Cos’è la polimerizzazione UV?
Anche se questo articolo tratterà l’argomento “Opacizzazione delle superfici con la polimerizzazione UV ad eccimeri”, è innanzitutto importante spiegare cos’è la polimerizzazione UV.
La polimerizzazione UV è una tecnologia versatile utilizzata in una vasta gamma di applicazioni di stampa e rivestimento. È adatto per getto d’inchiostro, flessografia, rotocalco, serigrafia, offset, fustelle, aste Mayer, rulli, tende e spray tra molti altri metodi di trasferimento e deposizione.
I vapori di mercurio, i diodi a emissione di luce (LED) e le lampade ad eccimeri forniscono energia UV a parti e substrati negli ambienti di produzione. Alcuni processi di produzione incorporano anche combinazioni delle tre tecnologie per ottenere proprietà specifiche non possibili con una sola tecnologia di polimerizzazione UV.
L’essiccazione UV consente ai trasformatori di bobine strette, medie e larghe di fissare rapidamente inchiostri, rivestimenti, adesivi ed estrusioni in linea, con un ingombro ridotto e ad alta velocità, producendo allo stesso tempo proprietà prestazionali superiori a quelle ottenibili con materiali essiccati convenzionalmente.
La polimerizzazione UV non asciuga. Si tratta di una reazione chimica a livello molecolare che trasforma materiali simili a liquidi che sono bagnati al tatto in polimeri reticolati completamente asciutti al tatto. A vantaggio dei trasformatori, questa trasformazione del materiale avviene in una frazione di secondo.
Le formulazioni UV sono generalmente solide al 100%, non contengono veicoli liquidi che devono essere evaporati e non richiedono essiccatori termici che consumano energia e trasferiscono anche calore al nastro. Una volta che il nastro esce dalla stazione di essiccazione UV, è immediatamente pronto per l’ulteriore lavorazione, rivestimento in fogli, taglio, riavvolgimento e spedizione.
Inoltre, le superfici trattate con UV non si graffiano, non si rovinano o si danneggiano quando passano attraverso i componenti della linea di produzione o le apparecchiature di finitura a valle. Tutto ciò mantiene le merci in corso d’opera fuori dall’inventario, riduce gli scarti e facilita tempi di consegna più rapidi.
Le reazioni avviate dai raggi UV creano forti legami chimici tra le molecole e forniscono un’adesione superiore ai substrati. In confronto, i processi convenzionali di essiccazione di nastri e fogli lasciano solidi residui sconnessi appoggiati sulla superficie di substrati non porosi come pellicole polimeriche e carte patinate o dispersi all’interno degli strati superiori di materiali porosi come carte non patinate. Un’altra caratteristica dei processi di reticolazione avviati dai raggi UV è la generazione di lunghe catene molecolari continue che determinano proprietà funzionali ed estetiche altamente desiderabili e robuste.
Opaco vs lucido
I materiali polimerizzati ai raggi UV appaiono naturalmente lucidi e lucenti. Ciò è dovuto al fatto che le formulazioni UV sono solide al 100% e hanno pesi molecolari bassi. Queste due caratteristiche consentono alle formulazioni UV di fluire in modo fluido e uniforme sul nastro durante l’applicazione e quindi essere immediatamente polimerizzate sul posto. Le superfici lisce sono intrinsecamente riflettenti, il che significa che la luce viene diretta dalla superficie polimerizzata con lo stesso angolo di incidenza. Più una superficie è riflettente, più appare lucida e simile a uno specchio.
In alternativa, le superfici opache sono ruvide e hanno una superficie totale maggiore. Di conseguenza, le superfici opache assorbono più luce rispetto alle superfici lucide. Le superfici opache diffondono anche la luce riflessa in numerose direzioni. Questo è noto come riflessione diffusa ed è il motivo per cui le superfici opache appaiono opache e presentano proprietà antiriflesso e anti-impronte.
I formulatori UV creano materiali opachi o semilucidi aggiungendo agenti opacizzanti. Gli agenti opacizzante sono particelle solide come silice pirogenica, carbonato di calcio e polveri di cera o talco che polimerizzano sulla superficie del materiale. La variazione della dimensione delle particelle e della composizione di questi additivi influisce sul modo in cui la luce viene diffusa dalla superficie polimerizzata e, quindi, su quanto appare opaca. Sfortunatamente, esistono limiti alla quantità di agenti opacizzati che possono essere aggiunti alle formulazioni e alla conseguente riduzione della brillantezza che può essere ottenuta. Questo perché una concentrazione troppo elevata di particelle solide diminuisce la trasparenza e aumenta la viscosità, il che rende la formulazione più difficile da applicare. L’integrazione di lampade UV ad eccimeri nei processi di polimerizzazione consente ai trasformatori di produrre superfici opache senza l’uso di agenti opacizzante.
