CN101142238A

CN101142238A - 旋转式紫外固化方法和设备

Info

Publication number: CN101142238A
Application number: CNA2004800422385A
Authority: CN
Inventors: S·B·希格尔
Original assignee: Con Trol Cure Inc
Current assignee: Con Trol Cure Inc
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2008-03-12

Abstract

提供一种改进的紫外固化方法和设备，以更有效地聚合和固化圆盘中或圆盘上的紫外可固化产品、制品、油墨涂料或粘合剂。有利的是，改进的旋转式紫外固化方法和设备具有特定的排列，使安装在面板上的UV－LED芯片和紫外可固化圆盘或其它紫外可固化产品、制品、油墨如紫外可固化涂料或交联剂之间发生旋转运动，以更好地固化紫外光引发剂圆盘和产品。还可以提供一个或多个保护层来保护UV LED芯片，避免其被溅射到，或者受到可能损坏或降低光发射、光密度和UV LED芯片有效性的物质的污染。

Description

旋转式紫外固化方法和设备

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种使用以阵列形式安装的UV-LED芯片来利用紫外(UV)光固化圆盘形产品、并且使所述阵列和圆盘形产品之间可以作相对移动，从而固化安置在圆盘形产品中的可固化油墨、涂料或粘合剂的方法和设备。该油墨、涂料和交联剂中含有UV光敏引发剂，这类引发剂在暴露于紫外光中时，可以将油墨、涂料和粘合剂中的单体转化为交联聚合物，从而使可固化材料凝固。

2.相关技术说明

到目前为止，已经有人提出用UV-LED阵列来固化油墨、涂料或粘合剂。

现有的建议是把非常靠近待固化产品的一个面板上处于不同阵列中的UV-LED行交错排列，使产品移动通过阵列，使阵列以大体环形的轨迹运动，以使紫外光均匀照射在产品上，以及向面板和产品之间的区域注入比空气重或比空气轻的惰性气体。

而且，已经知道对于不同厚度的油墨、涂层或粘合剂和/或油墨涂料或粘合剂中的不同组分更合适使用不同波长的紫外光。

例如，厚的聚合物需要较长的波长来固化。表面固化需要较短的波长。

此外，在制造光盘、CD中常使用紫外可固化的粘合剂和涂料。

因此，需要提供一种改进的紫外方法和设备，用于通过使紫外光和圆盘形产品相对转动而将一种或多种波长的紫外光施加到圆盘形的紫外可固化产品上，以更有效地固化产品中或产品上的紫外油墨、涂料和粘合剂。

发明简述

依据本发明，提供一种用于固化圆盘中或圆盘上的紫外可固化产品、制品、油墨、涂料或粘合剂的方法和设备，其包括以下步骤或用于实施以下步骤的机构：使安装在面板上的UV-LED芯片阵列和含有可紫外固化的产品、制品、油墨、涂料或粘合剂的圆盘之间发生相对旋转运动。

而且，依据本发明，在至少一个面板上提供至少一个UV LED组件的交错阵列，其中UV LED组件以行排列，每一行与其相邻的行交错。提供一种使面板和圆盘形产品之间发生相对旋转运动的机构。

在一个优选的实施方式中，使待固化的含有紫外可固化产品、制品或其它物品的圆盘形产品可旋转。在紫外可固化产品、制品或其它在其上具有紫外油墨、涂料或粘合剂的物品旋转通过UV LED组件的阵列的面板时，向其旋转区域内注入分子量比空气重或比空气轻的气体。

在另一个优选的实施方式中，使面板或包括四个面板的+形(十字形)结构相对于圆盘形产品旋转。

有利的是，本发明的方法和设备可以使来自具有UV-LED阵列的平直板的光施加得更为均匀。当产品和/或光固定设备相对于来自UV-LED组件的紫外光束旋转并穿过该光束时，可以得到这种结果。旋转运动能够提高均匀性。理想的是，紫外可固化产品的旋转或光阵列的旋转可以使紫外光和产品的紫外固化具有突出的均匀性。

