光固化涂料

光固化涂料

祁玲玉

材料学院高分子091 09402103

摘要：光固化涂料主要指在紫外光照射下迅速交联固化成膜的一类新型涂料，因其高效涂装固化和环境友好特征，已为世界涂料行业认可，近年来发展很快。目前，光固化涂料已由当初仅适用于木器涂装，拓展到现在大量应用于纸张、塑料、金属、玻璃、陶瓷等多种基材，而且正朝着功能化方向发展。

本文从介绍光固化涂料原料以及所用设备开始，着重介绍了光固化涂料的组成，应用，特点性能以及发展前景等。

本文适用于从事涂料行业以及高分子辐射化学与辐射加工的工程技术人员阅读，参考。

关键字：组成，应用，特点，性能，面临挑战。

一、光固化涂料的组成

（1）光引发剂 自由基光引发剂有分裂型和提氢型两类，分裂型自由基光引发剂受光激发后，分子内分解自由基，是单分子光引发剂，例如安息香醚类；提氢型需要与一种含活泼氢的化合物配合，耐高温漆通过夺氢反应形成自由基，是双分子光引发剂，例如二苯甲酮类。

安息香双甲醚与许多单体或预聚物有良好的混溶性，并且没有活泼的氢原子，具有优异的贮存稳定性和热稳定性。光解生成的二甲氧基苯甲可进一步分解成活泼的甲基自由基，从而有效地引发聚合。

二苯甲酮以叔胺（如三乙醇胺）作为活性供氢体，具有很高的固化速度。米蚩酮与二苯甲酮组合，可得到一种非常便宜而高效的引发体系。但米蚩酮自身具有颜色和毒性的缺点，可采用N，N-二甲乙氨基二苯甲酮作为代替。

阳离子光引发剂都是鎓盐，这是一种高效、稳定、非吸水性的光引发剂，在光照下分解成粒子基和自由基，可同时引发阳离子聚合和自由基聚合。例如二芳基碘鎓盐、三芳基硫鎓盐和二茂铁盐在紫外光固化中都已有应用，但实际使用常采取复合光引发剂来扩展吸收峰范围，提高光固化效率。

（2）光固化树脂 自由基固化树脂是含不饱和官能团的预聚物。例如环氧丙烯酸酯、丙烯酸氨基甲酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯预聚物。双酚A型环氧丙烯酸酯预聚物分子结构中含有苯环，赋予漆膜高硬度、高光泽、优异力学性能和耐化学品性能，但耐候性差，脆性大；丙烯酸聚氨酯预聚物分子中的氨酯键使得高聚物分子链间能形成氨键，涂膜具有优异的柔韧性、耐磨性、耐化学品性和耐高、低温性能，两种预聚物若配合使用，可得到性能互补的光固化涂料。

阳离子光固化树脂主要是环氧化合物和乙烯基醚化合物。双酚A环氧树脂是最常用的阳离子光固化环氧化合物，但聚合速度较慢，黏度高。脂肪族环氧化合物中3，4-环氧环已基甲酸酯的黏度低、固化快、收缩少，比较常用，可与双酚A环氧树脂配合使用。

（3）活性稀释剂 活性稀释剂调节体系的黏度，并有较高的固化活性。单官能团稀释剂中只有一个反应性基团，如苯乙烯、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、丙烯酸异丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸环已酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸异冰片酯等。多官能团稀释剂至少含两个丙烯酸基团，在固化时能起交联的作用，对涂膜的性能影响大。

增加稀释剂的官能度会加速固化过程，提高交联密度，涂膜硬度增加，但柔韧性下降，并导致涂抹中含有较多的残留稀释剂。常用的双官能团和三官能团稀释剂包括二缩三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）、1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）、双酚A二丙烯酸酯（DDA）、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）等。

