特别报道 | UV LED解决方案的可持续性优势及前景！

UV光固化用于固化或干燥各种工业印刷应用中的油墨、涂料和粘合剂。传统上，UV灯由汞供电以产生热量，然后发光。然而，发光二极管 (LED) 供电灯的可用性提供了一种可以说更环保的替代方案，因为解决方案能够将电能直接转化为光能。

UV LED解决方案具有许多可持续性优势。这些以更低的能源消耗、消除汞和臭氧的产生、无有害溶剂或挥发性有机化合物以及更少的部件的形式出现。将传统UV灯与UV LED进行比较时，两个积极的特点很突出，即浪费和能源减少，两者都具有环境效益。

01 污染防治

UV LED技术的一个主要优势是它不含汞。“由于汞的危险，世界正在远离在工业过程中使用它。传统的UV灯管含有汞，但UV LED模块不含汞。传统的UV灯会破坏汞并将其泄漏到环境中，但LED不会，”Baldwin Technology的AMS光谱UV部门商业负责人乔纳森·福尔分享道。

此外，当传统UV灯的能量足以产生电弧时，它们会产生一种称为臭氧的有害气体。“臭氧必须从固化系统中排出，以防止对生产线上的工作人员造成伤害。LED不会产生臭氧，这意味着运行LED所需的设备更少，对人类和环境造成伤害的可能性也更小，”福尔说道。

“研究表明，在某些应用中，用UV LED灯代替汞灯可以使每件产品每年减少20吨二氧化碳排放。使用UV LED，不需要排烟装置来去除汞蒸气UV灯产生的有害气体和臭氧。汞中毒会对中枢神经系统、肾脏和许多其他器官造成损害，”Phoseon Technology市场传播经理斯泰西·霍格解释道。

使用UV LED灯代替汞蒸气UV灯也可以减少浪费。“传统的汞弧灯寿命短，需要每1,000-1,500小时更换一次，会产生大量灯泡废料。如果维护得当，UV LED固化灯的使用寿命可超过60,000小时。升级到UV LED技术消除了这些灯泡更换成本，通过消除有毒汞进入废物流提供了显着的环境效益，”她继续说道。
 Dipl.-Ing.流程开发专家佩特拉·伯格指出，汞被回收并用于新工艺。

02 节能

除了环境效益外，经济优势还体现在节能方面。“在传统的UV固化工艺中，与汞蒸气UV灯相关的巨大热量需要大量的电力才能运行。与传统的汞蒸气UV灯相比UV LED技术可节省高达85%的能源，”霍格说。

Baldwin Technology的AMS Spectral UV部门的UV/LED产品专家鲍勃·格里森贝克指出，LED 系统仅在需要时才通电并立即准备好固化，而传统的弧光灯则在整个生产过程中保持开启状态，并且需要初始 减慢生产速度和降低效率的预热期。

伯格对此表示赞同，并指出由于UV LED不需要加热阶段，因此它们可以在短周期内打开和关闭，从而节省能源。“而且，由于固化装置的每个UV LED都可以单独控制，因此照射区域可以根据具体应用进行完美调整，”伯格评论道。

GEW (EC) Limited业务发展副总裁詹妮弗·希思科特表示：“LED的使用寿命长，并且没有传统的灯、反射器和快门机制，因此消除了消耗品以及随后与这些物品的生产和运输相关的碳足迹。” .

经济利益也得以实现。UV LED是一种能量较低的系统，光波长集中在更小的范围内。格里森贝克解释说：“与标准的汞弧UV相比，该系统使用的能源少得多，产生的热量也少得多，因此也会影响建筑物中的环境供暖和制冷系统。”

UV LED固化系统可降低总装机功率，并在运行期间降低高达75%的能耗。“这对制造商的底线来说非常好，并直接影响组织的可持续发展努力，”希思科特说。

03 冷却系统

UV和UV LED的一个复杂问题是需要冷却，主要可选的有风冷和水冷技术。

“当电流通过UV LED技术时，其中30%-40%会转化为UV能量的波长，从相关设备向外辐射。平衡转化为热能，必须通过强制空气循环或水循环将其去除，”希思科特解释道，“适当的冷却可将LED结温稳定在最佳设定点，是确保最佳系统性能、UV输出和产品寿命的最重要因素之一。因此，冷却的选择及其设计不是一件小事。”

