED固化技术在数码喷墨打印中的应用

喷墨打印（inkjet）又称喷印，是利用喷头把微小的油墨液滴喷射至基材（支持物）表面的设定位置上，并快速干燥固化成形的一种印刷方法即旳。近年来.随着数字化技术和LED技术的发展.数码喷墨打印技术已开始在印刷、喷绘、表面装饰等领域逐步推广应用。

4.1数码喷舉打印的概述

数码喷墨打印（digital inkjet printing）也称数码喷印、数码打印、数字喷墨印刷，是在计算机控制下.将数字信息生成的高分辨率图像，通过喷头使油墨墨水形成细微墨滴后直接喷射到基材表面，并迅速固化形成装饰纹样或图案的方法冋创。墨滴越小，打印的图案就越清晰，从技术原理上，数码喷墨打印也属于3D打印或增材制造，是融合了数字化设计技术、材料成形技术、以数码文件为基础，通过数控软件与设备系统将专用的油墨材料喷射到

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