结合附图，在以下详细说明和所附权利要求中更详细地解释本发明。

附图简要说明

图1是安装有UV-LED芯片的面板或基板的俯视图，该面板或基板位于圆盘形产品上方，使圆盘形产品在阵列下方旋转；

图2是通过图1所示的圆盘和面板或基板的垂直剖面图，还显示了一种分配设备，用于在圆盘形产品在分配设备下方旋转时，将含有紫外光引发剂的液体分配到圆盘形产品上；

图3是四个面板的+形(十字形)排列的俯视图，其中每个面板上安装有UV-LED芯片阵列，用于在圆盘上旋转；和

图4是图3所示的十字形面板组件的部分垂直剖面图，并且显示了四个阵列的UV-LED芯片和在其下方的圆盘之间的玻璃或塑料护板，还显示了圆盘面上的UV-LED芯片的辅助阵列和位于辅助阵列和圆盘面之间的玻璃或塑料护板。

发明的详细说明

在此描述用于实施本发明的优选实施方式和最佳模式的详细说明。

现在参考图1，该图中显示了一个大致矩形、水平、基本上平坦或平直的固定面板10，该面板10上安装有交错排列、偏置的UV-LED芯片14的阵列12。应理解，把阵列12显示在面板10的上表面是为了更方便地显示阵列12，而实际上，UV-LED芯片14的阵列12是安装在面板10的下表面的。图2中更好地显示了UV-LED芯片14的阵列12。可用垂直竖立的支撑结构来支撑面板10，该支撑结构的形式可以为悬臂式底座15(图2)，以使面板10可以设置在大致圆盘形产品16或者就是圆盘16的上方。图1中的箭头18指示的是UV-LED芯片设备20中圆盘16的旋转方向，该设备20包括用于固化圆盘16上或圆盘16中的紫外光引发剂的面板10。

如图2所示，设备20可包括用于支撑圆盘16的支撑垫22。支撑垫22可以固定在位于电动机26一端的输出轴24上。可以对电动机周期性地供以能量，以使位于支撑垫22上的圆盘16旋转，从而使来自UV-LED芯片阵列12的紫外光能够固化圆盘16中或圆盘16上的紫外可固化产品、制品、油墨、涂料或粘合剂。在UV-LED芯片14的阵列12和圆盘16之间，可以设置玻璃或塑料片或板28，用以保护阵列12中的UV-LED芯片，避免其遭到溅射。

UV-LED芯片14优选以偏置交错的阵列12的形式在至少一个面板10上排列。如果需要，至少一行UV LED芯片14可以发射可见光范围内的光，从而使用者可以从视觉上确定是否正在给UV LED芯片14的阵列12供电。

此外，可以向面板和产品之间的区域内提供比空气重或比空气轻的氧气之外的、非助燃性的气体，以提高紫外固化作用。而且，气体可以用风扇循环，以促进UV-LED芯片14的冷却，可以在面板10的上部安装散热片，以进一步促进UV-LED芯片14的冷却。

如图2所示，用来将含有一种或多种紫外光引发剂的液体32分配到旋转圆盘16的上表面上的是分配器30。分配器30优选位于圆盘16的上方，可以在接近圆盘16的中心处设有一个分配点34，这样分配的液体32可以在圆盘16旋转时，通过离心力放射状地向外流至圆盘16的周边处。同时，圆盘16上被紫外可固化液体涂布的部分可以在通过UV-LED芯片阵列12的下方时经从UV-LED芯片14发射出的紫外光作用而固化、聚合和凝固。

在图3中，说明了另一种用于固化在静止的或固定的圆盘16中或该圆盘16上的紫外光引发剂的UV-LED芯片设备40。如图中所示，设备40包括一个十字形或+形结构42，该结构42包括四个可旋转、大致水平、基本上平直或平坦的部分或面板44、46、48和50，每个面板上安装有UV-LED芯片54的阵列52。在其最简化形式中，结构40可包括至少一个细长的面板44、46、48或50。UV LED芯片54优选以偏置交错阵列排列在至少一个面板44、46、48或50上。而且，虽然阵列52如图3中所示在各面板部分44-50的上表面上，但是应理解这只是为了更方便地表示阵列52，实际上阵列52安装在各面板部分44-50的下表面上，图4中表示的更清楚。