Integration Technology集团市场部经理尼尔·斯蒂克兰也表示，冷却系统的可持续性取决于环境。“水冷具有明显的性能优势，但会带来额外成本，而空气冷却虽然效率较低，但不需要冷却器或水源。移除的热量当然可以用来帮助在较凉爽的环境中加热房间。”

此外，希思科特认为冷却方法最重要的是取决于UV系统所需的固化输出。“当需要更高水平的UV输出时，必须用水循环冷却LED，因为这是最有效的。当需要较低水平的UV输出时，系统用水或空气冷却。只要冷却系统针对UV输出水平进行了适当设计，并且随着时间的推移得到了充分维护，任何一种方法都是可以接受的。另外，还必须考虑设施的周围环境，因为更高的温度、更大的相对湿度和来自其他过程的空气中的微粒可能会影响这两种冷却技术的有效性。”

谈到风冷方法，霍格说这些系统不需要外部冷却系统，因此与水冷系统相比，它们通常更便宜并且需要更少的维护。“风冷系统具有较低的能源需求和较低的运营成本；水冷系统提供更小的外形尺寸和更高的峰值辐照度，但需要稍微多一点的能量来运行。”

希思科特对此表示同意，并指出从可持续性的角度来看，空气冷却需要更少的电力并消除了水调节，水调节由腐蚀抑制剂和乙二醇的精确稀释溶液组成。
水冷系统也有优点和局限性。希思科特指出，发出更大UV输出的水冷系统更有可能驱动更快的机器速度、增加容量、改善固化，并允许在生产线上运行更大范围的UV固化化学品。“水冷也能更好地保持较低的LED结温，从而提高设备稳定性、性能和产品寿命。”

格里森贝克表示，与其他选择相比，水冷能够更有效地从系统中吸收更多热量。“空气系统通常会在周围环境中产生热量，这进一步加重了建筑物中的任何温度调节。由于水在封闭系统中循环，因此它为温度稳定性和可持续性提供了最佳解决方案。”

从可持续发展的角度来看，伯格认为风冷UV LED光源的支持者会争辩说，他们使用的能源比水冷器少。“然而，风冷UV LED通常运行在较低的水平并且强度较低。因此，您很可能需要更多的LED灯才能获得良好的固化效果，因为您需要使用水冷版本。”

Baldwin Technology的AMS Spectral UV部门美洲工业销售主管凯文·乔塞尔认为，从可持续性的角度来看，这两种冷却工艺之间实际上没有什么区别。“LED 系统设计师需要考虑的两个因素是输出与寿命的折衷，设计人员需要保持芯片的目标温度以确保更长的使用寿命。”

他解释说，功率最高的系统需要更高的冷却能力。LED的功率越大，对冷却的要求越高，就越有可能使用水作为冷却机制。“用于UV LED的水冷系统是闭环的，这意味着冷却剂通过冷却器运行。这最大限度地减少了对环境的影响。必须记住的是，LED无法从热事件中恢复。使芯片过冷会显着缩短使用寿命。它们不能自我修复，更换芯片的成本可能很高，而且可能会导致计划外的停线情况，这也是代价高昂的。”

它们的不同之处在于UV LED的驱动力要大得多，以产生更高的输出。“这意味着更多的能量被投入到LED中，从而产生更高的UV能量输出，但也需要主动冷却——空气或水，以将芯片保持在允许长寿命的温度范围内。LED的功率越高，冷却要求就越高，”乔塞尔补充道。

大多数用于工业固化的系统，如转换和木材工业，需要高能量和速度，并且主要使用水冷系统。对生产率要求较低的实验室和粘合剂固化系统使用风冷系统。“好消息是从电瓦到光瓦的能量转换在持续地得到改进，这意味着主动冷却要求更低，”乔塞尔继续说道。

04 持续发展

对于任何技术，通常都有改进的余地。在讨论可持续性与UV LED固化技术之间的关系时，情况确实如此。进步支持高效的系统。

希思科特强调，随着UV LED的出现，可持续性将继续得到改善。“这主要是正在进行的化学优化的结果，使油墨、涂料和粘合剂能够对较低的峰值辐照度做出反应，并在源选择和操作期间更好地将UV化学和线速度的要求与正确的UV输出相匹配。提供过多的UV LED能量是低效的，因为任何不能被化学物质吸收的部分在与油墨、涂料或粘合剂接触时都会立即转化为热量。”

