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UV固化涂料及其發(fā)展前景—領(lǐng)先工業(yè)

文章來(lái)源:人氣:5935發(fā)表時(shí)間:2015-08-03

  一、UV涂料及組成

  UV涂料因應用領(lǐng)域不同而成分各異,但其基本匕是吲瞄輕物、單體、光引發(fā)劑及助劑組成。UV固化的主要反應歷程是:由輻射引起光引發(fā)劑分解,生成的活性自由基引茇單體或低聚物聚合交聯(lián)。因此,光引發(fā)劑的引發(fā)效率對于配方的成本以及光固化速率起著(zhù)致關(guān)重要的作用,同時(shí)圍繞引發(fā)劑問(wèn)題也產(chǎn)生了不同的固化技術(shù),如混雜固化、光暗固化等。

  (一)單體和低聚物

  單體和低聚物的主要特征是含有端基雙鍵,它是光固化成膜的物質(zhì)基礎,在光固化成膜物質(zhì)的研究和改性中。其研究的主要思路是:通過(guò)化學(xué)手段,將含有雙鍵的單體連接在樹(shù)脂上,使樹(shù)脂具有光固化活性。

  目前,丙烯酸酯仍然是光固化領(lǐng)域最常使用的齊聚物,占整個(gè)市場(chǎng)的82%;此外,還有環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂和不飽和樹(shù)脂兩種齊聚物比較常用,均占8%。但傳統的光固化齊聚物,如環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、丙烯酸酯化聚酯(或聚醚)以及不飽和聚酯一般都具有較高的黏度,而且隨著(zhù)相對分子量的提高,其黏度也隨之增大,因此,常需加入單體,以提高其黏度。但單體會(huì )影響涂膜性能,而且對皮膚有刺激性。這樣,解決光固化樹(shù)脂的黏度問(wèn)題,就成為光固化涂料研究中的重點(diǎn),而采用超支化聚合物是解決樹(shù)脂黏度問(wèn)題的一個(gè)方向。超支化聚合物獨特的三維分子結構使其具有黏度低、反應活性高和相溶性好等性能,它還能使固化膜的收縮率變小,從而具有良好的基材附著(zhù)性能。

  (二)光引發(fā)劑

  光引發(fā)劑是光固化的核心技術(shù),它的性能決定了UV固化涂料的固化程度和固化速率。許多光固化涂膜的弊病都是由于光引發(fā)劑引發(fā)效率低或是加入填料所致。為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的工業(yè)需求,開(kāi)發(fā)更新、更快、具有獨特性能的光引發(fā)劑已經(jīng)成為UV固化技術(shù)研究的一個(gè)重要方面。目前,引發(fā)劑的類(lèi)型主要有自由基光引發(fā)劑、陽(yáng)離子光引發(fā)劑等幾種。

  1.自由基光引發(fā)劑

  自由基光引發(fā)劑分為裂解型和奪氫型兩種類(lèi)型。

  裂解型引發(fā)劑有安息香醚類(lèi)、苯偶姻類(lèi)、苯乙酮類(lèi)、硫雜蒽酮類(lèi)等,此類(lèi)引發(fā)劑的缺點(diǎn)是在空氣中受O2的影響,對光引發(fā)劑有阻聚作用,影響固化速度以及固化程度。奪氫型引發(fā)劑利用叔胺類(lèi)光敏劑構成引發(fā)劑/光敏劑復合引發(fā)體系,可抑制O2的阻聚作用,提高固化速度。盡管自由基型光引發(fā)劑存在著(zhù)一些不足,但卻具有低價(jià)優(yōu)勢,所以,目前仍被廣泛應用。

  2.陽(yáng)離子光引發(fā)劑

  陽(yáng)離子光引發(fā)劑包括重氮鹽、二芳基碘翁鹽、三芳基硫翁鹽、烷基翁鹽、鐵芳烴鹽、磺?;叭蓟柩趺训?。其優(yōu)點(diǎn)是不受O2的影響。用合成的二苯基碘鈴六氟磷酸鹽作光引發(fā)劑,對不同比例的雙酚環(huán)氧樹(shù)脂和丙烯酸酯預聚物組成的復合樹(shù)脂進(jìn)行的光固化研究,證明了碘翁鹽具有同時(shí)引發(fā)環(huán)氧和丙烯酸酯復合樹(shù)脂按陽(yáng)離子和自由基兩種不同機理進(jìn)行光固化的能力,該研究結果為進(jìn)行光混雜固化提供了理論依據。

  二、UV固化涂料的種類(lèi)

  (一)粉末涂料

  UV固化粉末涂料是粉末涂料技術(shù)與紫外光固化技術(shù)相結合的一項新型涂裝技術(shù),它綜合了傳統粉末涂料和液體UV固化涂料技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),并在一定程度上克服了兩類(lèi)涂料的缺點(diǎn)。

  傳統的熱固化粉末涂料要求在180℃~200℃下固化15min~30min,這就限制了這種技術(shù)在熱敏基材中的應用。目前正迅速發(fā)展的熔點(diǎn)在100℃~120℃的紫外光固化粉末涂層,解決了這個(gè)問(wèn)題。與傳統的熱固化粉末涂料相比,UV固化粉末涂料的熔融流平與固化是兩個(gè)獨立的過(guò)程,先使粉末顆粒通過(guò)紅外輻射加熱熔融流平,之后再進(jìn)行紫外光輻射固化,從而可以得到平整光滑的涂膜。由于UV固化粉末涂料熔融溫度低,所以可以廣泛用于熱敏基材(如紙張、橡膠、塑料)等的涂裝,這就大大擴展了粉末涂料的應用空間。UV固化粉末涂料無(wú)活性稀釋劑,涂膜收縮率低,與基材附著(zhù)力強,一次涂裝即可形成質(zhì)量?jì)?yōu)良的厚涂層,且涂料噴涂濺落的粉體便于回收使用,因此,較UV固化的液體涂料具有更高的技術(shù)優(yōu)勢、經(jīng)濟優(yōu)勢和生態(tài)優(yōu)勢。

