Hojas de datos EPA: Revestimientos, tintas y adhesivos curados con ultravioleta y haz de electrones (Parte 2)

Fuentes de UV

La energía radiante UV con frecuencia se genera mediante arcos eléctricos en lámparas de arcos de vapor de mercurio a mediana presión (de aproximadamente dos atmósferas), tal como se muestra en la Figura 2. Estas lámparas por lo general están fabricadas de cuarzo formado en un tubo cilíndrico largo, para proporcionar una iluminación uniforme en todo el ancho de la banda. Las lámparas también contienen un gas, como argón, que ayuda a ionizar el mercurio. Cuando el arco de arranque está en funcionamiento, el mercurio en la lámpara aún no se ha vaporizado completamente y, durante varios minutos, tanto el espectro como la intensidad de la radiación estarán cambiando. Asimismo, las bombillas de arcos de vapor de mercurio tienen una característica de corriente versus voltaje que no es para nada lineal. Como resultado de ello, requieren un lastre o balasto – similar a las lámparas fluorescentes, pero a una potencia más alta. Se ha evaluado el rendimiento de diversos diseños de estos lastres o balastos. No existe verdaderamente una única respuesta para todas las aplicaciones, pero la selección de lastres o balastos se basa en una solución de compromiso entre el costo, tamaño, ruido y potencia. 42 La longitud del tubo cilíndrico de cuarzo con los electrodos limita el ancho de la banda que se puede utilizar. Para el caso de lámparas de arco de mercurio, esto tiene un límite práctico de aproximadamente 5 pies.

La adición de excímeros a las lámparas de arco de vapor de mercurio, lámparas excitadas por microondas o lámparas llenas de argón o xenón puede generar más salida radiante en las porciones selectas del UV cercano o actínicas del espectro. Por ejemplo, una bombilla rellena de sistemas de Fusión UV “D” tiene un excímero que puede producir un amplio espectro con una intensidad máxima a 370-380 nm. Los excímeros son dímeros excitados. Estas moléculas se excitan, separan y recombinan sueltan energía en una banda dada y a veces estrecha de longitudes de onda. Los excímeros pueden emitir longitudes de onda más cortas que aquellas de los fotones usados para excitarlos. Esto sucede porque más de un fotón puede excitar una molécula de dímero para causar su separación, pero sólo se emite un fotón al recombinarse la molécula. El excímero no es consumido en este proceso. En comparación, el fenómeno de la fluorescencia siempre produce longitudes de onda más largas que aquellas de un fotón absorbido. La fluorescencia es causada por una molécula que absorbe un fotón y reirradia la energía a una longitud de onda definida más larga.

Cada vez que se utilice vapor de mercurio o excímeros, las bombillas que hayan llegado al final de su vida útil deberán desecharse adecuadamente. Esto podría requerir aplastar las lámparas para recuperar el mercurio, reciclar el cuarzo, capturar cualquiera de los excímeros que pudieran ser contaminantes peligrosos, y recuperar los electrodos.

Es posible que se requiera más de una lámpara UV en una unidad de curado con UV. La dosis que reciben los objetos (por ejemplo, la banda en la impresión, o los muebles en un curado 3D) desde las lámparas UV se determina por la potencia de las lámparas, la intensidad de la radiación, la absorción de la radiación por medio de una tinta, revestimiento o adhesivo, la absorción del espectro de energía radiante UV por el fotoiniciador y la velocidad con la que fluyen los objetos a través de la energía radiante UV en una unidad de curado. En la impresión y en el revestimiento de bandas, la velocidad de la banda (la velocidad a la que pasa un sustrato a través de una unidad de curado) determina la tasa de producción. Las tasas de producción con curado UV han estado en aumento a medida que las lámparas han sido más eficientes y potentes, y los adelantos en la química de los materiales curados con UV ha mejorado la polimerización.

Las lámparas de arco de vapor de mercurio pueden demorar varios minutos en calentarse. Por lo general se suministra un obturador para proteger la banda y evitar incendios durante el calentamiento. Si no se dispone de un obturador, se mantiene en funcionamiento la línea de impresión y revestimiento para evitar que la banda se funda o incendie mientras se calientan las lámparas. Un sustrato o banda que pasa a través de una prensa o recubridor durante el calentamiento de la bombilla se convierte en un desecho sólido con tinta o revestimiento UV sobre el mismo. Esto puede ser un desecho sólido peligroso porque la tinta y/o revestimiento UV no están curados. Se puede convertir en un desecho sólido no peligroso simplemente exponiéndolo a una cantidad suficiente de luz solar. Un obturador que permanece cerrado también puede proteger una banda estacionaria hasta que se calienten las lámparas de arcos de vapor de mercurio, minimizando así tales desechos.

