UV硬化（紫外線硬化）は、紫外線が光化学反応を開始し、ラジカル重合またはカチオン重合によって架橋ポリマーネットワークを生成するプロセスです。[1] UV硬化は、印刷、コーティング、装飾、ステレオリソグラフィー、およびさまざまな製品と材料の組み立てに適応できます。UV硬化は重合によって硬化が起こるため、低温、高速、無溶剤のプロセスです。[2] 1960年代に最初に導入されたこの技術は、製造業の多くの産業で合理化と自動化の向上をもたらしました。[3]
アプリケーション
UV硬化は、インク、接着剤、コーティングの硬化や変換に使用されます。[4] UV硬化型接着剤は、溶剤除去、混合比率、および潜在的な寿命の懸念が不要なため、2成分系接着剤の高速代替品となっています。[5]フレキソ印刷、オフセット印刷、パッド印刷、スクリーン印刷プロセスで使用され、UV硬化システムは、Tシャツから3Dおよび円筒形部品まで、スクリーン印刷された製品の画像を重合するために使用されます。ギター、バイオリン、ウクレレなどの高級楽器の仕上げ、ビリヤードのキュー製造、その他の木工産業で使用されます。[6] UV硬化型インクを使用した印刷では、プラスチック、 [6]紙、キャンバス、ガラス、金属、[7]発泡ボード、タイル、フィルム、その他多くの材料など、非常に幅広い種類の基材に印刷できます。 [8]
UV硬化を利用する産業には、医療、自動車、化粧品（例えば、人工爪やジェルネイル）、食品、科学、教育、芸術などがある。[9] UV硬化インクは、印刷品質、耐久性、さまざまな素材との適合性に関して出版分野の要求を満たしており、この業界の印刷用途に適した選択肢となっている。[10]
UV硬化の利点
紫外線硬化の主な利点は、材料の処理速度です。プロセスにおける硬化、つまり乾燥工程[11]を高速化すると、インクやコーティング剤が湿っている時間が短縮されるため、欠陥やエラーを減らすことができます。これにより完成品の品質が向上し、製品の一貫性が向上する可能性があります。製造時間を短縮することによるもう一つの利点は、乾燥工程が完了するまで使用できない製品を保管するためのスペースが少なくて済むことです。
UVエネルギーは様々な材料と独特な相互作用を示すため、UV硬化は他の方法では実現できない特性を持つ製品の製造を可能にします。そのため、強度、硬度、耐久性、耐薬品性など、様々な特性の変化が求められる多くの製造・技術分野において、UV硬化は不可欠な要素となっています。
UV硬化システムの構成要素
UV硬化溶液の主成分
UV硬化溶液の主な成分は、樹脂、モノマー、光開始剤です。樹脂は、最終的なポリマーに特定の特性を付与するオリゴマーです。モノマーは架橋剤として使用され、用途に合わせて混合物の粘度を調整します。光開始剤は光を吸収して反応を開始させる役割を果たし、硬化速度と硬化深度を制御します。これらの各要素は架橋プロセスにおいて重要な役割を果たし、最終的なポリマーの組成と関連しています。[12]
UV硬化ランプの種類
中圧ランプ
中圧水銀蒸気ランプは歴史的に、紫外線で製品を硬化させるための業界標準であった。[13]このランプは放電を起こして水銀と希ガスの混合物を励起しプラズマを発生させる。水銀がプラズマ状態に達すると、電磁スペクトルの紫外線領域で高いスペクトル出力を放射する。光強度の主なピークは240～270 nmと350～380 nmの領域で発生する。これらの強いピークは光開始剤の吸収プロファイルと一致すると、材料の急速な硬化を引き起こす。ランプ内の混合物を異なるガスや金属ハロゲン化物で変更することで、波長ピークの分布を変え、材料の相互作用を変えることができる。
中圧ランプは、標準的なガス放電ランプまたは無電極ランプのいずれかであり、通常は細長いバルブからエネルギーを放出します。楕円形や円錐形の反射鏡などの光学設計を組み込むことで、光を集光したり、遠距離に投射したりすることができます。これらのランプは、多くの場合900℃を超える温度で動作し、10 W/cm 2を超える紫外線エネルギーレベルを生成します。
低圧ランプ
低圧水銀蒸気ランプは主に254nmの「UVC」エネルギーを発生し、消毒用途で最も一般的に使用されています。中圧ランプよりも低温・低電圧で動作するため、他の紫外線光源と同様に、皮膚や目への過度の曝露を防ぐため、動作時には遮蔽が必要です。
紫外線LED
