紫外光固化卷材涂料的研制

0前言
金属卷材涂料是用于钢、铝预涂卷材的一种专用涂料。近年来由于彩钢、金属包装材料、装饰金属板材和化学建材的广泛使用,金属卷材涂料及其涂装技术日益受到重视。传统的卷材涂料主要有溶剂型涂料、水性涂料以及粉末涂料等。这些涂料由于采用热固化工艺,因此能耗大、固化速度慢,难以满足快速涂装的要求。紫外光固化涂料是近年来在电子、包装及建筑装饰等工业领域兴起的一种环保型涂料。与传统的热固化涂料相比,这种涂料具有低能耗、低污染、固化速度快、固化产品性能好等诸多优点,并且适合于高速自动化生产涂装,因此在金属卷材领域具有广阔的应用前景,并已有文献报道。但是,由于金属基材表面致密,有机涂料无法渗透吸收,并且由于通常采用丙烯酸酯化树脂和单体,涂料在快速固化过程中收缩应力较大。因此,涂层对金属的附着力不佳是紫外光固化涂料应用于金属表面时经常遇到的问题。本文针对紫外光固化涂料存在与金属基材附着力差的问题,通过试验研究了紫外光固化涂料中预聚物、活性单体、光引发剂、附着力促进剂四种主要组分及固化时间对涂膜性能的影响,开发出在紫外光照射下可快速固化、综合性能优良的涂料。

1 实验部分
1.1主要原料
双酚A环氧丙烯酸酯(EA),自制;脂肪族聚氨酯丙烯酸酯XP2513、VPLS2396,Bayer;三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA),1,6一己二醇二丙烯酸酯(HDDA),甲基丙烯酸羟乙III(HEMA),台湾长兴;光引发剂:Darocurl 1 73,Ciba;磷酸酯附着力促进剂:Sipomer PAM-200,Rhodia。

1。2涂料的配制及固化
将预聚物、活性单体、光引发剂和其他助剂按一定比例混合均匀(必要时稍微加热,便于物料的混溶)。用涂膜涂布器将配置好的涂料均匀涂覆在经过预处理的铝板上,湿膜厚度控制在10 um左右。固化条件:1 kW高压汞灯一盏,灯距为10cm,空气氛围,用指触法测定涂膜表干时间。

1.3涂膜性能测试
铅笔硬度:按GB/T6739-1996测试;附着力:按GB/T 9286-1998采用划格法测试;柔韧性:按GB6742—86测定;耐冲击性:按G B/T1732—93测定。

2结果与讨论
2.1 预聚物对涂膜性能的影响
预聚物是光固化涂料的主体,它的性能基本上决定了固化后涂膜的主要性能。在其它条件不变时,考察了EA、XP2513、VPLS2396对涂膜性能的影响,对结果较好的EA和XP2513进行了复配试验。结果见表1。

由表1可见,在其它组分不变的条件下,随着XP2513H二例的增加,表干时间延长,涂膜的柔韧性提高,附着力和硬度基本保持不变。XP2513是脂肪族聚氨酯丙烯酸酯,含有柔性链结构,对涂膜能起到增韧作用。因此,随着XP2513树N'I;B例的增加,涂膜的柔韧性提高;同时XP2513是平均官能度为3.2的多官能聚氨酯丙烯酸酯,随着XP2513比例的增加,涂膜交联密度增加,虽然刚性的EA树脂的减少将使涂膜硬度降低,这两种因素对硬度的影响大致抵消,硬度保持不变。聚氨酯丙烯酸酯和环氧丙烯酸酯由于都能为基材提供较好的附着力,因此,改变两者的比例对涂膜的附着力影响不大。将这两种预聚物进行复配,在满足其他性能的前提下,配方3中,EA提供了较快的固化速率,而XP2513贝q提供了较好的柔韧性。