在图4所示的设备40中，中心面板部分56被安装在位于电动机一端的轴58上，以使面板部分44-50和阵列52可以相对于原盘16旋转，其中中心面板部分56是与具有四个UV-LED芯片阵列52的面板部分44-50一体的或连接的。应理解可以给圆盘16提供合适的支撑体，诸如基架(图中未显示)。

如果需要，至少一行UV LED芯片54可以发射可见光范围内的光，从而使用者可以从视觉上确定是否正在给UV LED芯片54的阵列52供电。

此外，可以向面板部分44、46、48和50与产品之间的区域内提供比空气重或比空气轻的氧气之外的、非助燃性气体，以提高固化作用。而且，气体可以用风扇循环，以促进UV-LED芯片54的冷却，可以在面板44-50的上部安装散热片，以进一步促进UV-LED芯片54的冷却。

有利的是，在图4所示的设备40中，在安装在四个面板部分44-50的下表面上的UV-LED阵列52与圆盘16的上部之间设置玻璃板或塑料板62。圆盘16可以在其上表面中或其上表面上具有一种或多种紫外可固化光引发剂。

在图4所示的设备40中，提供至少一种大体垂直排列的UV-LED芯片的辅助阵列64，该阵列64可安装在大体垂直竖立的面板68上，该面板68邻近圆盘16的外周，以在圆盘16的侧面或外周处提供固化光。此外，可以在辅助阵列64和圆盘16之间设置塑料或玻璃片或板70，以遮蔽UV-LED芯片66，避免其遭到溅射。

如果需要，垂直面板68(图4)可以与水平面板部分44-50中的一个面板相连和/或悬垂于其上。或者，水平面板部分44-50中的每一个面板都具有一个与之相连和/或悬垂于其上的垂直面板68，护片或护板70在阵列64之前与(一个或多个)垂直面板68相连。

上述用于图2和图4所示设备的玻璃或塑料片优选是透明或半透明的，刚性或半刚性的，以提供耐冲击性透光挡板，以保护和遮蔽UV LED芯片，避免其被溅射、积尘、特别是屏蔽掉含有紫外光引发剂的液体和其它液体。

圆盘形产品或所述至少一个细长面板可以旋转两次到二十(20)次之间的预定次数，以提高紫外可固化光引发剂的聚合和固化。在本发明设备的大规模生产运行中，提供插入和弹出机构，用来依次使圆盘形产品移动到静止的或可旋转的支撑垫或基架上或从该支撑垫或基架上移开。

本发明的方法和设备提供用于更均匀地施加从UV-LED发射的紫外光的技术和结构，以使这种光能更有效地固化油墨、涂料和粘合剂，并且通过更平均地施加紫外光，可以减少-如果不是完全消除-“热点”。

本发明技术中的一种是提供位于面板上的UV LED组件的交错阵列，UV LED组件以行排列，每一行与其相邻行交错排列。

基本上可以在UV-LED芯片阵列中相邻的行之间提供1/x的间隔偏置，其中x等于行数。

除了UV LED组件的相邻行之间交错排列外，待固化的含有紫外油墨、涂料或粘合剂的紫外可固化产品、制品或其它物品与UV-LED组件的阵列之间还发生相对运动。

此外，面板运动或旋转，可以使从各UV LED设备中发出的光扫过整个圆形区域，从而最小程度地减少了“热点”的产生，并且可以均匀地将紫外光施加到含有紫外油墨、涂料或粘合剂的产品、制品或其它物品上。

本发明的方法和设备可以使来自具有UV-LED阵列的平直面板的光施加实现均匀化。当产品和/或光源固定设备相对于来自光源固定设备中的UV-LED组件的紫外光束和/或产品产生运动并通过即旋转时，可以得到这种结果。该移动本身具有提供一种均匀性元素的能力。也就是说，产品的运动或光阵列的运动解决了在产品流动或灯移动方向上的均匀性的问题。