实际上，常常将单、双、三官能团稀释剂配合使用，以平衡综合性能，用量在20%以上

二、 光固化涂料的应用。

光固化涂料以不饱和聚酯应用最多，且主要用于木材和家具的涂饰，如刨花板的填孔剂、胶合板家具的二道浆和高档面漆等。固化后的漆层坚硬耐磨、丰满光亮。

不饱和聚酯光固化涂料又分为蜡型和非蜡型两种。因光固化主要是通过自由基聚合来固化成膜的，自由基聚合易被氧阻聚，导致表层不能固化而发黏。通过在涂料中加入蜡隔离空气，或在树脂中引入烯丙基醚类自氧化基团，可得到固化良好的蜡型和非蜡型涂料品种。但对于环氧树脂的光开环阳离子聚合，不受空气氧化的阻聚影响，也不在漆膜表面涂敷蜡层，并抛光，只适合于厚涂层，但涂料成本低。非蜡型产品使用方便，涂层可薄可厚，价格稍贵。 涂膜固化时，固化时间随照射紫外线强度提高而减少。温度对固化时间影响较大。涂膜厚度对固化时间接影响，在薄膜（小于50时，差别不大；厚度增加，固化时间慢慢延长。光固化涂料的快速固化特性。这时，常用丙烯酸聚氨酸为底层，起缓冲作用；用丙烯酸环氧作为上层，起保护作用。由于固化交联后涂层的优越物理力学性能和耐化学性，光固化涂料在光纤保护方面占据主导地位。

丙烯酸环氧光固化清漆亦作为高档木器涂料，可替代丙烯酸高级木器清漆、S01-3聚氨酯清漆、C01-1醇酸清漆及Q22-1硝基木器清漆等。

光固化涂料也成功地应用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚酯、ABS、聚碳酸酯的涂覆；作为铝材、印铁罐的罩光清漆及卷材的预涂；作为包装纸、广告的罩光清漆。在建材、印刷版、油墨、胶黏剂、电子工业中亦有应用。例如，EA-2光固化绝缘涂料，作为电机、电器线圈浸漆，绝缘性良好。

三、 光固化涂料的特点

传统的涂料固化通常是通过加热即物理干燥的方法除去高分子溶液中的溶剂，得到硬化的漆膜。 UV固化则是利用紫外光的能量引发涂料中的低分子预聚体或齐聚体及作为活性稀释剂的单体分子之间的聚合及交联反应，得到硬化漆膜，实质上是通过形成化学键实现化学干燥 。

UV固化涂料优点 ：节省能源，能量利用率高； 无溶剂排放，安全无污染； 固化速度快，生产效率高； 可涂装对热敏感的基材； 涂膜质量高、涂层性能优异

缺点： 对灰尘敏感（施工环境要求严格）； 不规则物体不易操作； 价格稍贵

四、光固化涂料巨大发展前景的应用领域

1粉末涂料

UV固化粉末涂料是粉末涂料技术与紫外光固化技术相结合的一项新型涂装技术，它综合了传统粉末涂料和液体UV固化涂料技术的优点，并在一定程度上克服了两类涂料的缺点。

传统的热固化粉末涂料要求在1 80--200℃下固化l 5--30 min，这就限制了这种技术在热敏基材中的应用。目前正迅速发展的、熔点在1 OO～1 20℃的紫外光固化粉末涂层解决了这个问题。与传统的热固化粉末涂料相比，UV固化粉末涂料的熔融流平与固化是两个独立的过程，先使粉末颗粒通过红外辐射加热熔融流平，之后再进行紫外光辐射固化，从而可以得到平整光滑的涂膜。由于UV固化粉末涂料熔融温度低，所以可以广泛用于热敏基材(如纸张、橡胶、塑料)等的涂装，这就大大扩展了粉末涂料的应用空间。UV固化粉末涂料无活性稀释剂，涂膜收缩率低，与基材附着力高，一次涂装即可形成质量优良的厚涂层(75～125

gm)，且涂料喷涂溅落的粉体便于回收使用，因此，较UV固化的液体涂料具有更高的技术优势、经济优势和生态优势。

国外于20世纪90年代初开始研发UV固化粉末涂料，90年代中期实现商品化，并得到迅速发展。目前已有很多UV固化粉末涂料应用于木材、金属、金属／复合件、纸类基材的报道和专利。比利时UCB化学公司开发了Uvecoat TM系列粉末涂料，其中Uvecoat TM 1000系列适合于复合木材；Uvecoat TM2000系列适合于金属基材。而DSM公司报道了UV固化粉末涂料在纸类基材上的应用。

