Ultraviolettisäteilyllä kovettuvien liimojen kovetusprosessi

Abstract

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli optimoida ultraviolettisäteilyllä kovettuvan liiman kovetusprosessia lääketieteellisen sensorikomponentin (korvalehtianturin) valmistuksessa. Työn lähtökohtana oli käytössä oleva UV-kovetusmenetelmä, jossa tavoitteena oli löytää prosessin tehokkuutta ja laatua parantavia tekijöitä. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti kahden erilaisen valonlähteen, perinteisen elohopeahöyrylampun sekä modernin UV-LED-lampun vertailuun. Lisäksi pyrittiin löytämään optimaalinen valotusaika, jolla saavutetaan mahdollisimman vahva ja luotettava liimasauma lyhimmässä mahdollisessa ajassa.

Tutkimuksen aluksi mitattiin molempien valonlähteiden emissiospektrit sekä käytetyn UV-liiman absorptiospektri. Spektrimittauksia vertailemalla arvioitiin valonlähteiden soveltuvuutta ja tehokkuutta liiman kovettamiseen. Mittaustulokset osoittivat selkeitä eroja valonlähteiden välillä. LED-lampun emissiospektri kohdistui lähes yksinomaan aallonpituuksille, jotka olivat liiman absorptiolle ja sitä kautta kovetusreaktiolle optimaalisia. Sen sijaan elohopeahöyrylampun emissiospektrissä esiintyi runsaasti myös ylimääräisiä aallonpituuksia, joita liima ei pystynyt hyödyntämään tehokkaasti. Tämä ylimääräinen säteily on hukkaenergiaa, joka vähentää prosessin spektritehokkuutta sekä lisää energiankulutusta ja lämmöntuottoa.

Spektrianalyysien lisäksi tutkimuksessa valmistettiin suuri joukko käytännön testinäytteitä, joissa sensorin emitterikomponentti liimattiin valmistusprosessin mukaisesti suojatyynyyn. Näytteet altistettiin molemmilla valonlähteillä useille eri valotusajoille laajalla aikavälillä, mikä mahdollisti kattavan vertailun valotusajan vaikutuksista liiman mekaanisiin ominaisuuksiin ja sen kestävyyteen.

Näytteille suoritettiin irrotuslujuustestejä, joiden avulla selvitettiin, kuinka hyvin ja nopeasti liima kovettui erilaisilla valotusajoilla. Irrotuslujuustestien tulokset osoittivat, ettei valonlähteiden välillä ollut merkittäviä eroja saavutetussa kovettumisnopeudessa tai liimauksen lopullisessa mekaanisessa lujuudessa. Molemmilla valonlähteillä saavutettiin kestävä liitos jo suhteellisen lyhyillä valotusajoilla, eikä pidempien valotusaikojen havaittu enää merkittävästi parantavan liitoksen lujuutta.

Vaikka valonlähteiden välillä ei ilmennyt merkittäviä eroja suoranaisesti liitoksen kestävyydessä tai kovettumisen nopeudessa, LED-lamppu osoittautui kokonaisuutena houkuttelevammaksi vaihtoehdoksi kuin perinteinen elohopeahöyrylamppu. LED-lampun keskeisinä etuina ovat merkittävästi parempi energiatehokkuus, ympäristöystävällisyys ja huomattavasti pidempi käyttöikä. Lisäksi LED-teknologia tuottaa selvästi vähemmän lämpöä, mikä vähentää lämpövaurioiden riskiä herkkien sensorikomponenttien valmistuksessa. Näiden teknologisten ja ympäristöön liittyvien hyötyjen perusteella UV-LED-valonlähde on kokonaisuutena parempi ratkaisu UV-liiman kovettamiseen. Tulevaisuudessa LED-valonlähteiden käyttöä olisi suositeltavaa edistää myös muissa UV-kovetukseen perustuvissa teollisissa sovelluksissa tehokkuuden, turvallisuuden ja ympäristöystävällisyyden parantamiseksi.

The aim of this Bachelor’s thesis was to optimize the curing process of an ultraviolet-curable adhesive used in the manufacturing of a medical sensor component (ear-lobe sensor). The work focused on improving an existing UV-curing method by identifying factors that could enhance the efficiency and quality of the curing process. In particular, this study compared two different types of UV light sources: a traditional mercury vapor lamp and a modern UV-LED lamp. Additionally, we determined the optimal exposure time required to achieve the strongest and most reliable adhesive joint in the shortest possible time.

Initially, emission spectra of both UV light sources and the absorption spectrum of the selected UV-curable adhesive were measured. By analyzing and comparing these spectra, the suitability and effectiveness of each light source for the adhesive curing process were evaluated. The spectral analysis showed clear differences between the two light sources: the UV-LED emission spectrum closely matched the absorption spectrum of the adhesive, effectively providing wavelengths ideal for initiating polymerization and thus optimizing the curing reaction. Conversely, the mercury vapor lamp emitted a broader range of wavelengths, including many unnecessary ones not effectively absorbed by the adhesive. This additional, unabsorbed radiation represents wasted energy, reducing spectral efficiency and increasing both energy consumption and heat generation.

In addition to the spectral analyses, several practical test samples were prepared by bonding the emitter component of the sensor to its protective cushion in accordance with the actual manufacturing procedure. The samples were subjected to a wide range of exposure times with both light sources, enabling a comprehensive assessment of how exposure duration influenced the mechanical properties and durability of the adhesive bond.

Peel-strength tests were performed to evaluate curing effectiveness and adhesive strength. The results indicated no significant differences between the mercury vapor lamp and UV-LED regarding curing speed or mechanical strength. Additionally, increasing the exposure time beyond a relatively short threshold did not further enhance the joint strength significantly.

Although no notable differences were found between the two light sources regarding curing speed or bond durability, the UV-LED proved to be an overall more attractive option. Key advantages of UV-LED technology include significantly better energy efficiency, environmental friendliness, and reduced heat generation, which minimizes thermal damage risks when manufacturing sensitive sensor components. Additionally, UV-LED lamps do not contain environmentally harmful substances, such as mercury, and therefore present a safer and more sustainable alternative.

Due to these technological and environmental benefits, UV-LED technology was concluded to be the superior choice for curing UV-curable adhesives. Consequently, the use of UV-LED technology is recommended for broader adoption in other industrial UV-curing applications, where enhanced efficiency, safety, and environmental sustainability are increasingly important goals.