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高性能UV色浆在紫外光固化涂料中的应用,简要介绍了UV涂料组成及其固化,着重介绍了高性能UV色浆的组成及其应用
2020年04月26日    阅读量:20977    新闻来源:中国牛涂网-涂料,化工,机械,建材,行业资讯门户网站  |  投稿

0 前 言

由于近年环保政策的要求和市场趋势的发展,下游客户对各涂料生产企业的产品在环保方面提出了各种苛刻的要求,导致原来生产传统溶剂型涂料的客户纷纷转型发展环境友好型涂料,如水性涂料、UV涂料和粉末涂料等。


水性涂料一直是发展的热点,目前在建筑涂料和工业涂料领域已经取得了非常好的成绩;粉末涂料同时也得到了飞速发展,但是粉末涂料由于在非金属基材上使用受限,其发展也遇到了瓶颈;所以目前UV涂料发展非常快,各大涂料公司在UV涂料的开发和推广上面投入了大量的人力和物力。UV涂料目前主要以UV木器涂料为主,在塑胶、造纸、化纤、化妆品包装等领域也有广泛的应用涂料在线coatingol.com


随着UV涂料的不断发展,其应用领域也在不断拓宽,色彩也更加丰富多彩,由于染料的耐性不佳,染料正在不断被耐性更好的颜料所替代。同时,UV色漆固化不彻底的问题也基本解决,UV色漆将会有更大的发展空间。


为顺应UV涂料的发展趋势,科莱恩目前开发了一款高性能UV色浆——Hostatint UV色浆适用于100%UV固含量和溶剂型UV体系,本文主要讨论高性能UV色浆产品设计,以及UV色漆固化解决方案。

 

1 UV涂料组成及优点

UV涂料主要由光引发剂、活性单体、低聚物、助剂等组成。光引发剂的引发效率对配方的成本及光固化速率的影响至关重要,低聚物组成了固化膜交联网状结构的骨架,它是产品理化性能的主要决定因素,活性单体是一种功能型单体,其作用是调节UV涂料到合适黏度,对黏度较大的低聚物进行稀释,因此又称稀释剂。


紫外光固化涂料经紫外光照射后,首先光引发剂吸收紫外光辐射能量而被激活,其分子外层电子发生跃迁,在极短的时间内生成活性中心,然后活性中心与树脂中的不饱和基团作用,引发光固化树脂和活性稀释剂分子中的双键断开,发生连续聚合反应从而相互交联成膜。


化学动力学研究表明,紫外光促使UV涂料固化的机理属于自由基连锁聚合,首先是光引发阶段,其次是链增长阶段,这一阶段随着链增长的进行,体系会出现交联、固化成膜,最后链自由基会通过偶合或歧化而完成链终止。


UV固化涂料与传统自然干燥或热固化涂料相比,具有能量利用率高、适用热敏基材、无污染、成膜速度快、涂膜质量高和适合连续化大生产的特点,被誉为环境友好型涂料。随着限制涂料中VOC(挥发性有机化合物)排放的政策趋严,UV固化涂料得到了快速的发展,预计未来几年内UV固化涂料将以年均15%以上的速度持续增长。


除了上述优点之外,紫外光固化不可避免地存在一些难题,例如紫外光固化材料受到紫外光穿透能力的限制,在用于不透明材料的相互黏结及形状复杂物体的表面涂层时效果各异,需要根据所用颜填料、光引发剂、UV光源等合理优化产品。

 

2 高性能UV色浆

高性能UV色浆与UV木器涂料各树脂体系相容性良好,产品主要成分包括颜料、低聚物、活性单体、分散剂。高性能UV色浆在保持高的颜料含量的同时,保持良好的产品流动性;


