高雄・鳳山で金属部品の塗装を手掛けるお客様がいて、白色塗料をどう硬化させても「表面は乾くのに下が乾かない」、削ると下層はまだ軟らかく、クレームが絶えませんでした。彼らは一時、ランプが古くなったのだと思い込み、新しいランプに換えても状況は同じ。私たちが現場で処方を尋ね、ランプの型を見て初めて分かったのは、問題はランプの古さではなくランプの選定ミスにあるということでした——白色塗料に標準的な水銀ランプを合わせても、底まで硬化させることは到底できません。これはDr. HönleやIST METZといった中圧水銀ランプ硬化システムで非常に典型的な状況です。以下では、この種のシステムの選定の要点、UV照射量の測り方、コンベア速度の合わせ方、そしてよくある問題を一度に整理します。
中圧水銀ランプの出力密度とランプ管長
中圧水銀ランプの出力は慣例的にW/cmで表します。すなわちアーク長1cmあたりの出力です。市場ではおおむね80から240 W/cmまでが一般的で、機種によって段階分けされています。メーカー仕様で見ると、Dr. HönleのUVAPrintシリーズは最大約240 W/cm（間欠運転では330 W/cmまで到達可能）、アーク長はおよそ100〜1,055mm、出力は30〜100%で連続調整できます。IST METZの自社製ランプは出力範囲がさらに広く、およそ40〜330 W/cm、ランプ管長は200〜3,400mmまで揃い、公称寿命も一般的な中圧水銀ランプより長くなっています。出力密度は高ければよいというものではなく、塗膜の厚み、ライン速度、硬化要求に対応させる必要があります。出力が十分で、波域が合っていて初めて意味を持ちます。
ドープランプ：鉄、ガリウムと白色塗料の関係
冒頭の白色が透過硬化しない案件に戻ると、核心はドープにあります。標準的な無ドープの水銀ランプは、主な輝線が254、365、405nmなどにあり、UVCが強く、一般的な顔料インキやクリア塗料の速硬化に向いています。しかし顔料が濃く、塗膜が厚くなると、短波長は底まで届きません。このときドープによってエネルギーを長波長側へ押し出す必要があります。鉄ドープは約380nm付近のUVAを強め、厚膜や濃色顔料の透過硬化に適します。ガリウムドープは403、417nmに強い輝線を導入してエネルギーをさらに長波長へ押し出し、まさに白色や二酸化チタンを含む塗料の解決策となります。なぜでしょうか。二酸化チタンのような白色顔料は380nm以下の紫外光をほとんど吸収・散乱してしまい、短波長は塗膜底部の光開始剤に届きません。約380nm以上の長波長（ガリウムランプが強化する400〜417nm）だけが通り抜けてエネルギーを底まで運び、底までの硬化を達成できるのです。IST METZはランプを標準水銀、Type A ガリウム・インジウム、Type B 鉄、Type C 鉛といったスペクトルに分けており、そのうち鉛入りタイプは白色クリア塗料に特に適します。Dr. Hönleも鉄ランプ、ガリウムランプ、水銀ランプと複数のスペクトルを交換可能な形で提供しています。白色塗料が透過硬化しないなら、十中八九、換えるべきは新しいランプではなくガリウムランプです。
UV照射量の測り方：mJ/cm²と4波長帯
硬化がうまくいっているかどうかは肉眼では判断できず、UV照射量（積算光量）を測る必要があります。単位はmJ/cm²です。式はいたって単純で、照射量は放射照度（mW/cm²）に露光時間を掛けたものです。測定にはUV放射計を用います。よく使われるものにHönle自社のUV-Meter、ISTのUMSやUV Analyzerといった携帯型測定器があり、第三者製ではEIT Power Puckのようにコンベア上にワークと一緒に流して測れる機器があります。肝心なのは、4つの波長帯に分けて測ることです。UVA、UVB、UVC、UVVです。なぜでしょうか。処方が違えば、ドープランプが違えば、各波長帯の比率はまったく異なるからです。同じ総照射量でも、表面硬化はUVC・UVBで見て、深層や顔料入りの透過はUVA・UVVで見ます。波長帯ごとに測って初めて、ランプの型が合っているか、どの帯域が先に劣化しているのか、表面乾燥が足りないのか底の乾燥が足りないのかが分かります。総値を1つ報告するだけでは、しばしば誤判断につながります。
コンベア速度、ランプ寿命とその他のよくある状況
コンベア速度と照射量は反比例の関係にあります。速度が速いほど、硬化ゾーンを通過する時間が短くなり、照射量は低くなります。露光時間は照射エリアの長さをコンベア速度で割った値なので、照射量を調整するレバーは3つあります——コンベア速度で露光時間を制御する、ランプ出力やランプ高さで放射照度を制御する、ランプヘッド数を増やして総照射量を増やす、です。実務ではまず目標照射量からコンベア速度を逆算し、次に出力とランプ高さで微調整し、最後に放射計で検証します。
よくある問題の大半は「照射量不足」を軸に回っており、原因は一項目ずつ切り分ける必要があります。ランプの経年劣化による出力低下（中圧水銀ランプの典型的な寿命はおよそ1,000〜2,000時間で、多くの産業では強度が落ちすぎるのを避けるため1,000〜1,500時間で交換します）、リフレクターの汚れや劣化（基材に届くUVのかなりの割合は反射によるもので、リフレクターが汚れると到達エネルギーは大きく下がるため、イソプロピルアルコール（IPA）で定期的に清掃します）、石英の失透による白点、コンベア速度の過大、そして前述のドープランプの選定ミスです。温度にも気を配る必要があります。中圧水銀ランプは熱間始動で、水銀蒸気圧を保つにはランプ肩部の温度を十分高く維持しなければなりませんが、一方で過熱してランプ管が湾曲・変形するほどになってもいけないため、冷却システムが非常に重要です。また波長が240nm未満だとオゾンが発生するので、排気を十分に行う必要があります。Dr. HönleのUVACUBE、UVAHAND、UVAPrintや、IST METZのBLK、MBSシリーズはいずれもよく使われるシステムの選択肢で、組み合わせる際にはランプの型、冷却、測定の3点を一体で計画してこそ、硬化が安定します。
中圧水銀ランプ硬化は一見単純ですが、ランプの型を間違え、照射量を測らず、リフレクターに気を配らなければ、問題は繰り返し噴き出し、しかも「ランプが古くなった」と誤判断しがちです。TingHaoは高雄で、塗装・印刷の生産ラインに向けてDr. HönleやIST METZなどのUV硬化システムの選定、照射量測定、硬化異常の診断をお手伝いしています。白色が透過硬化しない、表面がべたつく、照射量がふらつくといった悩みで行き詰まっている方は、07-363-0802までご連絡ください。塗料とランプの型をお持ちいただければ、私たちが測定し、パラメータを正しく調整します。
本記事は UV 硬化に関する技術情報の共有です。廷皓科技は現在、赤外線加熱と屋内空気除菌に注力しており、UV 硬化設備は取り扱っておりません。関連のご相談はお問い合わせください。