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復(fù)旦開發(fā)紫外LED光固化系統(tǒng) 功率密度全球第一
2016-10-21  來源:中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞:光固化 LED 功率密度

僅需傳統(tǒng)五分之一的能耗,就能實現(xiàn)高一半的光纖生產(chǎn)速度——由復(fù)旦大學(xué)電光源研究所副所長、信息科學(xué)與工程學(xué)院教授張善端及其團隊研發(fā)的光纖拉絲塔用高效紫外LED光固化系統(tǒng)完成了技術(shù)上的創(chuàng)新突破。這一紫外LED光固化系統(tǒng)即將亮相第18屆中國國際工業(yè)博覽會。絕大部分的光固化油墨經(jīng)該系統(tǒng)的照射,短短幾秒就能固化。如此高功率密度、低能耗的創(chuàng)新技術(shù)將使光纖行業(yè)的生產(chǎn)制造實現(xiàn)飛躍發(fā)展。

超越傳統(tǒng) 以五分之一的能耗實現(xiàn)高出一倍的輻射照度

紫外LED光固化系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在耗能低。較之于傳統(tǒng)的微波中壓汞燈動輒6000多瓦的高耗能,由紫外LED組成的線光源僅需消耗1200瓦,節(jié)省了80%的能耗。

而微波中壓汞燈是過去通常用于光纖拉絲塔的固化裝置。在制造光纖的過程中,當(dāng)光纖被拉成細(xì)絲后,需要在其表面涂覆一層保護性質(zhì)的油墨材料并進行固化。所謂固化,通俗來說就是使涂料由液態(tài)變成固態(tài)。印刷、汽車、電子、家具等行業(yè)的生產(chǎn),都少不了這一環(huán)節(jié)。紫外光固化是最常見的快速固化工藝,對紫外光波段敏感的涂料經(jīng)相應(yīng)光源照射后就能夠?qū)崿F(xiàn)固化。

然而微波中壓汞燈這一傳統(tǒng)光源存在著諸多弊端,不僅耗能很高,其發(fā)生微波的磁控管在工作時會散發(fā)大量的熱。同時,其所能達到的輻射效率也很低,根據(jù)光譜顯示,中壓汞燈發(fā)出的光線中對固化有用的紫外光僅有10%左右,可見光20%,發(fā)熱量達到70%。顯然,微波中壓汞燈的固化效率難以滿足光纖行業(yè)日益增長的生產(chǎn)需求,也與時下倡導(dǎo)經(jīng)濟環(huán)保的理念相悖。

針對傳統(tǒng)工藝中的各類問題,張善端團隊采用紫外LED光源研發(fā)出更為高效的紫外光固化系統(tǒng),除了降低能耗的特點外,傳統(tǒng)設(shè)備只有6000小時的壽命,而這套系統(tǒng)則將使用壽命延長到了30000小時。經(jīng)過一年多的持續(xù)運行,幾乎沒有光衰,光電參數(shù)依然保持出廠狀態(tài)。此外,同樣根據(jù)光譜顯示,紫外LED在針對光纖油墨固化的365至385納米波段上,能量非常集中,相比于中壓汞燈,對固化更為有利。張善端表示:“新型的紫外LED光固化系統(tǒng)僅需傳統(tǒng)五分之一的能耗,就能實現(xiàn)比傳統(tǒng)高出一倍的輻射照度,拉絲速度提高一半,且工作得更加長久!

領(lǐng)先國際 LED功率密度全球第一

據(jù)介紹,這套紫外LED光固化系統(tǒng)不僅僅能完全取代傳統(tǒng)的微波中壓汞燈,與現(xiàn)有的同類LED產(chǎn)品相比,在多方面實現(xiàn)了技術(shù)上的突破與創(chuàng)新。