国内UV固化粉末涂料也得到一定的发展。寇会光等人用十六酰氯和十八异氰酸酯分别对端羟基的超支化聚酯Boltornm H20改性，可获得粉末状超支化低聚物，具有无定形“内核"及可结晶“外壳”的分子结构，这就使涂膜的表观性能和力学性能得到大大提高。另外，由于端基存在大量紫外光可固化的丙烯酸酯基团，该粉末状超支化低聚物在熔融辐照时能快速固化。而梁红波等人对树枝状聚醚酰胺基紫外光固化粉末涂料进行了研究，在羟端基的树枝状聚醚一酰胺基础上，通过与不同比例的TDI，HEA和十八异氰酸酯的3步反应合成了两种具有不同浓度丙烯酸酯双键和长链烷基的UV固化半结晶聚合物DPEA．-A和DPEA-B。通过DSC测试，两种紫外光固化半结晶聚合物均形成了不同的微晶，它们的强分别为45 cC和41 cC，Tm分别为1 23℃和1 22℃，满足UV固化粉末涂料对强和Tm的要求。

2水性涂料

UV固化水性涂料结合了水性涂料和光固化涂料的优点，近年来得到迅速发展，也是今后光固化涂料主要发展方向之一。UV固化水性涂料的优点是：可以使用相对分子质量很高的齐聚体以提高对某些基材(如金属)的粘附力并提高固化膜的其它物理性能，而不像传统紫外涂层的齐聚体相对分子质量受到施工粘度的限制；体系的粘度可用水来调节，而不必使用稀释单体，这样就可以避免由活性稀释单体引起的收缩；用这种方法可以得到极薄的涂层，且设备易于清洗；水烘干后在辐照之前就可以得到触干的涂层，这样可以用于三维物体的表面固化，这种辐照之前就触干的涂层减少了灰尘的吸附并且能在固化前对涂层的缺陷进行修补。这种技术的缺点是：光固化前必须脱水烘干，体系光泽度低，耐溶剂性差，耐擦伤性差。事实上“水基"体系并不适合于所有的领域，而且“水基"体系也不是真正对环境无害，因为在清洗水基油墨或涂层时，它可以溶解或分散在水中，很难除去，而其中的化合物，如丙烯酸类对鱼和其它水生物非常有害。

UV固化水性涂料有利于环境保护、固化速率快的特点符合时代发展要求。在欧美等发达国家，Hoechst、UCB、ICI、Zeneca、BASF等公司已推出了它们的光固化水性涂料产品。当前技术上存在的不足主要包括：涂料水分散体系的长期稳定性有待提高，可供选择的光引发剂品种不多，大多沿用传统的光引发剂，对于颜料着色涂料，选择余地更小，增设干燥除水装置对该技术的推广应用有不利影响。因此，继续开展基础性研究，扬长抑短，并大力拓展其应用领域，仍是当前发展水性光固化涂料技术的当务之急。Y．b．Kinm等人采用阳离子电沉积法研制了一种具有特殊性能的聚氨酯水性涂料，这种方法能大大缩短涂料中水分蒸出的时间，很好地解决了水基涂料整个生产过程耗时过长的缺点。

五、结语

UV固化涂料由于其优良的性能，符合当前人们环保意识不断增强的需求，具有巨大的发展潜力。在国外，UV固化涂料已广泛应用于建筑涂料、体有用品、电子通讯、包装材料和汽车等不同领域。据伦敦的市场跟国际机构调查，今后直到2008年这一领域的年增长率为6％。

据报道，我国光固化领域发展速度更加惊人，每年都以20％-30％的速度增长。在各个领域应用越来越广泛，如在纸张、木器、塑料、金属、光盘、光纤等基材上获得了很好的应用。洪啸吟认为：下一步紫外光固化技术主要应用和发展方向包括水性化、阳离子化和不添加引发剂这3个方面。

当前，UV固化涂料的发展又面临着一个绝好的机遇，为配合实施可持续发展的战略，我国制定了环保政策，并加大了执法力度，人们的环保意识日益增强，越来越多的人选择环保产品。在新世纪，紫外光固化涂料——这一绿色环保产品必将得到更大的发展。

参考文献：

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[2] 李红强，曾庆荣.紫外光固化涂料及其研究进展[J].涂料技术与文摘，2007（4）：8-11

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