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100%UV固化涂料的最佳消光效應,因固化時涂膜收縮很少而使其消光相當困難
2019年08月09日    閱讀量:295    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

1 100% UV固化涂料消光存在的問題

有效的消光或降低光澤有賴于形成微細的粗糙的涂膜表面, 入射光照射至微細的粗糙表面發生散射而在視覺上表現為亞光或低光澤。涂膜表面越粗糙,其光澤就越低。涂膜要形成微細的粗糙表面則必須具備兩個條件: 一是濕涂膜中存在大量的粒徑大小適宜的顆粒; 二是涂膜干燥或固化過程中產生體積收縮中國建材網cnprofit.com


如果其中有一個條件不能滿足或不夠充分, 那么就很難消光, 有時甚至不能消光。木地板和家具等的低光澤或亞光表面, 以前都是采用一般溶劑型涂料來獲得。一般溶劑型涂料施工固體分含量不高, 揮發分在30% ~ 80% (質量分數)之間, 因而在從濕涂膜干燥或固化成干膜的過程中, 隨著溶劑的揮發, 體積收縮相當明顯; 這樣就有利于形成微細的粗糙表面, 有利于消光。


水性涂料因水在成膜過程中揮發而使體積收縮相當顯著, 其消光也同樣不難。


UV 固化涂料因其環保、固化速度快及涂膜具有優異的理化性能而在木地板和家具等工業生產中的應用越來越廣泛。但100% UV 固化涂料不含揮發性溶劑, 固化時涂膜體積收縮很小( < 10% ), 因而難以消光。雖然低聚體和活性單體間的聚合反應也可導致涂膜體積收縮, 但化學反應導致的體積收縮, 與大量溶劑的揮發導致的涂膜體積收縮相比, 幾乎可以忽略不計。圖1為消光示意圖。

圖1 消光示意圖

100%UV固化涂料的最佳消光效應,因固化時涂膜收縮很少而使其消光相當困難 中國建材網,cnprofit.com

本文強調的100% UV 固化涂料是指體系中不含揮發性溶劑(或稱非反應性溶劑) , 包括施工時也不添加任何揮發性溶劑。采用噴涂施工的UV 固化涂料, 通常會加入揮發性溶劑來獲得適宜的施工黏度。因為含揮發性溶劑的UV 固化涂料和水性UV 固化涂料在固化成膜過程中隨著溶劑或水分的揮發而產生的涂膜體積收縮相當顯著, 從而消光要容易得多。傳統的多孔性二氧化硅消光劑, 因其硅膠純度高、嚴格控制的孔隙度、精確控制的粒徑及粒徑分布,使其非常適合用于溶劑型涂料。


100% UV 固化涂料體系, 因其固化時涂膜收縮很少, 針對這個特點, 近年已有專門用于100% UV 固化涂料體系的消光劑。其消光劑也是基于硅膠技術, 但在粒徑及粒徑分布、硅膠形態和表面處理等都是針對100% UV 固化體系消光機理上的特點而專門設計的。

 

2 影響100%UV固化涂料光澤的因素

對100% UV 固化體系的消光問題的研究表明,要獲得理想的低光澤, 既依賴于消光劑, 也依賴于配方組成、施工和固化條件等。很多因素對最終涂膜的光澤都有影響, 這使得100% UV 固化涂料體系的消光既困難又復雜。配方設計師應知道影響涂膜光澤的各種因素, 并理解所有這些因素是如何影響光澤的, 這對配方的制定以及今后生產中獲得批次間的穩定的低光澤都很重要。

2. 1 消光劑

對合成硅膠消光劑來說, 它的重要參數包括平均粒徑大小(APS)及其粒徑分布、孔隙率( PV)和表面處理。傳統的溶劑型涂料和水性涂料, 對任何給定的配方和涂膜厚度來說, 隨著消光劑APS和PV 的增加, 其涂膜光澤通常都會降低。根據是否經過表面處理可將消光劑分為兩類: 一類是沒有表面處理的消光劑; 另一類是經過表面處理的消光劑。表面處理的種類和含量也有不同。而表面處理(大都是表面蠟處理)的目的是防止溶劑型涂料在貯存過程中形成硬沉淀。所有這些傳統的消光劑很少是專門為100% UV 固化涂料體系而研發的。作為對比, 表1列舉了兩種傳統的消光劑GD1、GD2和專門為100% UV 固化涂料體系而研發的消光劑GD4的有關理化參數或性能。

