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水性紫外光固化涂料的研究進展,介紹了水性紫外光固化涂料(UVCC)的幾種制備方法
2019年08月15日    閱讀量:605    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿



水性紫外光固化涂料(UVCC)一般由水性UV樹脂(低聚物)、水、光引發劑和功能助劑(如顏填料、消泡劑、表面活性劑或其他分散穩定劑、濕潤劑、流平劑和填料等)等組成。水性UVCC 的分類方法最常見的是將其分為水溶性和水分散性2 大類,也可按是否含多官能丙烯酸酯(MFAs)及固含量高低分類[1]。


近年來,紫外光(UV)固化技術及其涂料得到了迅速的發展和應用, 但傳統油性UV 固化體系中丙烯酸酯類活性稀釋劑會對人的皮膚和眼睛有強烈的刺激作用,極大的影響了操作者的身體健康;而且許多活性稀釋劑在UV 照射過程中難以完全反應,殘留單體會影響固化膜的長期性能, 并限制了其在食品衛生等行業中的應用中國建材網cnprofit.com


以水代替反應性稀釋劑成為UV 固化技術的一個趨勢, 這樣一方面可以消除UVCC 因揮發導致的污染、刺激等問題,另一方面也為水性涂料提供了一種新的固化手段, 因而水性光固化涂料結合了傳統UV 固化技術和水性涂料技術2 者的諸多優點。水性UVCC 對環境無污染、無毒、不易燃、安全性好、穩定性高,近10 a 來得到了快速的發展,并已成為涂料發展的一個重要方向[2-3]。


1 組成

對于水性UVCC 的組成,最主要的是UV 樹脂、光引發劑和功能助劑等。

1.1 UV 樹脂

水性UVCC 中最重要的是水性UV 樹脂或預聚體,它決定固化膜的硬度、柔韌性、強度、粘附性、耐磨性和耐腐蝕性等,對UV 固化的靈敏度也有影響。不飽和樹脂多以常見樹脂進行不飽和官能化而制得,這些樹脂既可以是水溶性的(非離子型、陰離子型),也可以是乳液或水溶膠[4-5]。水性UV 固化樹脂必須同時具有親水基團和不飽和基團,才可以溶解和分散在水中,并且在UV 的照射下固化成交聯網絡。親水基團可以是羧基、磺酸基、氨基、醚基或酰胺基等,而目前用的最多的親水基團是羧基, 它通過與有機胺中和成鹽而獲得更強的水溶性。親水基團使得水性UV 固化樹脂的分子結構更加復雜, 通過與帶有不飽和雙鍵或親水基團的單體反應, 使之獲得UV 固化能力和親水性是目前水性UV 固化樹脂的主要合成思路。

1.2 光引發劑

光引發劑是光固化體系的主要組分之一, 是光固化的核心技術,它的性能決定了UVCC 的固化程度和固化速率。UV 固化的主要反應歷程是:由輻射引起光引發劑分解, 生成的活性自由基引發單體或低聚物聚合交聯, 光引發劑在受到UV 照射后釋放自由基, 引發不飽和基團交聯, 由液態變成固態涂層,這里的不飽和基團通常采用丙烯酰基、甲基丙烯酰基、烯丙基或乙烯基醚等[6]。許多光固化涂膜的弊病都是由于光引發劑引發效率低或是加入填料所致。為了滿足日益增長的工業需求,開發更新、更快、具有獨特性能的光引發劑已經成為UV 固化技術研究的一個重要方面。目前,根據反應機理的不同, 光引發劑分為自由基聚合光引發劑與陽離子聚合光引發劑, 其中以自由基型應用最為廣泛,陽離子型次之。

1.3 功能助劑與改性劑

實際應用中,除了基本組分外,還需要加入各種助劑,以達到使用要求,如加入顏填料、流平劑、消泡劑、潤濕分散劑以及消光劑等。隨UVCC 在許多領域得到愈來愈多的應用, 根據使用場合要求涂料具備一些特殊性能, 某些性能的獲得可通過添加功能助劑和改性劑來實現。納米無機粒子以其特有的表面界面效應, 使納米復合材料表現出許多新穎的特性,因而,近年來納米無機粒子改性UVCC 成為研究的一個熱點[7]。


