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一種環境友好型紫外光固化PUA涂料,結合山東科技出版社出版新課標高中化學教材《化學與生活》中光固化涂料和聚氨酯樹脂等內容
2019年10月11日    閱讀量:2010    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿


隨著人們環境保護意識的逐步提高,傳統涂料的污染和毒性問題越來越引人關注。近年來,人們將紫外( UV) 光固化技術和涂料相結合,開發出了紫外光固化涂料,這是一種在紫外光照射下,在較短時間內交聯固化成膜的新型涂料,具有環境友好的特點。


其中,紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯( PUA) 的光固化速率較快,形成的涂膜具有優良的韌性、附著力、耐熱性、耐磨性和耐化學品性等性能,已廣泛應用于金屬、木材、塑料涂層、油墨印刷和汽車車燈等領域中國建材網cnprofit.com

 

1 UV 光固化PUA 涂料的組成

這種涂料由PUA 低聚物、活性稀釋劑、光引發劑和添加劑組成,其中添加劑主要為顏料、填料和助劑,它們對完善涂料的各種性能起著重要作用。涂料的各組分相互間應具有良好的相容性。在紫外光照射下,光引發劑引發PUA 低聚物和活性稀釋劑的反應,形成網狀聚合物,從而實現固化。


1. 1 PUA 低聚物PUA 低聚物是涂料的主體,它的組成及性能是決定固化產品性能的主要因素。PUA 低聚物分子的結構如圖1 中所示,其中R 和R'基團可以改變,因此可調節涂料的性能。PUA 分子中的氨酯鍵可在聚合后的高分子鏈間形成氫鍵,使固化膜具有優異的耐磨性和柔韌性。通常這樣來制備PUA 低聚物: 用2: 1 摩爾比的二異氰酸酯和長鏈二醇,在催化劑作用下,加熱攪拌反應一段時間后,再加入比二異氰酸酯稍過量的丙烯酸羥基酯,反應一段時間即得產物。這個過程可表示如下:

PUA 低聚物的合成

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1. 2 活性稀釋劑活性稀釋劑是一種含有可聚合官能團( 如不飽和雙鍵、環氧基) 的有機小分子,它能溶解和稀釋低聚物,調節體系的粘度,并能通過參與光固化過程來影響涂料的光固化速度和固化膜的各種性能。因此,它應該具有較高的反應活性,以及較低的粘度。PUA 涂料中的活性稀釋劑通常為丙烯酸羥基酯,圖1所示反應就是以甲基丙烯酸羥乙酯為活性稀釋劑。

 

1. 3 光引發劑光引發劑是PUA 涂料的關鍵組分,它引發PUA 低聚物和活性稀釋劑進行光固化反應,對光固化速度起決定性作用,因此它應有合適的吸光范圍和較高的光引發效率。PUA 涂料中常用的光引發劑是自由基型引發劑,例如羥基酮,一個這種分子的結構式示于圖2。在羥基酮中,連接羰基碳原子和羥基碳原子的碳碳單鍵為弱鍵,這個鍵在紫外光照射下容易斷裂,生成自由基。自由基是帶單電子的物種,很不穩定,引發聚合反應。

2 - 羥基- 2 - 甲基- 1 - 苯基丙酮

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2 PUA 涂料的UV 光固化機理

光引發劑在紫外光下產生的自由基進攻PUA 低聚物,使兩端的雙鍵打開,發生聚合、交聯等反應,形成固化膜。整個固化過程包含以下3 個步驟。

2. 1 鏈引發在紫外光照射下,光引發劑產生活性自由基:

一種環境友好型紫外光固化PUA涂料,結合山東科技出版社出版新課標高中化學教材《化學與生活》中光固化涂料和聚氨酯樹脂等內容 中國建材網,cnprofit.com

通常只有一種自由基的活性足夠高而具有引發作用,另外一種往往容易失活,或活性低而不具引發能力。活性自由基與PUA 和活性稀釋劑中的不飽和雙鍵作用,形成初級自由基:

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2. 2 鏈增長,同時交聯初級自由基進攻PUA 低聚物和活性稀釋劑丙烯酸羥基酯中的雙鍵,產生鏈更長的自由基。這個過程不斷進行,使鏈的長度不斷增大,稱為鏈增長過程。由于PUA 低聚物和丙烯酸羥基酯分子中都具有2個雙鍵,這些雙鍵都可以受到自由基進攻,因而長鏈自由基可以在任意雙鍵部位反應,形成交聯,產生不規則的三維網絡結構高分子聚合物,涂料在瞬間由液態變成固態,這就是涂料的固化。圖3 表示一種交聯方式。

PUA 分子之間的一種交聯方式

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2. 3 鏈終止隨著聚合程度的增大,鏈自由基因自身太大而擴散困難,它與體系中雙鍵的碰撞概率減小,鏈的增長受阻。當高聚物的分子量增大到一定程度后,整個固化體系達到很高的交聯密度,粘度增大,特別是形成三維網絡結構后,各種自由基的擴散受到限制,鏈的增長過程終止,固化反應完成。PUA 涂料的紫外光固化過程示意于圖4。

PUA 涂料的紫外光固化示意圖

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3 PUA 涂料的發展

傳統的PUA 光固化體系常用丙烯酸酯類活性稀釋劑,它對人體皮膚和眼睛有較強刺激性,而且它在實際使用時難以反應完全,殘留物直接影響固化膜的長期性能,并限制了其在食品衛生行業的應用。為了解決這些問題,人們正在開發對環境無污染、對人體健康無影響的水性PUA 固化體系和光固化PUA 粉末涂料。水性PUA 涂料由水性PUA 低聚物、光引發劑、水和添加劑組成。


其中,水性PUA 低聚物是可溶于水,或者可與水形成乳濁液的PUA 低聚物,可以通過向分子中引進親水性基團( 如羧基) 來實現。而水是作為稀釋劑,起調節體系粘度的作用。這類涂料已在紡織印刷、木材、皮革等領域得到應用。


目前,采用PUA 低聚物來制作UV 固化粉末涂料還處在發展階段,商品的種類較少。PUA 粉末涂料由主體低聚物、光引發劑和添加劑組成,其固化過程大致分為以下3 個步驟: ①靜電噴涂,使粉末涂料附著在基材上; ②紅外或傳統加熱,使物料熔融流平。一般加熱溫度低于100 ℃; ③紫外光照射,使PUA 低聚物交聯,從而固化。這種涂料結合了光固化PUA 涂料和粉末涂料的優點,可應用于木制品、塑料制品、紙類基材等領域。


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