Fonti di polimerizzazione UV
Sebbene le tecnologie dei vapori di mercurio, dei LED e delle lampade ad eccimeri emettano tutte energia ultravioletta, i meccanismi che generano l’energia e le caratteristiche della corrispondente emissione UV sono molto diversi. Comprendere queste differenze è fondamentale per applicare correttamente la tecnologia e massimizzarne il valore.
Lampade ai vapori di mercurio
Le lampade ai vapori di mercurio sono un tipo di lampada a scarica di gas a media pressione in cui una piccola quantità di mercurio elementare e una miscela specifica di gas inerte vengono vaporizzati in un plasma all’interno di un tubo di quarzo sigillato. Una volta vaporizzato, il plasma di mercurio genera un’emissione UV ad ampio spettro che si irradia a 360° dal tubo di quarzo. I riflettori dalla forma ottimale posizionati dietro il tubo al quarzo vengono utilizzati per concentrare l’energia UV emessa sul nastro o sul foglio. Un’immagine di diverse lampade ad arco al mercurio e di un gruppo lampada è fornita nella Figura 1 (a).
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Lampade LED UV
Le lampade a LED sono componenti elettronici a stato solido composti da numerosi chip di materiali cristallini sottili, semiconduttivi, collegati elettricamente insieme in un’unica fila o in una combinazione di righe e colonne. Quando gli elettroni liberi nella regione negativa del LED passano alla regione positiva, passano ad uno stato di energia inferiore. La rispettiva perdita di energia viene rilasciata dal semiconduttore sotto forma di combinazione di luce e calore. Qualsiasi calore emesso dai LED è dovuto a inefficienze elettriche e non all’energia infrarossa.
I LED UV emettono bande di lunghezza d’onda di energia quasi monocromatiche quando sono collegati a una fonte di alimentazione CC. La luce emessa viene proiettata in avanti da ciascun LED a 180° senza l’uso di riflettori, si accende e si spegne rapidamente e facilmente e dispone di una regolazione lineare completa della potenza. Nella Figura 1 (b) è fornita un’illustrazione di tre moduli LED integrati in una serie molto più lunga con molti più moduli e un corrispondente gruppo lampada LED. Ciascuno dei quadrati viola nel grafico rappresenta un singolo LED.
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Lampade ad eccimeri
Come le lampade ai vapori di mercurio, le lampade ad eccimeri sono un tipo di lampada a scarica di gas. Le lampade ad eccimeri sono costituite da un tubo di quarzo che funge da barriera dielettrica. Il tubo è riempito con gas rari in grado di formare molecole di eccimeri o ecciplex. Gas diversi producono molecole eccitate diverse e determinano quali lunghezze d’onda specifiche vengono emesse dalla lampada.
Un elettrodo a spirale corre lungo la lunghezza interna del tubo di quarzo mentre gli elettrodi di terra corrono lungo la lunghezza esterna. Le tensioni vengono immesse nella lampada ad alte frequenze. Ciò fa sì che gli elettroni fluiscano all’interno dell’elettrodo interno e si scarichino attraverso la miscela di gas verso gli elettrodi di terra esterni. Questo fenomeno scientifico è noto come scarica della barriera dielettrica (DBD).
Mentre gli elettroni viaggiano attraverso il gas, interagiscono con gli atomi e creano specie energizzate o ionizzate che producono molecole di eccimeri o ecciplex. Le molecole di eccimeri ed ecciplex hanno una vita incredibilmente breve e quando si decompongono da uno stato eccitato a uno stato fondamentale, vengono emessi fotoni con una distribuzione quasi monocromatica. Un’immagine di una lampada ad eccimeri e del corrispondente gruppo lampada è fornita nella Figura 1 (c).
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Differenze critiche nelle lunghezze d’onda emesse
Uno dei differenziatori più significativi delle lampade ad arco a elettrodi, LED e ad eccimeri è la distribuzione spettrale. Le lampade ai vapori di mercurio sono a banda larga in quanto emettono una miscela di VUV (da 100 a 200 nm), UVC (da 200 a 285 nm), UVB (da 285 a 315 nm), UVA (da 315 a 400 nm), UVV (da 400 a 450 nm), visibile (da 400 a 700 nm) e infrarosso (da 700 nm a 1 mm).
Mentre la luce irradiata di qualsiasi lunghezza d’onda contiene energia che può essere convertita in calore, le lunghezze d’onda dell’infrarosso sono la principale banda di generazione termica. Le lampade polimerizzanti a LED emettono prevalentemente bande UV strette centrate su uno dei seguenti: UVA (365, 385, 395 nm) o UVV (405 nm) mentre le lampade ad eccimeri emettono bande UV strette centrate su VUV (172 nm), UVC (222 nm) o UVA (308, 351 nm).