2 制備

自20 世紀60 年代德國Bayer 公司開發了第1代UVCC 之后,由于此技術完全符合3E 原則,具有固化速度快(0.05~10 s)、無揮發性溶劑、節約能源、費用低、可自動化生產等特點,一直保持著快速的發展[8-10]。目前,UVCC 被廣泛地用于木材、金屬、塑料、紙張和皮革等多種基材的涂裝。水性UVCC 制備的發展方向主要有超支化體系、雙重固化體系、有機-無機復合涂料等。

2.1 超支化體系

采用傳統方法得到的UV 固化樹脂的官能度往往較低,如直接采用二異氰酸酯依次與聚醚(或聚酯)二醇、DMPA、羥基丙烯酸酯反應得到的是二官能度的PUA[11]。這類UV 固化樹脂往往固化速率不是很快,而且得到的涂層的硬度不高,為了提高涂層硬度, 在應用過程中往往需要添加多官能度活性稀釋劑, 而活性稀釋劑的使用必然對人體的健康和環境帶來不利的影響, 同時也會影響到涂層的綜合性能[11]。因此,多官能度固化樹脂的研制和開發是很有意義的, 而通過采用超支化技術是制備多官能度樹脂的一種極好的方式。超支化樹脂不僅表現出低熔點、低黏度、易溶解的優點而且支鏈上可以含有更多的官能基團。

2.2 雙重固化體系

傳統的UVCC 主要適合用于平面的涂裝固化,當應用于形狀復雜的物體時,其固化程度不均勻,物件陰影部分難以固化; 而且對一些厚涂層和有色體系的固化也比較困難[11]。為了克服這些缺點,可以采用雙重固化體系, 即通過2 個獨立的體系來完成交聯聚合,其中一個階段是通過光固化反應,而另一個階段是通過暗反應完成,暗反應包括熱固化、濕氣固化、氧化固化或厭氧固化反應等,這樣就可以利用光固化使體系快速定型或達到表干, 而利用暗反應使陰影部分或底層部分固化完全[11]。雙重固化擴展了光固化體系在不透明介質、形狀較復雜的部件上、超厚涂層以及有色涂層中的應用。

2.3 有機-無機復合涂料

將有機聚合物和無機粒子進行有效復合, 通過性能互補, 達到提高涂層總體性能和引入新功能的目的。對于UV 固化體系,可以通過直接分散、溶膠/凝膠或插層等手段來引入納米SiO2、蒙脫土等無機粒子,以改善涂層的硬度、耐磨性能、耐熱性能或光學性能等[11]。目前關于水性UV 固化的有機-無機復合涂料的研究還不多, 不過這應該是一個比較好的研究方向。


3 應用

隨著世界各國對環境保護的重視, 環保立法日益完善,執行日益嚴格,推動了水性光固化涂料的開發和應用,水性UVCC 的優良性能也引起了人們的興趣和重視。在國外,UVCC 已廣泛應用于建筑涂料、體育用品、電子通訊、包裝材料和汽車等不同領域; 我國光固化領域發展速度更加驚人, 每年都以20%~30%的速度增長。在各個領域應用越來越廣泛,如在紙張、木器、塑料、金屬、光盤和光纖等基材上獲得了很好的應用[12]。目前水性UVCC 已經在紙張上光油、木器清漆、絲印油墨、電沉積光致抗蝕劑等領域獲得實用,正在開發用于水顯影型光成像阻焊劑、凹印油墨、柔

印油墨、UV 噴墨油墨、皮革涂料和織物涂料等領域。

1)紙張上光油:這是水性UVCC 最早應用的領域之一,其中有水性UV 底油和水性UV 上光油,目前可聯機上光或脫機的單獨上光, 在國內如福建洪洋集團公司、陜西方正油墨化工公司等都已有商品供應。