消光劑的理化數據

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不同消光劑所表現的干膜厚度與涂膜光澤的關系

從圖2可知, 在涂膜很薄的情況下, 粒徑粗的消光劑具有更高的消光效率。這是因為當涂膜很薄時,消光劑的顆粒粒徑大小與涂膜厚度接近而突出在涂膜表面并直接影響表面粗糙度, 因而粒徑越粗, 光澤就越低。當涂膜厚度增加時, 情形剛好相反。隨著涂膜厚度的增加, 消光劑的顆粒相對于涂膜厚度來說越來越小, 此時蠟含量高的消光劑顯著提高消光效率。與傳統的消光劑不同, GD4 的表面處理是專門為100% UV 固化涂料體系而研發的, 其平均粒徑為5 um。涂膜厚度超過25 um 時, GD4 表現出了很高的消光效率。當涂膜薄(如不超過15 um )時, 選用消光劑時主要考慮消光劑的粒徑大小, 粒徑大小與干膜厚度相當的硅膠消光劑是很理想的選擇, 如消光劑GD2; 當涂膜較厚( 20 um 以上)時, 應選用粒徑細的且經有機物表面處理的硅膠消光劑, 如消光劑GD4。市售的多孔性硅膠消光劑中, 平均粒徑在3~ 16 um的各種型號的消光劑都可供不同應用條件下選用。


2. 2 配方

除了涂膜厚度對光澤的影響外, 100% UV 固化體系的固化動力學對涂膜光澤也有影響。配方中所有反應性成分, 包括低聚體、反應單體、光引發劑與增感劑, 以及所有這些反應性成分之間的比例, 對涂膜的光澤都有影響。配方設計師在選用低聚體和反應單體類型, 并確定它們間的比例(或含量)時, 主要考慮涂膜的理化性能和施工性能, 而很少考慮到其消光方面的性能特點。圖3列出了不同低聚體和單體對涂膜光澤的影響, 配方組成參見文后所附配方2, 所用的消光劑為GD4。不同化學結構和官能度的低聚體有著不同的反應活性; 環氧丙烯酸酯的反應活性大多比聚酯或聚氨酯丙烯酸酯要高。圖3的結果表明,與不同的低聚體對涂膜光澤的影響相比, 不同的單體對涂膜光澤的影響要大得多。這是由于所用的配方(配方2)中單體的含量高, 因而在決定固化反應速率中起主要作用。所以, 不同的單體表現出的影響要大得多。三官能度的單體比雙官能度的單體所獲得的涂膜光澤要高很多。單體的官能度變化和單體含量的變化都將大大影響體系的固化反應速率。

不同消光劑所表現的干膜厚度與涂膜光澤的關系

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不同的低聚體對涂膜光澤的影響, 可從其不同的官能度上得到很好的解釋。表2 列出了所用的低聚體的類型和官能度大小。至少可以說, 在實驗過的含單體TPGDA 的配方中, 低聚體的官能度越高, 所獲得的涂膜光澤也越高。

所用的低聚體的類型和官能度

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完全從消光方面性能特點上來選用低聚體和反應單體的類型以及確定它們間的比例, 是不太現實的, 因為還要考慮到涂膜的理化性能和施工性能。但配方設計師應意識到, 通過選用不同化學結構與官能度的低聚體和單體, 以及調整低聚體和單體間的比例, 既能滿足涂膜的理化性能和施工性能, 又可滿足所需的亞光要求。

光引發劑是決定光固化過程的重要組分。通過選用一種或幾種光引發劑, 拼用或不拼用增感劑, 可獲得體系的光固化動力學完全適用于最終用戶的固化設備。另外, 與低聚體和反應單體一樣, 光引發劑也影響涂膜光澤(見圖4)。

光引發劑對光固化速度和涂膜光澤的影響

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圖4列出了在配方3 中幾種常用的光引發劑對固化速率和涂膜光澤的影響, 配方中光引發劑的添加量都為4% , 消光劑GD4 的添加量為10%。圖中所示的固化速率是指當獲得的涂膜剛好完全固化時所用的最大固化速率。涂膜剛好完全固化是指涂膜能夠耐指甲劃痕并且擺桿硬度大于90 s。


實驗結果再一次表明, 反應活性是影響涂膜光澤的關鍵因素。從圖4可知, 改變光引發劑將導致光固化速率和涂膜光澤的變化。光引發劑的反應活性越高, 光固化速率就越快, 得到的涂膜光澤也就越高。光引發劑是配方中成本昂貴的組分之一, 光引發劑的選用大多是基于性價比來考慮而很少考慮其消光性能特點。所幸的是, 有利于消光的光引發劑一般都在低成本之列。


2. 3 施工和固化條件

固化過程基本上依賴于所使用的設備, 包括UV燈的數量、燈的排列位置、燈的功率、射線的波長和強度、輻照時間以及氛圍環境。配方設計師通常不能直接決定設備的參數, 而是通過調整配方使之適應最終用戶的設備參數。不過, 配方設計師可以建議調整設備的某些參數, 從而獲得更好的結果。


