УФ-полимеризация

Что такое УФ-полимеризация

Процесс УФ-полимеризации называют также УФ-отверждением или УФ-сушкой. Последнее название переносное: высыхания воды, растворителя или другой жидкости здесь практически не происходит – сушить нечего.

УФ-полимеризация – это фотохимический процесс, при котором мономеры и олигомеры сшиваются (отверждаются) под действием ультрафиолета. Ключевой компонент – фотоинициатор: он поглощает энергию ультрафиолета и запускает реакцию полимеризации.

Так отверждаются УФ-клеи, УФ-смолы, УФ-гели, лаки и краски. Ниже – как это устроено и чем УФ-отверждение отличается от других методов.

Как это работает: фотоинициатор и радикалы

Механизм пошагово:

1. Ультрафиолет разрушает углерод-углеродную двойную связь одиночной молекулы – мономера или олигомера.
2. Фотоинициатор в составе поглощает энергию ультрафиолета и распадается на свободные радикалы с высокой энергией.
3. Перемещаясь, радикалы сталкиваются с мономерами и олигомерами и соединяются с ними, вовлекая в цепную реакцию новые радикалы.
4. Одиночные молекулы сшиваются в молекулярные цепи, образуется твёрдая сетчатая структура – состав отверждён.

Это тот же механизм образования радикалов под ультрафиолетом, что и при повреждающем действии на живые ткани – только здесь он управляемый и полезный: радикалы сшивают полимер, а не разрушают белки. Именно поэтому ультрафиолет, отверждающий клей, вреден для глаз, и при работе нужна защита.

Если состав не твердеет как ожидалось, разбор причин – в статье «Почему УФ-смола не твердеет».

Какой ультрафиолет нужен и откуда его берут

Видимый свет имеет длину волны 400–800 нм, ультрафиолет – невидимый диапазон 100–400 нм. Для запуска реакций (полимеризация, синтез, деградация веществ) в промышленности и быту используют ультрафиолет 200–400 нм. Для отверждения клеёв, смол и гелей рабочие длины волны – 365 и 395 нм, реже 405 нм. Как соотносятся длина волны и состав – в статье «365 / 395 / 405 нм: под какой материал подходит длина волны».

Источник ультрафиолета – УФ-лампы. Сегодня это в основном светодиодные (LED): они дают узкую полосу точно под фотоинициатор, не греют деталь, стартуют мгновенно и служат десятки тысяч часов. LED почти вытеснили на рынке газоразрядные (ртутные) лампы, которыми пользовались раньше. Важное преимущество УФ-технологии в целом – состав не содержит растворителей, поэтому при отверждении в воздух не выбрасываются опасные вещества.

Холодное и горячее отверждение

Отверждение – это необратимое превращение жидких мономеров и олигомеров в твёрдый неплавкий и нерастворимый полимер. Оно идёт либо с участием отвердителей, либо за счёт взаимодействия реакционноспособных групп под действием тепла, ультрафиолета или излучения высокой энергии. По температуре процесс делят на холодное (при комнатной или пониженной температуре) и горячее (при нагреве).

УФ-отверждение – холодное: оно идёт при комнатной температуре и не греет деталь. Это его большое преимущество при работе по стеклу, пластику, автостёклам и ЛКП, которые нагрев может повредить.

Для контекста – краткий обзор других методов, применяемых в технологических процессах.

Холодные методы

• УФ-отверждение (UV Cure) – фотохимически индуцированная полимеризация: фотоинициатор под ультрафиолетом даёт радикалы, из полимерных цепей формируется матрица. Быстро, при комнатной температуре, без растворителей.
• Радиационное отверждение – сополимеризация под пучком излучения, без инициаторов: реакционноспособные группы образуются за счёт разрыва цепей. Идёт только под лучом, при комнатной температуре, с высокой энергоэффективностью и производительностью.
• Ультразвуковое отверждение – механические колебания от преобразователя нагревают клей в точке контакта и расплавляют или отверждают его. Хорошо работает с порошковым и плёночным клеем, применяется и для ультразвуковой сварки пластиков.

Горячие методы

• Электронно-лучевое отверждение (EB Cure) – поток разогнанных электронов сшивает материал без инициаторов, как и УФ, даёт 100 % отверждения. Применяется в печати, ламинировании, производстве гибкой упаковки.
• Инфракрасное (терморадиационное, IR Cure) – ИК-лучи нагревают подложку, тепло инициирует отверждение. Переносит много энергии за короткое время, но результат зависит от формы и массы изделия и равномерности облучения.
• Высокочастотное (ТВЧ) – материал нагревается в переменном электрическом поле. Применяется для стеклопластиков, заливочных компаундов: степень отверждения эпоксидных композиций поднимается с 86–87 % до 97–98 %.
• Индукционное – нагрев вихревыми токами в магнитном поле, тепло возникает внутри изделия, отверждение идёт изнутри наружу. Требует электропроводности изделия или металлического наполнителя в составе.
• Конвекционное – не самостоятельный метод, а условие: поток нагретого воздуха обеспечивает равномерный прогрев при горячем отверждении, чтобы покрытие успело растечься до схватывания.