在X-Y排列中，通过产品或LED阵列的移动来解决“X轴”的均匀性。

通过排列LED芯片的方法来解决“Y轴”的均匀性。为了达到与典型紫外固化应用相关联的固化速率，安排非常大量的UV-LED芯片以输送固化聚合物所需的紫外能量。

建立这些阵列的第一步是建立串联或并联电路，它们以串联的方式连接，或者LED芯片以相互等间距的直线形式设置(假设间距为X)。第二行从¹/₂X间距处开始，然后这一行中的各LED芯片以与相邻LED芯片间距为X的方式设置。

第三行从距离第二行起点¹/₂X间距处开始。这种偏置延用在阵列中的每一行LED芯片中。这样排列会带来两种结果。第一是由于UV-LED芯片交错设置，所以光的均匀性得到提高。这使得光发射产生重叠。于是，每一行从距离前一行起点的一半间距处开始，将产生楼梯效应。这使阵列在尺寸增长的同时保持Y轴上的均匀性。

还有另一种设置LED芯片的方式，并且达到了同样的均匀性。该方式是使用三行达到均匀性。也即是说，使LED芯片以间距X排列，使下一行(第2行)从第一行起点的1/3间距处开始，使下一行(第3行)从第一行起点的2/3间距处、或距离第二行起点的1/3间距处开始。

另一种方式是提供4行来产生均匀性，第一行中的LED芯片相互间隔X间距。第二行从距离第一行中第一个LED芯片的¹/₄X间距处开始其第一个LED芯片。第三行从距离第一行中第一LED芯片的¹/₂X间距处、或距离上一行起点的¹/₄X间距处开始。

另外，当紫外可固化油墨或粘合剂可能溅射在LED阵列上时，可将透明的塑料保护片或保护层置于阵列上以保护该阵列，然后定期地清洁或更换该保护片或保护层。

如果需要，添加一行能够发射波长位于可见光谱范围内的光的UV-LED芯片，尽管所述油墨、涂料、粘合剂不含能够被波长在可见光谱范围内的光活化的光引发剂，但是这样提供了一种快捷而可观察检测的手段，以此可以观察所述设备或装置是否是开启而正在运作。

也可使用具有两种或更多种不同波长的紫外光，使得产品中的油墨涂料或粘合剂更好地固化。所述油墨、涂料、粘合剂可包含能够被一种以上波长活化的光引发剂，例如能够被峰值在大约365纳米的光和峰值在大约385纳米的光活化的光引发剂。

由于UV-LED芯片发射的光的强度会因为UV-LED芯片温度的升高而受到影响或减弱，本发明一个实施方式考虑提供冷却系统，该冷却系统包括位于安装芯片的基片上的散热片，并且使冷空气吹过该散热片，将UV-LED芯片的温度保持在预定范围内。

而且，由于基片受热会导致光强度减小，还可对基片的温度或所发射的光的强度进行监控，以此来控制向基片吹冷空气的风扇的电流或电压，从而增强基片的冷却，使基片保持恒温，以保持基本恒定的光强度。

进一步采用“正相电压匹配技术”V_F，(选择芯片)以提供LED芯片的串或行，其中芯片引入的电流的变化仅为大约5-10％，从而使“电流错乱”最小。

光源与被光辐照的产品之间的距离会影响光强度。但是如果产品过于靠近UV-LED阵列，将不会有均匀的辐照型式(pattern)。因此，UV-LED芯片阵列之间优选距离是能够由UV-LED芯片发散的光提供均匀的型式，而且位于UV-LED芯片所输出功率的50％的距离。该距离定义为2θ¹ _/2观察锥角。

在可以获得其它的UV波长发光二极管时，可将宽范围的UV光用于固化设备和装置中。

另外，为使波长有更大的改变，可将UV-LED芯片阵列与其他光源相邻地放置，所述其他光源是例如一种或多种荧光灯，选择它们的磷光体来扩大光波长的增加。例如，Danvers MA的OSRAM SYLVANIA，INC.提供了发射51纳米辐射的2011C型荧光灯，发生371纳米辐射的2052型荧光灯，发射433纳米辐射的2092型荧光灯，以及发射420纳米辐射的2162型荧光灯。