固化反應速率對涂膜光澤影響很大。值得調整的兩個參數是固化區域內的輻射能量和涂料的溫度, 這兩個參數對涂膜光澤的影響相當大, 并且相對容易調節。將消光劑GD4用在一種聚氨酯丙烯酸酯(配方4)體系中, 施工于幾種不同的底材上, 使用不同的輻射能量, 得到的結果列于圖5。


在所有實驗中, 增加輻射能量, 所得的涂膜光澤也增加。實驗中通過調節UV 燈與傳送帶的距離來調節在涂膜上的輻射能量。UV 燈與傳送帶的距離越大, 涂膜上的輻射能量就越低。實際上還可通過更換UV 燈的功率來調節輻射能量。調節UV 燈與傳送帶的距離或更換UV 燈的功率都是簡單易行的方式。

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UV能量對光澤的影響


圖5結果還表明, 底材對涂膜光澤也有影響, 不同的底材, 得到的涂膜光澤不同。A sh是一種淺白色木材, 而Sape lli是一種深褐色木材。底材對光澤的影響可能是因為不同的底材對UV 的吸收和反射有所不同。當然, 施工者不能隨意調整底材, 但不要忽視底材對涂膜光澤的影響。


溫度的變化能顯著地影響光固化速率。例如氧的活性及其在涂膜表面的擴散速率會隨著溫度的升高而增大, 從而抑制體系的游離基反應特別是涂膜表面的游離基反應, 使固化速率降低。固化速率降低有利于消光, 從而得到的涂膜光澤更低。


另一方面, 升高溫度又會影響到涂料的表面張力、流動特性和提高各組分的反應活性, 所有這些往往會使涂膜光澤增加。綜合的結果是, 溫度對涂膜光澤有影響, 但最終結果(增加還是降低)難以預測。將消光劑GD4用于一種聚氨酯丙烯酸酯(配方4)體系, 于施工和固化前對涂料加熱到不同的溫度,得到的結果列于圖6。很明顯, 溫度對光澤有影響。將涂料加熱到40bC時, 光澤明顯降低; 溫度進一步增加, 光澤的降低幅度不再明顯。

溫度對涂膜光澤的影響

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另外, 在施工后與固化前也可對濕膜加熱, 然后在進行固化。將同樣的聚氨酯丙烯酸酯(配方4)體系, 施工后將濕膜置于一定溫度的烘箱中, 保溫15 m in后再固化。結果列于圖7 。

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加熱濕涂膜對光澤的影響(固化前加熱濕涂膜)

從圖7可知, 對濕涂膜加熱會導致光澤降低。但對濕涂膜加熱同樣會導致干膜出現表面缺陷, 亞光度不均勻。與加熱涂料一樣, 加熱濕涂膜也會影響到表面張力和流動特性等。理論上可通過添加表面助劑來調整表面張力和流動特性, 實驗結果也表明, 添加改性有機硅助劑解決了因加熱濕涂膜而導致的表面缺陷, 但同時光澤也有所上升。加熱是改進UV 固化體系消光效果的有效方式,但是在施工前加熱涂料要比在施工后固化前加熱濕涂膜更方便、更簡單。

 

3 結 語

很多因素會影響100% UV 固化體系的消光效果, 消光劑的選用和配方的組成可由配方設計師直接控制, 但另外還有許多因素不為配方設計師所控制,但對涂膜光澤有很大影響, 其中包括: ①施工和固化條件, 如施工溫度; ②固化設備參數, 如UV 燈的功率和燈的排布; ③底材類型。為了達到理想的消光效果, 選用配方組分時既要考慮涂膜理化性能和施工性能, 也應考慮其消光性能特點。在100% UV 固化涂料體系中選擇消光劑的原則是: 當干膜薄(如不超過15 um)時, 選用消光劑時主要考慮消光劑的粒徑大小, 平均粒徑與干膜厚度相當的硅膠消光劑是很理想的選擇; 當干膜較厚( 20 um 以上)時, 應選用粒徑細的經有機物表面處理的硅膠消光劑。

配方中所有反應性成分, 包括低聚體、反應單體和光引發劑等, 以及所有這些反應性成分之間的比例, 對涂膜的光澤都有影響。選用反應活性低的組分有利于消光。100% UV 固化涂料體系須適用于固化設備和固化參數, 為獲得良好的消光效果, 在不影響涂料其他性能的前提下, 可調整輻射能量、涂料加熱之類的某些參數。

附: 本文數據源自以下配方與工藝

施工工藝:

涂布器: 厚度為12 um、24 um 和80 um 的涂布器( K-bar) ;

底材: 黑色測試板、膠合硬紙板;

固化設備: IST M in icure, 120W /cm 的汞燈;

傳送帶速度: 可調;

UV 強度: mJ/cm2, 用Beltron的/UV Integrator0測定。


100% UV固化涂料的最佳消光效應

林曉峰1, 曾春龍2 ( 1. 格雷斯公司上海代表處, 200031; 2. 格雷斯公司順德辦事處, 528306)


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