Чем УФ-отверждение выигрывает

На фоне остальных методов у УФ-полимеризации набор преимуществ, важных именно для склейки и покрытий:

• Скорость – отверждение за секунды против минут и часов у тепловых методов;
• Холодный процесс – деталь не греется, подходит для стекла, пластика, ЛКП;
• Без растворителей – нет испарения вредных веществ, состав отверждается сшиванием, а не высыханием;
• Контроль момента – состав не твердеет до засветки, деталь можно выставить по геометрии;
• Простое оборудование – LED-лампа 365 или 395 нм, без вакуумных камер и электронных пушек.

Вывод

УФ-полимеризация – это отверждение клея, лака или смолы под ультрафиолетом за счёт фотоинициатора, который под облучением даёт свободные радикалы, сшивающие молекулярные цепи в твёрдую сетку. Процесс холодный, быстрый и без растворителей, поэтому УФ-отверждение выигрывает у тепловых и лучевых методов там, где важны скорость и отсутствие нагрева.

Тот же фотохимический механизм лежит в основе как пользы (управляемое отверждение), так и вреда ультрафиолета (повреждение тканей) – поэтому при работе с УФ-оборудованием нужна защита глаз.

Почему УФ-полимеризация – это «Спектр»

«Спектр» производит УФ-отверждаемые материалы и оборудование с 2005 года – вся продукция построена на управляемой УФ-полимеризации:

• УФ-клеи, УФ-смолы и УФ-гели с фотоинициатором под 320–405 нм – отверждаются за секунды;
• УФ-лампы и фонари 365 и 395 нм, в основном светодиодные – источник для полимеризации;
• Без растворителей – отверждение сшиванием, а не высыханием, без вредных выбросов;
• Подбор состава и длины волны под задачу – стекло, пластик, автостёкла, творчество.

Не получается подобрать состав или режим отверждения – опишите задачу технологу: материал, толщина слоя, лампа. Подбор бесплатный: 8 (800) 600-76-32. Каталог – УФ-клеи, УФ-смолы и УФ-лампы.

Часто задаваемые вопросы

Что такое УФ-полимеризация?

Это фотохимическое отверждение: под ультрафиолетом фотоинициатор в составе распадается на радикалы, которые сшивают мономеры и олигомеры в твёрдый полимер. Не путать с высыханием – растворитель здесь не испаряется, его нет.

Почему УФ-отверждение называют «сушкой», если ничего не сохнет?

Это переносное название. В отличие от красок на растворителе, УФ-состав не высыхает, а полимеризуется – молекулярные цепи сшиваются в сетку. Жидкость из него не испаряется.

Что делает фотоинициатор?

Поглощает энергию ультрафиолета и распадается на свободные радикалы. Радикалы запускают цепную реакцию сшивания мономеров и олигомеров. Без фотоинициатора обычный состав под ультрафиолетом не отвердится.

Какая длина волны нужна для УФ-полимеризации?

Рабочий диапазон 200–400 нм, для клеёв и смол на практике 365 и 395 нм, реже 405 нм. Источник – как правило светодиодная (LED) лампа: узкий спектр под фотоинициатор и без нагрева детали.

УФ-отверждение греет деталь?

Нет, это холодное отверждение при комнатной температуре. Поэтому оно подходит для стекла, пластика, автостёкол и ЛКП, которые нагрев может повредить, – в отличие от ИК, ТВЧ и других горячих методов.

Чем УФ-отверждение отличается от электронно-лучевого?

Оба дают 100 % отверждения через сшивание цепей, но электронно-лучевому не нужен фотоинициатор – энергии электронов достаточно. Зато оно требует вакуумной камеры и электронной пушки, тогда как для УФ достаточно LED-лампы.

Почему при УФ-отверждении нужна защита глаз?

Тот же ультрафиолет, что полимеризует состав, повреждает ткани глаза через образование радикалов. Поэтому при работе с УФ-лампами нужны очки, отсекающие рабочие 365 и 395 нм.

Обращайтесь, если нужна помощь с выбором УФ-материалов и ламп для отверждения – детально проконсультируем.
Email: market@nipg.ru
Тел.: +7 (831) 414-01-71, 8 (800) 600-76-32
WhatsApp: +7 (905) 014-00-15, Telegram: NIPGSpektr

Материал подготовлен техническим специалистом ООО НИПГ «Спектр». При полном или частичном копировании материалов ссылка на источник обязательна.