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水性UV涂料在塑膠表面涂裝的應用,闡述了研發用于塑膠件表面涂裝的水性UV涂料的最新進展
2019年07月30日    閱讀量:4971    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 前言

近年來,隨著節能環保意識的逐步加強,以及高分子科學的發展,要求使用環境友好型涂料的呼聲也越來越高,世界各國紛紛制定相關的法律法規,控制涂料行業有機揮發物(VOC)的排放含量,鼓勵推廣使用綠色節能環境友好的新產品。


我國的“十二五”規劃也提出節能降耗和污染減排的約束性目標,國內企業為尋找競爭優勢都在逐步收緊涂料VOC含量指標,開發和應用節能環境友好型涂料。水性紫外光(UV)固化涂料結合傳統UV固化技術和水性涂料技術兩者的許多優點,采用水作為分散介質,具有無色無味、不易燃燒、無皮膚刺激性、VOC含量低、可用水稀釋和清洗、對操作要求相對較寬等特點,完全符合綠色環保法規要求中國建材網cnprofit.com


水性UV涂料由于其環境友好安全的特點得到了國內外學術界和工業界的廣泛重視。ZENECA公司(原ICI Resins)即推出了幾種用于家具水性UV涂料,德國的Vianova Resins公司(Hoechst公司的子公司)也有相應的產品問世。


Keimpe J. Van Den Berg利用聚氨酯分散體系得到了具有很好耐候性的汽車用水性UV涂料。大連工業大學的翼曉敏等,針對現有UV單體具有刺激性問題,以多羥甲基苯酚鈉與丙烯酰氯為原料,合成出適用于水性UV固化涂料的多羥甲基苯酚丙烯酸酯單體,且配制出固化速度快、涂膜性能良好的涂料。


湖南工業大學的王建龍[7]等,制備主鏈側基和端基均含不飽和雙鍵的UV水性聚氨酯樹脂,并研制出一系列適用于不同基材的水性UV涂料。蘭州理工大學的崔錦峰等,將不飽和聚酯和聚氨酯進行共聚,研制出兼具硬度和韌性的水性UV涂料。


化妝品包裝材料和3C產品大量使用塑膠材料,相應的產品在使用中和消費者有頻繁的直接接觸,使用水性UV涂料來涂裝表面,可以提高化妝品包裝材料和3C產品的安全性,保護消費者的人體健康。


然而,水性UV涂料與其他水性涂料一樣,在塑膠基材的涂裝中仍然存在一些技術難題,阻礙了水性UV涂料獲得更加廣泛的應用,其中首要的是克服水的高表面張力而引起一般基材上的潤濕性差的問題。而涂料在基材上有很好的潤濕效果是涂料應用的首要條件,這個難題的解決可以使得水性UV涂料具有良好的可施工性,獲得更加廣泛的應用。


本文將介紹研發合成的具有較好潤濕效果和乳化能力的水性聚氨酯丙烯酸酯樹脂,以及以該樹脂為主體研制出的一種水性UV塑膠涂料。該涂料穩定性好,對ABS、PC等大部分塑料基材有很好的潤濕效果,且附著力優異,耐水性突出,工藝簡單及實用性強,適合應用在化妝品、3C等塑膠件的表面涂裝。

 

1 試驗部分

1.1 原材料及設備

水性聚氨酯丙烯酸酯WPU-A,自制;丙烯酸異冰片酯(IBOA)、二縮三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、雙季戊四醇六丙烯酸酯(DPHA),長興化學;光引發劑1173,Ciba公司;BYK333,畢克化學;Tego wet 280、Tego 902w,TEGO;去離子水。

光固化機,浙江佑泰;UV PowerPuck Ⅱ UV能量計,美國;SFJ-400D 磨砂分散攪拌多用機,上海現代環境工程技術;DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱,上海一恒科技。

1.2 涂料的制備

將WPU-A、活性稀釋劑、引發劑、助劑按配方混合均勻,在2 000 r/min高速分散下邊分散邊緩慢滴加相應的去離子水,加完水后,再在2 000 r/min下分散10 min,即可得到穩定的乳液。

1.3 涂膜的制備

將水性UV涂料分別噴涂在ABS、PC、PS、PMMA、PE塑料基材上,60 ℃烘烤7~10 min,使水分完全揮發,在光固化機下照射固化。

涂層膜厚:18~25 μm。

1.4 涂膜性能測試

按國標測試硬度、附著力、RCA、耐水性、耐酸性、耐溶劑性等。

 

2 結果與討論

2.1 乳液潤濕性影響因素

水性低聚物是水性UV涂料的重要組成部分,它的性能決定了涂膜的物理機械性能。水性聚氨酯丙烯酸酯分子中的氨酯鍵能在高分子鏈間形成多種氫鍵,使涂膜具有優異的耐磨性和柔韌性,在塑料基材上有較好的附著力,同時也具有較好的耐化學藥品性能。

由于一般塑料基材的表面能在30~50 mN/m,遠低于水的表面張力72 mN/m。這使水性涂料在塑膠基材上的潤濕性變差,本研究合成的水性聚氨酯丙烯酸酯樹脂WPU-A中引入能夠有效降低表面張力的長碳鏈結構,使WPU-A的表面張力降低到38 mN/m左右。使其在一般塑料基材如ABS、PC等基材上有很好的潤濕性,結果如表1所示。

