合成涂料一般都含有大量有机溶剂和有一定毒性的颜料、填料与助剂等物质,在涂料生产与使用中产生大量“三废”,造成对环境的污染,影响了人类健康. 因此倡导保护环境、提高涂料性能成为21 世纪初涂料工业的主旋律.“绿色”涂料的生产、应用和发展研究成为当前涂料研究业的主要课题. UV 固化涂料是以采用辐射固化技术为特征的环保节能型涂料;与传统涂料固化技术相比,辐射固化具有节能无污染、高效、适用于热敏基材、性能优异、采用设备小等优点. 辐射固化技术是一种快速发展的“绿色”新技术.
关键词:涂料“, 绿色”涂料,紫外(UV)固化涂料.
20 世纪60 年代西德拜尔公司对不饱和聚酯树脂与安息香醚体系的紫外光固化行为进行了研究,并于1968 年推出了商品化产品,即所谓“芬斯吉达尔2UV210”商品. 非常适于木器表面涂装,带给世界涂料和木器涂饰界以极大的震动. 1972 年美国Sun化学公司、Immont 公司开发了丙烯酸系列光固化涂料,引起了涂料界极大关注[1 ] .
随着人类环保意识的增强,辐射固化取代传统热固化必将成为一种趋势. 多年来辐射固化涂料一直保持高速发展的态势.
1 紫外( UV) 固化涂料的主要成份
辐射固化技术产品中90 %以上是紫外线固化技术(UVCT) 产品.UV 固化涂料的固化原理是:当紫外光照射UV 固化涂料时,将激发分解涂料中的光引发剂,生成游离基,活性游离基撞击涂料中的双键并进行反应形成增长链,这一反应继续延伸,使活性稀释剂和齐聚物中的双键断开,交联而成膜[2 ] .
UV 固化涂料由齐聚物、活性稀释剂、光引发剂和助剂等四部分组成[3 ] .
齐聚物亦称光敏树脂,是UV 固化粉末涂料的主要成膜物质,是决定涂料性质和涂膜性能的主要成分. 配制能实现低温UV 固化的粉末涂料,一方面要求树脂能赋予粉末良好的储存稳定性;另一方面所用原材料必须在较低温度(如100 ℃或更低) 下具有较低的熔融粘度以保证涂料在光固化之前和光固化过程中具有良好的流动和流平性质,随后在120 ℃以下发生光固化反应. 常规的热固性树脂不符合UV粉末涂料的要求. 降低树脂熔融温度的常用方法是合成半结晶树脂、加入结晶化合物或无定形低聚物.通过高分子结构设计,合成树枝状及超支化半结晶聚合物,制备低温固化UV 粉末树脂也是一种可行
的方法,近来备受关注. 从分子结构看,它们都是含有碳- 碳双键的低分子量物质,主要是不饱和树脂,如环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯.活性稀释剂是一种功能性单体,它的作用是调节UV 固化涂料的粘度,控制涂料固化交联密度,改善涂膜的力学性能,也参与固化成膜. 活性稀释剂结构上也含有不饱和基团,如丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基等. 丙烯酰基光固化速度最快. 根据每一分子中所含的双键数目,可分为单官能、双官能和多官能三类活性稀释剂. 使用活性稀释剂时,从稀释效果看,单官能> 双官能> 多官能;从光固化速度看,单官能< 双官能< 多官能,因此在实际应用中,多是用两组分或多组分配合.
光引发剂(光敏剂) 是UV 固化涂料的重要组分,其作用是吸收紫外光后引发化学反应,形成涂膜,光引发剂是决定UV 固化涂料固化程度和固化速度的主要因素. 按所生成的活性基的不同,光敏剂可分为自由基型、阳离子型、自由基- 阳离子复合型三类. 常用的有安息香丁醚、二苯甲酮、安息香双甲醚、米氏酮等.