2)木器涂料:水性UVCC 在木器和木材涂飾上有較高的應用價值, 尤其是在膠合板與成型木器的涂裝上比較有利,采用了低固含量清漆,具有優異的木紋展現性,可以增加木質美感,德國Vianova Resins公司生產的水性UVCC 已經成功用于木器涂裝。

3)絲印油墨:這也是水性UVCC 一個比較重要應用領域。北京英力科技發展公司的水性UV 絲印油墨,用于戶外廣告宣傳,是一種涂料領域的綠色產品,預計水性UV 絲印油墨將會獲得更廣泛的應用。

4)電沉積抗蝕劑:將抗蝕劑中感光性樹脂進行親水改性后變成水性感光性樹脂, 經過電沉積后在覆銅板表面形成一層薄薄的均勻而致密的抗蝕膜,其分辨率可達0.02~0.03 mm,高于UV 抗蝕油墨、干膜和濕膜的分辨率,這是水性UVCC 在電子化學品中的重要應用。

5)水顯影型光成像阻焊劑:它是針對堿顯影型光成像阻焊劑存在的弊病而開發的, 在酚醛環氧丙烯酸樹脂中,引入水溶性可熱分解性基團,變成水溶性樹脂, 該基團還可在100 ℃時與樹脂中的環氧基發生交聯反應,失去了親水性,所以固化膜具有優良的耐熱性和電氣性能。

6)凹印油墨和柔印油墨:目前在凹印和柔印中大量使用水性油墨, 非常適合水性UV 固化材料拓展應用領域,但還是要解決油墨穩定性和印刷性,才能成為實用產品,這又是水性UVCC 的一個重要應用領域。

7)噴墨油墨:噴墨印刷作為一種非接觸式、無壓力、無印版的數字化印刷方式,從20 世紀90 年代就已經獲得迅速發展,20 世紀末又出現了UV 噴墨印刷,在平臺式噴繪機單幅畫、小批錄的廣告牌和戶外指示牌生產中獲得了廣泛的應用, 水性UV 噴墨油墨則利用其低粘度、高性能的特點,將成為UV 噴墨油墨研究和發展的方向之一。

8)皮革涂料和織物涂料:皮革包括人造革和各種織物都是穿著在人的身體上, 因此要求在生產中使用環保涂料,最終穿著時才能不受到污染,而水性UVCC 是一種最佳的選擇,既環保、安全、又高效、優質,因此開發水性UV 固化皮革涂料和織物涂料,也是水性UVCC 應用的一個重要方面。


4 結語

水性UVCC 由于其環保、固化速率快、節能等優良性能,符合人們不斷增強的環保需求,具有非常巨大的發展潛力。在歐美等發達國家,Hoechst、UCB、ICI、ZENECA 和BASF 等公司已推出了它們的水性UVCC 產品[13]。水性UV 涂料可以在光引發劑和UV的作用下迅速進行交聯固化, 水性樹脂最大的優點是粘度可控、清潔、環保、節能、高效,并且可以根據實際需求來設計預聚物的化學結構[14]。但是此體系還存在著些許不足, 如涂料水分散體系的長期穩定性有待提高,固化膜的吸水性有待改進等。未來水性UV 固化技術將朝著以下幾個方面發展:1)制備新型的齊聚物:包括低粘度、高活性、高固含、多功能以及超支化等;2)開發新型的活性稀釋劑: 包括新型的丙烯酸酯活性稀釋劑, 具有高轉化率、高反應活性、低體積收縮率;3)研究新型固化體系: 為克服有時因UV 穿透能力有限產生的固化不完全的缺陷,采用雙重固化體系,如自由基光固化、陽離子光固化,自由基光固化、熱固化,自由基光固化、厭氧固化,自由基光固化、濕固化,自由基光固化、氧化還原固化等, 使得2 者的協同作用充分發揮, 促進水性光固化材料的應用領域得到進一步發展[15]。


水性紫外光固化涂料的研究進展


高倩 胡衛雅 方錫武 裴文

(浙江工業大學化學工程與材料學院,杭州310014)


標簽:行業資訊原料動態建材百科產品資訊建材應用市場評論技術中心家裝材料建筑基材建筑施工涂料油漆建筑材料
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