2。2活性单体对涂膜性能的影响
确定预聚物的种类和配比后,考察了单官能度的HEMA、双官能度的HDDA和三官能度的TMPTA对涂膜性能的影响。发现用HDDA和TMPTA作活性单体所得涂膜的附着力和柔韧性均很差,而用HEMA作活性单体所得涂膜的综合性能较好。这是因为HDDA和TMPTA为多官能单体,固化快,交联密度和收缩应力大,因此,涂膜的柔韧性和附着力较差。而HEMA为单官能单体,交联密度和收缩应力小,并且可对基材形成一定的机械咬合作用,因此涂膜的柔韧性和附着力较好。考虑到配方的简化,我们没有对活性单体进行复配,只用HEMA作活性单体。表2是在其它组分保持不变时,不同比例的HEMA单体对涂膜性能的影响。由表2可以看出,随着单体比例的增加,涂膜的固化时间变长,硬度下降,柔韧性和附着力提高。这是因为单体比例增加使体系的双键密度减小,因此,固化反应速率下降,同时交联密度减小,涂膜硬度降低,柔韧性和附着力增加。单体的主要功能之一是降低黏度,若体系的黏度降到足够低的程度,则可使其使用量达到最低。这样可以使材料的主体——预聚物的性能得到最大的发挥。考虑综合性能,预聚物与单体的比例选为7:3。

2.3附着力促进剂对涂膜附着力的影响
由于金属表面为致密表面,一般涂料很难渗透吸收,有效接触介面较低,无法形成渗透锚固结构。另一方面大部分丙烯酸酯化树脂和单体的固化收缩率较高,快速固化产生的内应力在很大程度减弱了涂层对金属基材的附着力。如果涂料体系中没有添加适当的附着力促进剂,固化后涂膜的附着力都很差,表现为划格后用胶带撕下时,涂膜全部脱离金属表面。我们选用了磷酸酯附着力促进剂、硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂三种附着力促进剂做对比,发现磷酸酯对涂膜附着力的促进作用明显优干硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。这可能是由于磷酸基的磷化作用,在涂覆界面产生转化层,提高了涂层附着力。固定其他条件,磷酸酯促进剂用量对涂层附着力的影响见表3。

由表3可以看出,加入0.5%的磷酸酯附着力促进剂,即可将涂层的附着力从4级提高到0级,但当磷酸酯的质帚:分数超过1.5%时附着力反而开始下降,这是凶为过多的用最导致大量磷酸基富集于界面,不利于涂层本体与界面的咬合,附着力反而变差。因此磷酸酯附着力促进剂的质黄分数在0.5%~1.5%为宜。

2.4光引发剂用量对涂膜性能的影响
灾验证明,在保证固化的提下,光引发剂的种类对涂膜的性能影响不大,考虑到成本和容易混合等因素,我们选用液体的1173作为光引发剂,引发剂用节对涂膜性能的影响见表4。

由表4可见,随着引发剂用最的增加,涂膜的硬度和柔韧性保持不变,涂膜的表r时间减少,固化速度加快。当引发剂质最分数超过5%时,附着力开始下降,这可能是涂膜固化速度太快造成漆膜收缩应力增大所致。考虑到固化速度和漆膜性能,引发剂质鼍分数确定为3%。

2.5 固化时间对涂膜性能的影响
在固定辐射光源的条件下(功率为1 000 W,辐射距离为10 cm),考察辐射时间对涂膜性能的影响,结果见表5。

辐照时间越长,光引发剂生成的自由基越多,形成的活性中心点就越多,涂膜交联密度增加,有利于涂膜硬度的增加。但辐照时间过长,涂膜交联程度过高使涂膜变脆,同时加速涂膜的老化。因此,辐照时间不宜过长。由表5可以看出,辐照3 S后再延长辐照时间涂膜硬度没有增加,可认为基本固化完全。考虑到。队速涂装和涂膜性能等因素,辐照时间以3 S为宜。

3 结论
(1)预聚物的种类和组成对涂膜的性能有很大影响,合理地将环氧和聚氦酯丙烯酸酯类预聚物进行复配效果更好。通过灾验确定两种预聚物的最佳配比为6:4。
(2)举体对体系的影响也很重要,在综合考虑附着力、固化速度、涂膜硬度等综合性能的前提下,确定预聚物和单体的配比为7:3。
(3)选择合适的磷酸酯附着力促进剂及其用量可以大大提高涂膜在金属基材上的附着力。
(4)引发剂质量分数为3%,固定辐射距离为10cm时,辐射时间以3 s为宜。
(5)存以上条件下制得的涂膜具有优良黏结性能和力学性能:附着力O级,硬度3 H,T弯2 mm,抗冲>50 kg·Cm。

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