助剂可以改善涂料与涂膜性能,增加紫外光敏感性,降低施工难度,是涂料中不可缺少的组分. 常用的助剂主要有光敏助剂和阻聚剂,还有流平剂,消泡剂、促进剂和分散剂等. 助剂的选择应尽量选用能参与固化反应的助剂.由于UV 固化液态涂料配制过程中必须加入活性单体稀释剂以调节涂料的粘度. 而活性单体稀释剂又会部分渗入基材、对环境可能仍有一定的污染.因此,辐射固化涂料的发展方向是水性化、粉末化.
2 UV固化粉末涂料
UV 固化粉末涂料是一项将传统粉末涂料加工和UV 固化技术结合起来的新技术. UV 固化粉末涂料的最大特征是工艺上分为两个明显的阶段,涂层在熔融流平阶段不会发生树脂的早期固化,从而为涂层充分流平和驱除气泡操作提供了充裕的时间,这样就从根本上克服了热固化粉末涂料的顽疾,也消除了UV 固化液态涂料不足的问题.
UV 固化粉末涂料的报道始见于20 世纪70 年代中期,至20 世纪90 年代中期,相关报道才大量出现,但多见于专利. 近两年才渐有产品上市,如UCB公司生产的Uvecoat TM系列紫外光固化粉末涂料专用树脂. 随着UV 固化粉末涂料专用树脂、光引发剂、添加剂及固化设备的不断开发应用,UV 固化粉末涂料已成为绿色涂料家族中的重要一员. [4～6 ]
211 UV固化粉末涂料的涂装优越性[ 7 ,8]
(1) 固化速度快,生产效率高,固化机理属一种自由基的链式反应,交联固化在瞬间完成,所设计生产流水线速度最高可达100 mPmin ,工件下线即可包装,使用UV 涂料的效率是传统烘干型涂料的15 倍以上;
(2) 常温固化,很适合于塑料工件,不产生热变形;
(3) 节省能源,UV 涂料靠紫外光固化,一般生产线能耗在50 kW以内,能量消耗约为传统烘干型热固化涂料的1/ 5 ;
(4) 环境污染小,UV 涂料VOC 含量很低,是公认的绿色环保产品:
(5) 涂层性能优异,UV 涂料固化后的交联密度大大高于热烘型涂料,故涂层在硬度、耐磨、耐酸碱、耐盐雾、耐汽油等有机溶剂各方面的性能指标均很高,特别是其漆膜丰满、光泽尤为突出;
(6) 涂装设备故障低,由于UV 涂料没有紫外线辐射不会固化,因而不会堵塞和腐蚀设备,涂覆工具和管路清洗方便,设备故障率低;
⑦固化装置简单,易维修,加上与之相关的设备总体比传统涂料设备占用空间小,设备投资低.
UV 固化粉末涂料是20 世纪末流行于西方、日本等地的一种时尚品种. 最早应用于手机、DVD、随身听外壳的表面涂装处理,其应用领域现进一步扩展到化妆品、电视机及电脑等家用电器领域.
212 UV固化粉末涂料的缺点
涂料对灰尘敏感,因而对施工环境要求非常严格.
213 UV固化粉末涂料的应用[ 9]
(1) 用于木制品
UV 固化涂料中用量最大的是木器制品,约占总用量的55 % ,在所有木器涂料中UV 固化涂料所占比例约为3 %～4 %. 木制品的承受温度一般不超过80 ℃,否则水、树脂、蜡、萜烯烃等挥发物就会被蒸发,导致涂膜带有气泡或沙眼,这对固化涂层的稳定性、力学性能和表面光泽度都非常不利. UV 固化粉末涂料很好地解决了这一问题. 木器家俱用漆要求具有高光泽、耐磨、耐划、高硬度和多色彩;木质地板漆则要求亚光、耐磨和耐划. 选用不同的齐聚物,可满足上述不同的性能要求. 对于高密度木制品,采用UV 固化粉末涂料涂饰效果非常理想. 中密度纤维板(MDF) 是欧洲涂料工业开发成功的第一个UV 固化粉末涂料应用领域. 但对于低密度木制品,为了避免基材脱气的影响,需要对基材先涂一层液态涂料,以密封木制基材的孔隙.