Tanto las lámparas de arco de vapor de mercurio como las lámparas excitadas por microondas normalmente operan a aproximadamente 800°C. La energía radiante UV proveniente de cada una de ellas es proporcional a sus áreas superficiales. Las lámparas de arco de vapor de mercurio tienen más del doble del área superficial para la misma radiancia UV y, por tanto, más del doble de la energía radiante IR comparadas con las lámparas excitadas por microondas. Como resultado de ello, las lámparas de arco de vapor de mercurio causarán un aumento de temperatura mayor en un sustrato para la misma dosis de UV.

Se utilizan los cañones electrónicos para generar haces de electrones de manera similar al tubo de imágenes de TV. Estos haces pueden desviarse, tal como sucede como un haz que forma una trama exploradora en una pantalla de TV o en el monitor de una computadora. Un haz proveniente de estos cañones electrónicos puede concentrarse magnéticamente para crear un punto pequeño que se mueve rápidamente. Los haces de electrones también pueden generarse por los filamentos lineales y cátodos que luego son dirigidos por electrodos electrostáticos para formar su imagen en un substrato, tal como se indica en la Figura 7. Pueden usarse filamentos o cátodos múltiples cuando se requieran corrientes más altas para lograr velocidades de producción más elevadas.

Los haces de electrones son sensibles a la densidad del gas entre una fuente EB y un objeto a ser curado. Una unidad EB ionizará el oxígeno del aire para crear ozono y óxido de nitrógeno; por lo tanto, se recomienda encarecidamente el uso de un recubriente de nitrógeno para evitar la formación de óxido de nitrógeno y ozono.

Se disminuye la velocidad de los electrones mediante múltiples impactos con moléculas de gas que rodean a un substrato (presumiblemente nitrógeno, pero lo mismo es cierto para el oxígeno). Esto causa que un haz de electrones se degenere en una dispersión múltiple difusa de electrones. Los electrones dispersos son mucho más numerosos que los electrones en el haz original, porque resultan de un efecto de avalancha. La dispersión ocurre porque los núcleos están rodeados por numerosos electrones que tienen la misma masa que los electrones del haz. Para minimizar este problema, se suministra un espacio evacuado sellado desde la fuente de EB hasta dentro de una pequeña distancia del substrato. Una ventana compuesta por una lámina de titanio forma el sello hermético al aire para mantener un vacío para el espacio evacuado.

Se elige el titanio para la ventana porque: (1) tiene un número atómico (Z) bajo y es un metal de densidad baja que se calienta absorbiendo aproximadamente la mitad de los electrones del haz, pero no se calienta lo suficiente como para perder su fuerza; (2) puede fabricarse para formar una lámina que es lo suficientemente delgada como para minimizar las pérdidas de electrones; (3) es lo suficientemente fuerte como para permitir que una lámina delgada soporte la presión atmosférica, incluso cuando haya un haz de electrones encendido; y (4) es muy resistente a la corrosión por lo que no se oxidará cuando se le calienta moderadamente. Hasta el momento de poder fabricarse la lámina de titanio (alrededor de 1970), no existía un material de ventana apropiado y, por lo tanto, no era posible lograr un haz de electrones energético en el aire. Los electrones se dirigen hacia la ventana laminada porque perderían demasiada energía si atravesaran una pared metálica más gruesa. Incluso perderían demasiada energía si atravesaran suficiente vidrio como para proporcionar un adecuado sello para el vacío.

Cuando la corriente de electrones pasa por la ventana, encuentran sus primeras moléculas de aire o nitrógeno, y se dispersan con bastante intensidad. No obstante ello, una corriente intacta de electrones continúa por varios milímetros (dependiendo de la velocidad inicial). Esta corriente intacta de electrones se hace más y más difusa a medida que aumenta la distancia. Después de sólo unos pocos centímetros, la corriente de electrones se dispersa y difunde. A medida que el haz de electrones pierde energía por impactos y captura, genera rayos X. Finalmente, sólo permanecen los iones, con irradiación de rayos X desde donde antes había estado el haz de electrones.

Los haces de electrones son sensibles a la densidad del gas que rodea el objeto a ser curado y para ionizar el oxígeno en el aire (los iones de oxígeno crean ozono). Después de pasar por la ventana laminada, los electrones disminuyen su velocidad y resultan dispersos por impactos con gases moleculares en el aire. Como resultado de ello, se debe colocar una ventana laminada muy cerca (~ 1 mm) a un material que ha de ser curado a presión atmosférica.