2000年代初頭のアルミニウムガリウム窒化物LEDの開発以来、UV LED技術はUV硬化市場において持続的な成長を遂げてきました。365～405nmの「UVA」波長において最も効率的にエネルギーを生成するUV LEDは、継続的な技術進歩[14]により、電気効率の向上と出力の大幅な向上を実現しました。低温動作と有害な水銀を含まないという利点から、[15]多くの用途において中圧ランプに取って代わるUV LEDとなっています。主な制約としては、複雑な三次元物体の硬化に適した光学系の設計の難しさ、および低波長域のエネルギー生成効率の低さなどが挙げられますが、開発作業は継続されています。
UV硬化のメカニズム
ラジカル重合
ラジカル重合は、工業的に紫外線存在下でのアクリル樹脂の硬化に用いられています。[16]紫外線の光エネルギーは光開始剤を分解し、ラジカルを生成します。このラジカルはポリマーと反応し、ラジカル基を持つポリマーを形成します。このラジカル基は他のモノマーと反応します。モノマー鎖は別のポリマーに達するまで伸び、そこでポリマーと反応します。ポリマー間にはモノマー架橋が形成され、架橋ネットワークが形成されます。
カチオン重合
カチオン重合は、工業的に紫外線存在下でのエポキシ樹脂の硬化に用いられています。[16]紫外線の光エネルギーは光開始剤を分解し、酸性溶液を形成します。この溶液はポリマーにプロトンを供与します。その後、モノマーはポリマーに結合し、より長い鎖を形成して架橋ネットワークを形成します。
参照
参考文献
- ^ Carroll, Gregory T.; Tripltt, L. Devon; Moscatelli, Alberto; Koberstein, Jeffrey T.; Turro, Nicholas J. (2011-04-20). 「既存ポリマーからのゼラチン状ネットワークの光生成」(PDF) . Journal of Applied Polymer Science . 122 : 168– 174. doi :10.1002/app.34133. 2012年1月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2018年1月20日閲覧。
- ^ Stowe, Richard W. (1996-11-08). 「工業用UV硬化アプリケーション向け高出力UVランプ」. Huffman, Robert E.; Stergis, Christos G. (編).紫外線大気・宇宙リモートセンシング：方法と計測. 第2831巻. pp. 208– 219. Bibcode :1996SPIE.2831..208S. doi :10.1117/12.257198. S2CID 137436887.
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- ^ 「HDホワイトアルミニウムメタルプリント」canvasndecor.ca . 2018年1月21日閲覧。
- ^ 「UV硬化とは？」Arrow Inks . 2016年10月27日閲覧。
- ^ Hoge, Stacy (2016年4月8日). 「コーティングのためのLED硬化技術」. Coating World . 2018年1月20日閲覧。
- ^ Wei Deng; Qi Luo (2012). 『製造システムと産業のための先端技術』Trans Tech Publications Ltd. pp. 771–. ISBN 978-3-03813-912-6。
- ^ 「UV硬化アクリルとUV硬化エポキシ」GA Lindberg . 2023年3月29日. 2024年4月14日閲覧。
- ^ 「フリーラジカルUV硬化システムの構成要素」encyclopedia.pub . 2024年4月14日閲覧。
- ^ 「UV硬化光源」. 2020年6月5日. 2023年8月8日閲覧。
- ^ 「UV-LEDの概要 パートIII：ダイオードの進化と製造」（PDF） RADTECHレポート。 2021年3月29日閲覧。
- ^ 「基礎 - UV LED硬化コミュニティ」 。 2019年3月8日閲覧。
- ^ ab "UV硬化樹脂 | スリーボンドグループ". www.threebond.co.jp . 2024年4月14日閲覧。