WPU-A在不同塑膠基材上的潤濕性

水性UV涂料在塑膠表面涂裝的應用,闡述了研發用于塑膠件表面涂裝的水性UV涂料的最新進展 中國建材網,cnprofit.com

從表1的結果可以看出,WPU-A在ABS、PC、PMMA上潤濕效果還可以,但在PS/HIPS、PE上的潤濕還是較差。這是因為ABS、PC、PMMA的表面張力大于38 mN/m,而PS/HIPS、PE的表面張力在33 mN/m、30mN/m左右,小于WPU-A的表面張力。因此,自制樹脂在PS/HIPS、PE上的潤濕較差。

為了使WPU-A在PS/HIPS、PE等低表面能塑料基材上能有效潤濕,可添加潤濕劑以降低體系的表面張力。Tego wet 280為用于水性體系的高效有機硅基材潤濕劑,與WPU-A的相容性較好,可有效降低涂料的表面張力。

表2為WPU-A添加Tego wet 280后的潤濕性。對比表1和表2的結果,可以看出添加基材潤濕劑Tegowet 280后,該體系在PS/HIPS、PE上的潤濕得到顯著改善。

WPU-A添加Tego wet 280后的潤濕性

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2.2 涂膜物理機械性能影響因素

2.2.1 活性稀釋劑的影響

WPU-A除了具有較好的潤濕性外,其本身的自乳化能力較強,能夠將油溶性活性稀釋劑包裹在乳膠粒中,形成穩定的乳液。這樣一方面可以給水性涂料的配方調整提供更大空間,另一方面,通過添加油溶性活性稀釋劑,可以增加涂膜的耐性。

為了研究活性稀釋劑對乳液涂膜性能的影響,將WPU-A乳化IBOA、TPGDA、TMPTA、DPHA,噴涂在PC基材上,60 ℃烘烤7 min,UV固化(輻射劑量為1 000 mJ/cm2),檢測性能如表3所示。

不同活性稀釋劑對涂膜性能影響

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從表3的結果可以看出,活性稀釋劑對涂膜的性能有很大的影響。隨著活性稀釋劑官能度的增加,體系的交聯密度增加,涂膜的硬度、耐磨性和耐水性提高。DPHA為6官能團單體,具有較高的交聯密度,但經固化后,體系的體積收縮也隨之變大,導致其附著力變差。綜合考慮,選擇TMPTA作為乳液體系的活性稀釋劑最為合適。

2.2.2 引發劑用量的影響

引發劑1173具有較高的引發效率,為液體,可以很好地被包裹在乳膠粒中形成穩定乳液,故選擇1173作為水性UV涂料的引發劑。引發劑用量盡管在整個配方體系中很低,但它的用量卻對涂膜的各方面性能起到至關重要的作用。圖1和圖2為1173的用量對涂膜RCA和耐水煮的影響。可以看出,隨著1173的含量增加,涂膜的RCA和耐水煮性增加。含量控制在3%及以上時,涂膜性能不再變化。這是因為隨著1173含量的增加,涂膜交聯密度增加,硬度也增加,RCA和耐水煮性都會隨之增加。綜合考慮1173的含量最好控制在3%左右為最合適,若引發劑過多,會殘留在涂膜里,影響涂膜性能。

光引發劑1173用量對涂膜RCA的影響

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光引發劑1173用量對涂膜耐水煮的影響

2.3 產品綜合性能指標

根據研究結果,本文最后選用的試驗配方如表4所示。

UV水性涂料的配方

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為了測試該水性UV涂料在不同塑膠基材上附著力及物理機械性能,將該涂料噴涂在ABS、PC、PS、PMMA和PE基材上,60 ℃烘烤7 min,UV固化(輻射劑量為800 mJ/cm2),檢測性能如表5所示。

涂料在各基材上的機械性能測試結果

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從表5可以看出,該涂料在各塑料基材上都具有較好附著力,硬度和耐磨性尚可,能滿足目前的市場需求。

表6為本研究所制備的水性UV涂料應達到的性能指標及實際的檢驗結果(基材為PC)。從表6中可以看出,該產品具有較好的耐水煮性及耐化學藥品性,同時該乳液穩定性優異,常溫避光貯存12個月無變化。能滿足化妝品、3C等塑膠件的表面涂裝。

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產品性能指標及檢驗結果

3 結語

本研究合成的水性聚氨酯丙烯酸酯WPU-A具有較好的潤濕性,添加潤濕劑Tego wet 280后可有效潤濕各種低表面能的塑膠基材。與油溶性的TMPTA搭配,可制出乳液穩定性優異,耐水及耐化學品性能突出的水性UV涂料,同時在不同塑膠基材上有較好附著力,能滿足目前市面上對化妝品、3C等塑膠件的表面涂裝要求。


隨著公眾對環境保護的日益重視,政府將出臺實施更加嚴格的環保法規,涂料技術的進步將使得水性UV涂料等綠色環保涂料獲得更加廣泛的應用,尤其在化妝品及3C產品等涂裝領域有望逐步取代傳統的溶劑型涂料,具有美好的應用前景。


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