(2) 用于塑料制品
普通热固化粉末涂料不能涂饰塑料制品,但在UV 粉末涂料将固化温度降到120 ℃以下后,现有的多种塑料则可以采用这一涂料技术,且不会导致塑料变质或变形. 塑料制品将会是UV 粉末涂料的一个重要应用领域.
塑料分为普通塑料和工程塑料. 用于聚苯乙烯、聚酯薄膜和有机玻璃等制品的普通塑料,UV 粉末涂料将赋予耐摩擦、不易划伤和美观性. 用于汽车部件、器械等金属化的工程塑料,如酚醛树脂制品、ABS 塑料制品,UV 粉末涂料将赋予高硬度、不易划伤、高光泽和美观等性能. 塑料地板,如聚氯乙烯地板等,UV 粉末涂料将赋予不易划伤、耐磨、低光泽和美观等性能.
(3) 用于金属
用于汽车部件,器械和罐头盒等的装饰,它将部分代替传统涂料而赋予多种金属制品高雅美观的外表. 此外,还用于钢管的暂时性防锈,涂层易于用碱液清除,不影响钢管的后续表面处理.
(4) 用于合金及预装配制品
合金(如镁铝合金) 的应用非常广泛,但以前一直不能用粉末涂饰. 这是因为即使在115 ℃条件下合金的金相性能也会受到影响. 许多预装配制品(如防震器、电动机、泡沫内芯门等) 上面都装有电子元件、塑料、层压制品、橡胶密封圈等热敏部件,它们承受的温度不能过高.UV 固化粉末涂装技术的固化温度可以满足这些基材的要求,具有广阔的应用前景.
(5) 用于纸类基材
这是一种发展很快的UV 固化粉末涂料,一般称为光固化上光油,将UV 粉末涂料技术与印刷技术相结合,可以用于书籍、杂志封面、标签、卡片及包装箱纸板上光和壁纸的涂饰,它将赋予制品高光泽、耐磨和耐水性,使制品美观耐用.
(6) 光纤涂料
UV 固化粉末涂料用于保持石英玻璃拉制成纤维后的强度和防止环境污染,并能赋予各条光纤不同颜色,以示区别.
(7) 其他用途
UV 固化粉末涂料的应用是多方面的,如用作硅烷隔离涂料、皮革涂料和光盘涂料等,以及在电子元器件保型、封装和信用卡、磁带、磁盘等方面的应用.
人们还在不断开发新品种,开拓新的应用领域.UV 粉末涂料是一种符合环保,节能、经济、效率原则的涂料. 它具有得天独厚的综合优势和广阔的应用领域. 随着UV 固化粉末涂料专用树脂、光引发剂、添加剂及固化设备的不断开发应用,UV 粉末涂料必将获得长足发展. [10 ,11 ]
参考文献
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2 孟庆飞,华明扬. 紫外光固化涂料的研究进展. 安徽化工,2002(4) :17～18
3 许岩,何德良,曾凌三. 紫外光固化涂料的发展及应用. 电镀与涂饰,Vol. 19 ,2000 ,2(1) :47～51
4 孙先良. 粉末涂料的新发展. 化工新型材料,Vol. 29 ,2001 ,10(10) :1～3
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6 庞来兴,杨建文,曾兆华,陈用烈. 紫外光固化粉末涂料. 高分子通报,2002(4) :38～42
7 杨永源. 精细与专用化学品,2001(7) :9～12
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9 徐国才,邢宏龙,江棂. 紫外光固化涂料研究进展. 涂料工业,1998(5) :36～39
10 邓素彤. 光固化涂料发展前景. 现代涂料与涂装,2001(4) :31～32
11 王保金,周家华,刘永,叶凯珍. 粉末涂料及其发展趋势. 广州化工,2003 ,21(1) :7～10