在由线速度、化学和灯集成决定的最佳功率水平下运行UV LED固化系统可以进一步降低电力和能源消耗。“任何允许系统以较低的UV输出运行而不影响固化、线速度和产量的东西都是可持续性的改进。随着UV LED固化工艺知识的进一步提高和积极实施，UV LED固化的整体可持续性及其在制造业中的应用将继续增长。”

“虽然UV LED系统目前消耗的能量很低，但我认为它们还没有达到顶峰。随着时间的推移，它们的尺寸可能会变得更加紧凑，冷却方法也将变得更加高效，”霍格预测道。

伯格还期望提高UV LED的效率。“这意味着功率输入/输出关系正在改善，这也有助于改善UV LED的能量平衡。冷却技术也在不断改进，尤其是在空气冷却方面。在这里，我们期待在相同的功耗水平下获得更高的强度，我们已经习惯了。”

Heraeus Noblelight America LLC高级销售经理埃斯特万·马林指出：“持续改进还以延长UV LED系统寿命的形式出现，重点关注LED灯何时失效或达到其预期寿命。”

乔塞尔指出，对于UV LED，可持续性等同于使用寿命。“UV LED系统非常接近最大理论转化率。下一个前沿领域是提高远UV LED的转换率。当您转向更低的UV波长时，您必须使用不同的基础材料，这些材料的制造难度和成本要高得多。一般的例子是385-405纳米的能量输出大致相同。当您向下移动到365nm 系统时，能量输出约为385-405纳米范围的80%。当您转向更短的波长（例如340纳米）时，能量输出还不到395纳米系统的百分之十。”

当您移动到亚300纳米范围时，它的效率会更低，寿命也会更短。“许多公司将为UV系统提供大约20,000小时的保修，并期望更长的使用寿命。当您将其与UV  LED进行比较时，有用的输出寿命不到2,000小时。但是，这与2001年左右首次推出用于工业用途的UV LED并没有太大的不同。效率和寿命很低。由于UV LED的目标市场是用于消毒目的，因此在提高UV LED效率方面存在很大的驱动力和相应的投资，并且可以期待未来的改进，乔塞尔解释道。

格里森贝克指出：“随着新技术和生产技术的发展，系统的效率越来越高，但由于LED阵列已经非常高效，因此与从汞弧灯泡技术转向LED技术时相比，改进可能会更小。”

05 可持续性作为驱动力

可持续性是UV LED的优势，也是采用的驱动因素。

“目前，可持续性是采用UV LED的主要驱动因素，”霍格断言，“我们注意到，由于能源成本上升，尤其是在欧洲，越来越多地采用UV LED固化。随着能源成本飙升，印刷商和加工商正在以更快的速度采用UV LED。”

除了不断上涨的能源成本外，制造过程中的汞禁令也在全球范围内推广，这也促进了UV LED固化技术的普及。“所有主要品牌都要求印刷商、加工商和其他制造商采用环境可持续的工艺。现在，LED已成为汞UV的有效替代品，许多全球性大公司正在共同消除工厂中的汞，”霍格评论道。

乔塞尔还将可持续性视为采用的驱动因素。“可持续性现在是转换为UV LED的主要考虑因素，与更成熟的客户的直接财务理由一样。”

“在我看来，随着能源成本的不断上涨和对可持续性的关注，转向基于LED的系统将会继续，”格里森贝克指出。

“今天和未来十年推动UV LED应用的最大可持续发展因素是该技术能够降低运行期间的装机功率、峰值需求和能源消耗。这具有减少碳足迹的直接和可衡量的好处，使公司能够更快、更轻松、更经济高效地实现净零承诺。过渡到UV LED固化可让印刷商、涂布机和加工商同时降低碳足迹、减少能源费用、消除电网压力并实现可持续发展目标，”希思科特指出。

“由于乌克兰冲突，欧盟面临能源限制的现状，行业需要更节能的技术，如UV LED可以帮助解决，”马林补充道。

个人和公司正在寻找减少能源、减少污染和消除浪费的方法。当涉及到工业印刷应用中的油墨、涂料或粘合剂的固化过程时，UV LED技术能够满足所有这些要求。

从不含汞到由很少的部件组成，UV LED系统提供了许多环境效益。与此直接相关的是使用UV LED系统可节省大量能源，这也是一项经济优势。有了这些积极因素，许多行业参与者认为固化技术的未来将转向UV LED是有道理的，推动这一趋势的是企业和消费者对更可持续的未来的需求。

来源丨迪吉特尔 全球印刷与包装工业