Le lunghezze d’onda più corte come VUV e UVC hanno una penetrazione relativamente minima attraverso le pellicole accoppiata con un’energia per fotone relativamente maggiore. Al contrario, lunghezze d’onda più lunghe come UVA e UVV hanno una penetrazione relativamente maggiore attraverso le pellicole ma contengono meno energia per fotone. La relazione tra l’assorbimento della lunghezza d’onda e la profondità di trasmissione per ciascuna banda di energia ultravioletta è illustrata nella Figura 2.
Opacizzare le superfici con lampade ad eccimeri
I fotoni del vuoto UV (da 100 a 200 nm) contengono la maggior parte dell’energia di tutte le lunghezze d’onda UV ma vengono completamente assorbiti nei primi 10 – 200 nm di una pellicola. Di conseguenza, le lampade ad eccimeri da 172 nm reticolano solo la superficie più esterna delle formulazioni UV e devono sempre essere integrate in serie con sistemi al mercurio o LED per ottenere la massima profondità di polimerizzazione.
Ogni volta che una pellicola UV applicata viene esposta a lunghezze d’onda intorno a 172 nm in un ambiente inerte con azoto, la parte superiore della pellicola si raggrinzisce istantaneamente e si stacca dal materiale sottostante non polimerizzato. Queste increspature introducono micropieghe e aumentano la superficie totale dell’inchiostro o del rivestimento. Ciò rende gli eccimeri ideali per l’opacizzazione ed elimina la necessità di agenti opacizzati.
Un processo di polimerizzazione in due fasi utilizza gli eccimeri per la polimerizzazione superficiale e il mercurio o il LED per la polimerizzazione finale. Un processo di polimerizzazione in tre fasi incorpora un LED a bassa potenza o una lampada ad arco al mercurio drogato con gallio prima della lampada ad eccimeri. Questa lampada “pre-gelificante” aumenta la viscosità dell’inchiostro o del rivestimento per limitare il flusso e migliorare l’uniformità dell’opacizzazione sul nastro; si ottiene anche un controllo limitato sul livello di brillantezza. Un’illustrazione di un processo di polimerizzazione UV ad eccimeri a gradini è fornita nella Figura 3.
L’arricciatura della superficie di una pellicola utilizzando lampade ad eccimeri produce una superficie più ruvida rispetto alle formulazioni polimerizzate con vapori di mercurio o LED. Le superfici più ruvide consentono l’assorbimento di maggiori quantità di luce nel materiale polimerizzato, diffondendo allo stesso tempo la luce riflessa in molte direzioni. Il risultato è un bellissimo aspetto opaco che offre protezione antiriflesso e anti-impronte insieme alla resistenza alle macchie, all’abrasione chimica e fisica e all’usura sempre associate alla polimerizzazione UV. Livelli di brillantezza molto bassi, intorno a 2 GU, non sono possibili con agenti opacizzanti, ma si ottengono facilmente con la polimerizzazione UV ad eccimeri. Inoltre, pur avendo una superficie più ruvida rispetto ai materiali polimerizzati rigorosamente con vapori di mercurio o LED, la maggiore superficie prodotta con lampade ad eccimeri rende anche le superfici polimerizzate morbide al tatto.
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Applicazioni degli eccimeri
La polimerizzazione UV ad eccimeri su nastri e fogli di larghezza fino a 2,3 metri viene utilizzata in numerose applicazioni di conversione industriale. I processi e i prodotti che richiedono una finitura opaca uniforme e controllabile sono i più adatti a questa tecnologia. Ne sono un esempio le pellicole di finitura e rivestimento nonché le carte decorative, che utilizzano tutte lampade ad eccimeri per creare superfici di qualità su mobili e prodotti di interior design. Sono usi comuni anche i pavimenti in laminato e PVC incorporati in stanze e passaggi pedonali ad alto traffico pedonale, nonché in ospedali e laboratori che desiderano superfici più sterili e resistenti alle macchie. Altri includono parti e assemblaggi in vetro e plastica utilizzati in dispositivi elettronici, automobili e altri settori in cui si desiderano superfici antiriflesso e anti-impronte. Sebbene la tecnologia ad eccimeri non sia nuova, sta sicuramente ricevendo maggiore attenzione da parte dei convertitori e dei produttori di prodotti. Questo perché la polimerizzazione UV ad eccimeri offre incredibili funzionalità prestazionali del prodotto finale che semplicemente non possono essere ottenute utilizzando nessun altro metodo.
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