La energía UV es selectiva en las moléculas que puede ionizar. Por otra parte, la energía EB ioniza todo lo que encuentra en su camino, hasta absorberse todos los electrones. Los sistemas EB generan rayos X al absorberse los electrones. Estos rayos X también pueden ionizar moléculas.

La radiación ionizante puede incluso significar luz visible si se utiliza un foto – iniciador sensible a una longitud de onda visible para ionizar las moléculas. Incluso la energía IR puede ionizarse cuando es lo suficientemente intensa como para incendiar un objeto.

Tanto la radiación UV como EB tiene fotones o partículas que son lo suficientemente energéticas como para romper las uniones moleculares. Es importante darse cuenta que los fotones de una dada longitud de onda (o color si son visibles) todos tienen el mismo nivel de energía y que dicho nivel de energía aumenta a medida que la longitud de onda irradiada disminuye. La cantidad de energía en cada fotón se determina mediante la fórmula siguiente:

energía = hf = hc/λ donde

h = constante de Planck
f = frecuencia
c = velocidad de la luz
λ = longitud de onda

La intensidad indica el número de fotones que choca con un detector por unidad de tiempo. Los fotones tienen energía definida por la longitud de onda hasta que sean absorbidos. Esto contrasta con el concepto en física cuántica que considera a los fotones como partículas sin masa que se usan como una alternativa al comportamiento de las ondas. La descripción del fenómeno como una onda y también como una partícula no es lógica. ¿Cómo puede haber una partícula dondequiera que se desplace una onda? ¿Cómo puede un fotón tener un sólo tipo de energía, mientras que la energía de una partícula varía? Sin embargo, se usan ambos conceptos para describir las características de onda y partícula de la radiación. Sabiendo que esto es así, debemos ahora analizar la radiación ionizante usada para el curado con UV/EB.

Otra definición de radiación ionizante divide el espectro UV en partes. Define UV-A como de 315-400nm, UV-B como de 280-315 nm, UV-C como de 200-280 nm y UV de Vacío como de 100-200 nm. En este esquema, UV-A es el límite inferior de longitud de onda para la visión humana, es transmitido por el vidrio de las ventanas, y puede aumentar la pigmentación de los tejidos. UV-B es principalmente energía eritrogénica; es decir, causará el enrojecimiento de la piel, aumentará la pigmentación del tejido y causará irritación ocular. El efecto más común de exposición a UV-B es el eritema (quemadura de sol) que generalmente aparece dentro de las tres horas y se hace más grave aproximadamente 12 horas después de la exposición. UV-C es filtrado de la luz solar por el ozono pero, cuando es fabricado por el hombre, tiene importantes propiedades de esterilización y otros usos industriales. El uso de UV-C o UV de Vacío requiere una atmósfera sin oxígeno para evitar la formación de ozono.

Algunos materiales necesitan más energía para ionizarse que la que se suministra por un choque con un fotón de radiación disponible en un período breve de tiempo y son, por lo tanto, dependientes de la intensidad de la radiación para la ionización. La intensidad es la velocidad a la que se absorben los fotones. Incluso la radiación IR de longitud de onda larga puede ionizar las moléculas si es lo suficientemente intensa. Sin embargo, la radiación IR por lo general no se considera radiación ionizante para el curado porque funde o quema los substratos. Sólo los fotones de longitudes de onda más cortos y los electrones tienen en realidad suficiente energía como para causar la ionización de las moléculas de tintas, revestimientos y adhesivos UV/EB sin causar daños a un substrato.

La intensidad de UV se mide en vatios por centímetro cuadrado. Las dosis de rayos X y rayos gamma se miden en Roentgens, (1Roentgen; R = 100 ergs/gramo) o en el Roentgen Equivalent for Mankind (REM, dosis equivalente en renguen en el hombre, que es la integral a lo largo de todo el espectro de Roentgens por el factor de adsorción para el tejido humano REM).2 La dosis de los haces de electrones se mide en unidades de radiación absorbidas, o Grays (1.0 Gy = 1.0 Julios/kg ).

La energía radiante UV penetra hasta sólo poca profundidad en un revestimiento, tinta o adhesivo, en la ropa o en la piel humana. Por lo tanto, la energía radiante UV por lo general se utiliza para aplicaciones de película delgada tales como tintas de impresión, adhesivos piezosensibles, formación de adhesivos permanentes, o algunas pinturas. La energía radiante UV es absorbida por pigmentos, monómeros, oligómeros y fotoiniciadores sensibles a dicha longitud de onda de UV para romper las uniones moleculares.