还考虑使用大结(large junction)UV-LED芯片(在一侧超过400微米)，这是由于它们能够发生更高光强度的紫外光。

本发明的旋转式紫外固化方法和设备的许多优点是：

1.圆盘形产品或者在其上具有偏置交错的UV-LED芯片阵列的面板可以旋转。

2.可以提供透明或半透明的玻璃或塑料保护层，以保持UV-LED芯片上无碎片。

3.提供非氧气气体以提高固化，该气体可循环使用以促进UV-LED芯片的冷却。

4.突出的固化性能。

5.极佳的结果。

6.更高的产品输出量。

7.上等的质量。

8.缺陷产品少。

9.对使用者友好。

10.经济。

11.有效率。

12.有效果。

从以上描述可以很清楚地看出，本发明的方法和装置或设备具有许多优点，其中一些优点已经在上文中描述，其它的优点是本发明固有的。

尽管已经显示和描述了本发明的实施方式，但是应当理解，本领域技术人员可以在不背离本发明的前提下，对元件、部件、设备、装置、过程(方法)步骤、及其应用进行各种改变和替换。因此，本发明的范围仅受到所附权利要求书的限制。

Claims

1.一种固化在圆盘中或圆盘上的紫外可固化产品、制品、油墨、涂料或粘合剂的方法，其特征在于，所述方法包括：使安装在面板上的UV-LED芯片阵列和含有紫外可固化产品、制品、油墨、涂料或粘合剂的圆盘之间相对旋转运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述圆盘相对于基本上固定的安装有UV-LED芯片阵列的面板转动；和/或

所述安装有UV-LED芯片阵列的面板相对于在所述圆盘上具有紫外可固化产品、制品、油墨涂料或粘合剂的圆盘转动；和/或

UV-LED芯片以偏置交错的阵列排列在至少一个面板上；和/或

在所述UV-LED芯片阵列和圆盘之间设置玻璃或塑料片或板，以帮助保护UV-LED芯片，避免其被含有紫外光引发剂的液体溅到；和/或

在所述圆盘的外周处设置辅助的UV-LED芯片阵列，用于在所述圆盘的侧面发射紫外光；和/或

在所述UV-LED芯片阵列和圆盘之间设置玻璃或塑料片或板，以帮助保护UV-LED芯片，避免其被含有紫外光引发剂的液体溅到。

3.一种紫外固化设备，用于通过权利要求1或2所述的方法将紫外光施加到位于圆盘形产品中或圆盘形产品上的紫外可固化产品、制品、油墨涂料或粘合剂中的紫外光引发剂上，其特征在于，所述紫外固化设备包括：

至少一个安装有UV-LED芯片阵列的细长面板；和

可操作地与面板相关联的电动机，用来使面板和要固化的圆盘形产品之间相对转动。

4.如权利要求3所述的紫外固化设备，其特征在于，所述紫外固化设备包括：

四个细长面板，各含有UV-LED芯片阵列，面板以大致十字形的图案相对于要固化的圆盘形产品排列；和/或

至少一个与圆盘形产品相邻的大体水平的面板，所述水平面板与电动机可操作地连接，并由电动机驱使转动；和/或

大体圆柱形的衬垫，用于支撑圆盘形产品，所述圆柱形衬垫与所述电动机可操作地连接，并由电动机驱使转动；和/或

UV-LED芯片，其以偏置交错阵列在至少一个面板上排列；和/或

辅助UV-LED芯片阵列，其排列在所述圆盘形产品的外周处，用于从圆盘形产品的侧面发射紫外光到圆盘产品上；和/或

在所述UV-LED芯片阵列和圆盘形产品之间设置的玻璃或塑料片或板，以帮助保护UV-LED芯片，避免其被含有紫外光引发剂的液体溅到；和/或

在所述UV-LED芯片阵列和圆盘形产品之间设置的保护层，以帮助保护UV-LED芯片，避免其被含有紫外光引发剂的液体溅到；所述保护层包括玻璃片、塑料片或板；和/或

液体分配设备，用于将含有光引发剂的液体在接近圆盘中心的点分配到旋转的圆盘形产品的表面上，这样离心力使液体呈放射状从所述分配点向外移动至圆盘形产品的外周处。

5.如权利要求3或4所述的紫外固化设备，其特征在于，所述电动机包括与至少一个面板可操作地连接的轴，所述面板含有UV-LED芯片阵列，与圆盘形产品相邻。