該系統(tǒng)由光纖固化爐、驅(qū)動電源和冷卻系統(tǒng)三個部分組合而成,光纖固化爐是技術(shù)的核心所在,而這其中的LED光源又是整套系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分。三年前的工博會上,張善端團隊研制的紫外LED光固化系統(tǒng)初次亮相,當(dāng)時的紫外LED光源能實現(xiàn)200瓦每平方厘米的功率密度,已經(jīng)達到了全球領(lǐng)先的水準(zhǔn)。然而那只是一次初步嘗試,經(jīng)過幾年來的持續(xù)探索,他們不斷將LED技術(shù)推向新的高峰,今年的工博會上,這套針對光纖拉絲塔的紫外LED光固化系統(tǒng)已經(jīng)將最高封裝功率密度提升至700瓦每平方厘米,穩(wěn)固了全球第一的技術(shù)地位。對此,張善端感到十分自豪:“我們掌握了光纖拉絲塔核心技術(shù)之一的光纖固化爐技術(shù),這是我們中國的解決方案。”

另一方面,行業(yè)常見的紫外LED芯片最高只能經(jīng)受1安培每平方毫米的電流密度,而由張善端特別設(shè)計定制的LED芯片則能將這個承受上限提高到4.5安培每平方毫米,這主要得益于其創(chuàng)新的封裝技術(shù)。通常情況下,電流不斷提高時,發(fā)出的熱量占比更高,導(dǎo)致輻射效率下降的同時還會使得器件快速老化。而張善端團隊的封裝方法能夠有效散熱,將光源的芯片控制在合理的溫度范圍內(nèi),改善輻射效率,保持安全高效的工作狀態(tài),進一步提高了紫外LED光源的功率密度。

除了功率密度極高的紫外LED光源,另一大技術(shù)創(chuàng)新亮點則是高效的紫外光折射和反射系統(tǒng)。這套光學(xué)系統(tǒng)包含了精心設(shè)計的透鏡和反射器,能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的紫外光匯聚到圓柱軸心,增強軸心的輻射照度,降低光學(xué)損耗,從而提高拉絲固化的速度。

助力生產(chǎn) 未來有望推動更多行業(yè)變革

目前,該系統(tǒng)已經(jīng)申報6項發(fā)明專利,卓越的技術(shù)性能也產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

在該系統(tǒng)的助力之下,保持同等的系統(tǒng)輸入功率,光纖拉絲塔的拉絲速度能夠增加近50%,達到每分鐘3000米的驚人速度。如今,只需兩個拉絲塔就可以獲得原本三個拉絲塔的產(chǎn)量,既節(jié)省了投資,又增加了產(chǎn)量,同時還可以降低能耗。

數(shù)據(jù)顯示,幾家國際光纖巨頭企業(yè)在小規(guī)模使用該系統(tǒng)后,近三年共新增產(chǎn)值18.4億元,新增利潤達3億元,并且節(jié)電402萬千瓦時,節(jié)電效益折算443萬元,減排二氧化碳0.4萬噸。因此,這套光纖拉絲塔用紫外LED光固化系統(tǒng)對于光纖行業(yè)的生產(chǎn)制造是一項重大突破,將有力推動光固化設(shè)備的革新。張善端有把握在三年內(nèi)實現(xiàn)國內(nèi)企業(yè)光纖固化爐技術(shù)的升級換代。

而將來,該技術(shù)還有望應(yīng)用于更多與光固化相關(guān)的領(lǐng)域,例如印刷、木地板、家居、地坪等行業(yè)。依仗卓越的芯片封裝功率密度,該LED光源能夠廣泛適用于各種類型的光固化應(yīng)用。張善端表示:“對絕大部分不同顏色或成分的光固化油墨,用這個紫外LED光源幾秒就能實現(xiàn)固化。在國際上我們是走在前面的!倍鴮τ谟推帷⒛酒、印刷等類型的光固化,該技術(shù)還能夠?qū)⒐?jié)能幅度推升至90%。

雖然“光固化”對大部分人而言有些陌生,但每個人的日常生活都與油墨、涂料、油漆等息息相關(guān)。在張善端看來,紫外LED光固化系統(tǒng)在光纖行業(yè)的應(yīng)用只是它形成的第一次行業(yè)突破,憑借其高質(zhì)高效、節(jié)能環(huán)保、安全長久的優(yōu)勢,這套技術(shù)以后將無所不在。“我們喜歡難題,難題意味著有門檻,不可能被快速復(fù)制。我們現(xiàn)在要做到推出一代、研發(fā)一代、預(yù)研一代。”張善端這樣描述研發(fā)團隊的理念。

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