无电极汞灯在紫外光固化中的应用

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1、无电极汞灯在紫外光固化中的应用华春帆（辐深紫外系统有限公司，上海200233）0引言外波段，即发射紫外光。汞弧灯由两端高压电极之间通过的电流供电驱动，以提供持续的光辐射。其构造结构见图1。紫外光（UV）固化技术是一种先进的材料表面处理技术，利用高强度紫外光进行照射，可将涂料等瞬间固化。与传统的干燥方法相比，紫外光固化具有固化速度快、能耗低、溶剂排放少，生产速度快、废品率低等优势而被越来越广泛地用于众多的工业领域。UV固化的过程最终是由紫外灯所发出的紫外光进行辐照而得以实现，由此可见，紫外灯的性能和选用在紫外光固化过程中起着无可替代的关键作用。传统的汞弧灯一直沿用至

2、今。近年来，随着材料科学的不断发展和技术理论的日臻完善，无电极汞灯以其全新的作用原理和优良的使用性能已经和正在被广泛的科技领域所接受和采纳，并革命性地引领了辐射加工和辐射固化的工业过程。本文旨在对传统汞弧灯和无电极汞灯的构造和作用原理，以及无电极汞灯的应用优势作一阐述。汞钨电极惰性气体钼连接体陶瓷绝缘体图1汞弧灯结构图Figure1Thestructurechartofmercuryarclamp汞弧灯发射出紫外光的同时也发射可见光及红外线能量。汞弧灯因灯管内汞蒸气的压力不同，可分为低压汞灯（10~100Pa）、中压汞灯（1.02×105Pa）和高压汞灯（>105

3、Pa）3类，它们发射的紫外光光谱也不同。2无电极汞灯1汞蒸气电弧灯无电极汞灯（简称无极灯）没有直接的电极接头，利用微波启动，故又称为微波激发灯。由于不需要电极，使得无电极汞灯的结构相对简单，其石英灯管的直径可以被制作得非常小，典型的灯管外直径约9~13mm。无极灯由含有少量汞的简单密封石英管、容易离子化的“启动”气和为了调整光谱输出的其它化学物质所组成。一个由微波产生的高频率和高密度电场激发灯内的气体到极高的能量和温度，将汞变成汞蒸气。离子化的蒸气混合物变成了一个由微汞弧灯是封装有汞、两端有钨电极的圆柱形透明石英长管，管壁约1mm厚，外直径约20~25mm，管内充

4、有惰性气体（一般为氩）。当电力作用在电极上，电极之间的电压升高直至气体发生离子化。温度升高时，液体汞蒸发成气体，管内基态汞原子受到激发后跃迁到激发态，再由激发态回到基态的过程中，能量以光子形式释放，这些光子的能量大多数在紫摘要：介绍了无电极汞灯的构造和作用原理，以及灯管类型、发射光谱的波长范围和应用领域。比较了无电极汞灯和传统汞弧灯的性能。关键词：无电极汞灯；微波激发；紫外光固化中图分类号：TQ630.5文献标识码：A文章编号：1009-1696（2011）09-0028-03专论综述第9期华春帆：无电极汞灯在紫外光固化中的应用29波能量驱动、持续导电的等离子体，

5、从而有效地发射出紫外光、可见光和红外光能量。用于启动无极灯的微波由磁控管产生，标准的微波频率在2450MHz。汞作为一种金属，会与其他金属一样在微波激发中起反应。磁控管产生高频高强度电磁场，并将能量导入由椭圆形反射器及两端反射器形成的电气封闭腔中，再由灯面下的屏蔽网进行封锁，从而产生动力，形成持续发光，见图2。用于紫外光固化，可以随时获得性能均匀的装饰面。（2）汞弧灯能量的输出随时间的增加而弱化。灯管内的金属电极部分同等离子体内气体的化学反应，导致汞弧灯的紫外光能量输出的衰减。在使用添加物增强光学输出的情况下（如在金属卤化物灯管中），随着灯管的老化，也会出现类似的

6、化学反应，并改变光谱输出。这使得添加物的选择大受限制，因为一些金属或其化合物更容易发生化学反应。灯管寿命在一定程度上也与开/关频率有关。当紫外光输出发生衰减时，通常须通过降低固化设备的传送速度，增加辐照时间以补偿输出损失。（3）无极灯由于没有电极、导线、灯丝及金属套封，所以不存在上述化学反应，在整个使用寿命周期的输出水平几乎是恒定不变的。此外，它还不受有添加物灯管的光谱输出变化的影响，可以更自由地使用各种添加物，而无需担心光谱的“迁移”。无极灯输出功率稳定，一旦灯管出现故障或到使用寿命，输出就降为零。无极灯管内充有与汞弧灯类似的惰性气体以及汞，除汞之外再掺杂其它添

7、加物，如镓、铟、铁等，则形成各种类型的掺杂灯，其光谱输出可以变得很宽，以满足不同的需求。（4）汞弧灯可以有各种不同的长度，不过在实际使用中，过长的灯管由于重力和热量的作用，可能发生凹陷现象。此外，两端电极之间的距离越大，电压必然也越高。与无极灯相比，汞弧灯系统的价格可能比较便宜，但是初期对电源的配置成本，长期的操作、更换和维护开支，以及由于灯的功率下降而造成的不合格品和返工都会相当可观。虽然采用多灯管系统可以避免灯管凹陷现象以及过量的功率要求，但是汞弧灯电极和电气联接，势必使端对端的排布方式在工件表面留下能量“空洞”，因此，各灯管必须以“棋盘”式的布局进行交叉分布

8、。（5）相