  國外于20世紀90年代初開(kāi)始研發(fā)UV固化粉末涂料,20世紀90年代中期實(shí)現商品化,并得到迅速發(fā)展。目前已有很多UV固化粉末涂料應用于木材、金屬、紙類(lèi)基材上。國內UV固化粉末涂料也得到一定的發(fā)展。國內科學(xué)家用十六酰氯和十八異氰酸酯分別對端羥基的超支化聚酯進(jìn)行改性,獲得的粉末狀超支化低聚物,具有無(wú)定形“內核”及可結晶“外殼”的分子結構,使涂膜的表觀(guān)性能和力學(xué)性能得到大大提高。另外,由于端基存在大量紫外光可固化的丙烯酸酯基團,該粉末狀超支化低聚物在熔融輻照時(shí)能快速固化。有科學(xué)家對樹(shù)枝狀聚醚酰胺基紫外光固化粉末涂料進(jìn)行了研究,在羥端基的樹(shù)枝狀聚醚酰胺基礎上,通過(guò)與不同比例的TDI、HEA和十八異氰酸酯反應,合成了兩種具有不同濃度的UV固化半結晶聚合物DPEA-A和DPEA-B。通過(guò)DSC測試,兩種紫外光固化半結晶聚合物均形成了不同的微晶,且都滿(mǎn)足UV固化粉末涂料對強和Tm的要求。

  (二)水性涂料

  UV固化水性涂料結合了水性涂料和光固化涂料的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)得到迅速發(fā)展,也是今后光固化涂料主要發(fā)展方向之一。UV固化水性涂料的優(yōu)點(diǎn)是:可以使用相對分子質(zhì)量很高的齊聚體以提高對某些基材的黏附力,并提高固化膜的其他物理性能,而不像傳統紫外涂層的齊聚體相對分子質(zhì)量受到施工黏度的限制:體系的黏度可用水來(lái)調節,而不必使用稀釋單體,這樣就可以避免由活性稀釋單體引起的收縮;用這種方法可以得到極薄的涂層,且設備易于清洗;水烘干后在輻照之前就可以得到觸干的涂層,這樣可以用于三維物體的表面固化,這種輻照之前就觸干的涂層,減少了灰塵的吸附,并且能在固化前對涂層的缺陷進(jìn)行修補。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是:光固化前必須脫水烘干,體系光澤度低,耐溶劑性差,耐擦傷性差。事實(shí)上“水基”體系并不適合于所有的領(lǐng)域,而且“水基”體系也不是真正對環(huán)境無(wú)害,因為在清洗水基油墨或涂層時(shí),它可以溶解或分散在水中,很難去除,而其中的化合物,如丙烯酸類(lèi)對魚(yú)和其他水生物非常有害。

  UV固化水性涂料有利于環(huán)境保護,并具有固化速率快的特點(diǎn),符合時(shí)代發(fā)展要求。在歐美等發(fā)達國家,Hoechst、UCB、ICI、Zeneca、BASF等公司已推出了他們的光固化水性涂料產(chǎn)品。當前,技術(shù)上存在的不足主要包括:涂料水分散體系的長(cháng)期穩定性有待提高,可供選擇的光引發(fā)劑品種不多,大多沿用傳統的光引發(fā)劑,對于顏料著(zhù)色涂料,選擇余地更小,增設干燥除水裝置對該技術(shù)的推廣應用有不利影響。因此,繼續開(kāi)展基礎性研究,揚長(cháng)抑短,并大力拓展其應用領(lǐng)域,仍是當前發(fā)展水性光固化涂料技術(shù)的當務(wù)之急。國外科學(xué)家采用陽(yáng)離子電沉積法研制了一種具有特殊性能的聚氨酯水性涂料,這種方法能大大縮短涂料中水分蒸出的時(shí)間,很好地解決了水基涂料整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(cháng)的缺點(diǎn)。

  三、UV固化涂料的發(fā)展前景

  UV固化涂料由于其優(yōu)良的性能,符合當前人們環(huán)保意識不斷增強的需求,具有巨大的發(fā)展潛力。在國外,UV固化涂料已廣泛應用于建筑涂料、體育用品、電子通訊、包裝材料和汽車(chē)等不同領(lǐng)域。我國光固化領(lǐng)域發(fā)展速度更加驚人,每年都以20%~30%的速度增長(cháng)。在各個(gè)領(lǐng)域應用越來(lái)越廣泛,如在紙張、木器、塑料、金屬、光盤(pán)、光纖等基材上獲得了很好的應用。當前,UV固化涂料的發(fā)展又面臨著(zhù)—個(gè)絕好的機遇,為配合實(shí)施可持續發(fā)展戰略,我國制定了環(huán)保政策,并加大了執法力度,人們的環(huán)保意識日益增強,越來(lái)越多的人會(huì )選擇環(huán)保產(chǎn)品。
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