UV LED 光固化技术及其应用现状

随着公众对环境保护和可持续发展的关注日益增强，绿色环保技术正受到前所未有的重视。自2020年12月1日起，针对清洗剂、涂料、胶黏剂和油墨等化工产品中可挥发性有机化合物（VOC）含量的限制标准陆续生效。

光固化技术，作为一种绿色、环保且高效的涂料固化技术，利用紫外光实现固化，在过去几十年中经历了迅猛的发展。其基本原理是：在紫外线照射下，光引发剂吸收特定波长的光能，产生自由基或阳离子，从而引发单体和低聚物发生聚合和交联反应，迅速形成网状结构的高分子聚合物，完成固化过程。

目前，在紫外固化光源中，传统中压汞灯（国内称为高压汞灯）的使用较为普遍，尽管在今天，它仍然占据了超过一半的市场份额。中压汞灯的主要发射波长为365nm，同时在254nm和208-331nm附近也有密集的发射输出。然而，汞灯存在若干缺陷：

1）使用寿命短，通常只有1000至2000小时；

2）光强会逐渐衰减，影响固化效果的稳定性；

3）能耗高，发热量大；启动时间长，需要预热；

4）体积庞大，难以安装在空间受限的场合。

此外，汞灯的一个致命弱点是它必须使用汞——一种对环境有害的物质。

固化设备所面临的这一问题，直到UV LED技术的出现，才从根本上为光固化行业带来了革命性的变革，并逐渐显示出替代传统技术的明显趋势。

根据波长，紫外光通常分为UVC（100～280nm）、UVB（280～315nm）和UVA（315～400nm）三个波段，如图1所示。传统汞灯发出的紫外光覆盖了这三个波段，并且通过掺杂（如铁、镓等）手段，可以调整光谱在不同波段或特定波长上的强度，以适应不同的固化应用需求。

UV LED技术的出现，为辐射固化技术带来了全新的发展机遇。UV LED光源属于固体光源，不涉及汞等有害物质。UV LED光源具有无需预热、即开即用、无汞污染、设备体积相对较小、节能、使用寿命长（可达数万小时）、无臭氧产生从而不会对环境造成空气污染等优点，并且发出的光线中不含红外部分，适用于热敏基材。

这些优势使得UV LED在当前强调节能、环保和VOC控制的大环境下，应用推广得到了加速，因此在过去10年中得到了快速发展和普及。UV LED固化技术在胶黏剂和油墨等众多应用领域，已经取代了传统的汞灯固化，成为主流。

UV光固化产品中最常见的是UV涂料、UV油墨和UV胶黏剂，它们的固化速度极快，通常在几秒到几十秒之间；适用于多种基材，如纸张、木材、塑料、金属、皮革、石材、玻璃、陶瓷等，特别适合热敏感材料（如纸张、塑料或电子元件等）。

UV固化光源参数包括输出波长分布、辐照光强、辐照面积等。由于大多数光固化相关标准基于传统汞灯光源体系，基于UV LED光源实施的光固化技术标准相对较少。

目前，固化市场作为UV LED的主要应用领域，各细分市场的接受程度持续增加。UV LED在辐射固化领域的市场渗透率约为10%-20%；其中面固化在UV LED固化市场中占据主导地位，约占90%，点状UV LED辐照固化主要应用于UV粘接，而线状UV LED辐照固化由于光源辐照能量密度较低，应用较少。

在油墨固化领域，市场上主要采用365 nm、385 nm、395 nm波长的UV LED进行印刷固化。UV LED光源在曝光固化、喷墨打印、丝印固化、胶印固化等领域呈现不同程度的渗透。在印刷电路曝光、喷墨固化中，UV LED已基本替代了汞灯，实现了广泛应用。而在胶印、丝印领域，紫外固化光源的替代率不足20%。

在涂料固化领域，UV LED光源的推广较为缓慢，市场渗透率因应用领域而异。在光纤涂覆市场，UV LED固化市场渗透率超过20%；木材固化应用尚处于起步阶段。

在胶黏剂固化领域，UV LED光源在电子元器件、医疗耗材固化领域基本实现了完全替代；在木材、汽车等固化应用方面处于起步阶段。

在消费类固化领域，以美甲固化为代表，市场上主要采用395 nm波长的UVA LED，已基本实现了全产业链替代。

总体来看，现有UV LED波长与主流光引发剂吸收波长的匹配程度较差，300 nm-330 nm范围的紫外光源产品供应不足，作为配套使用的UV LED配方产品，在紫外光固化配方产品市场中的占比相对较低，未来具有较大的发展空间。尽管UV LED固化应用已较为成熟，但其大规模产业化发展仍处于起步阶段。另一方面，UV配方的适应材料研究也在积极进行中，包括适应UVA LED的长波吸收高效光引发剂、长波高反应活性光引发剂、高效抗氧阻聚添加剂材料等。