TMPEOTA(乙氧基化三羟甲基三丙烯酸酯)树脂可以提供良好的产品相容性,与丙烯酸酯、环氧酯、聚氨酯、聚醚丙烯酸体系相容性良好,优异的颜料润湿分散性能,成膜后涂膜收缩率低;HDDA(己二醇二丙烯酸酯)作为活性单体,具有中等反应活性和良好的流变性;分散剂含量低且能提供良好的产品稳定性,可用于对漆面有严苛要求的涂料中。


2.1 TMPEOTA与HDDA结构(见图1)

TMPEOTA与HDDA结构

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2.2 TMPEOTA与HDDA性能(见表1)

TMPEOTA与HDDA性能



3 UV涂料固化影响因素及解决方案

UV涂料固化过程中,影响固化的因素主要有光引发剂反应活性,光引发剂紫外光吸收光谱,涂料所含颜料紫外光吸收光谱、UV光源、涂层厚度等。UV涂料在不同颜色、不同膜厚、表层固化、深层固化时配方设计和固化方案也不相同。


3.1 光引发剂

作为紫外光固化涂料的重要组成部分,光引发剂的作用是吸收一定波长的光能后产生活泼自由基或阳离子,引发或催化相应的单体或低聚物聚合。光引发剂的性能决定了UV涂料的固化程度和固化速度。


自由基引发剂有安息香类、苯偶姻类、苯乙酮类、硫杂蒽酮类等,此类引发剂在空气中受氧气的阻聚作用而影响固化速度。另一种夺氢型引发剂利用叔胺类光敏剂构成引发剂/光敏剂复合引发体系,可抑制氧气的阻聚作用,提高固化速度。目前,高活性的自由基型引发剂仍是研究的热点,所以光引发剂的选择对UV涂料的固化有至关重要的作用。

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UV涂料用常见光引发剂见表2。

UV涂料用常见光引发剂


3.2 UV光源

通过在灯管中添加少量的金属卤化盐,可以使其光谱输出发生变化(见图2)。在紫外灯中常见的典型卤化物是镓和铁(见图3、图4)。添加此类金属盐可以在灯管中引入新的波长峰值或转移峰值能量。

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汞蒸气灯光谱辐射谱图,镓-汞蒸气灯光谱辐射谱图

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铁-汞蒸气灯光谱辐射谱图


3.3 颜 料

各色颜料对不同波长的光线有不同的吸收率(透过率,见图5),不同颜料的吸收率不同,对涂料的光固化速率的影响也不同;同时,相同颜料不同配比浓度,对涂料的光固化速率影响也非常大。对于黑色或者含有黑色颜料的深色UV涂料,由于黑色吸收光谱的能力非常强,所以使得透过涂层的紫外光很少,对深层固化影响比较明显。


如Hostatint UV Black N对于此种情况,如果仍需深层固化,则需要严格控制涂层膜厚,采用多层复合,结合酰基膦氧化物类深层固化光引发剂等方法来解决。

不同颜料透过率对比

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对于Hostatint UV Red D3GD,波长在350~450nm紫外光区域内,颜料透过率最高,所以可以采用此区域内引发效率高的光引发剂——酰基膦氧化物类光引发剂进行产品固化。

高性能UV色浆添加量及涂层厚度对固化结果的影响如表3、表4所示。

UV色浆添加量对固化结果的影响

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UV色浆涂层厚度对固化结果的影响

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测试条件:高性能UV色浆加入清漆测试,所有测试结果是通过科莱恩内部测试方法获得,不同方法结果可能会有差别。

测试设备:UV-lamp M-25-2-TR-SS-CMK,5 m/min,160 W/cm,使用两种光源(Hg和Ga/Hg灯)。

综上所述,颜色对UV固化会有一定的影响,同时,颜料或色浆的添加量以及涂层厚度对固化也会有较大影响,Hostatint UV色浆应用于不同体系时需要对光引发剂和固化条件等进行全面评估,优化产品结构及固化工艺。



3.4 UV深层固化解决方案

深层固化需要辐射光谱能够深入涂层,这种情况下,配方中的颜料或者其他组分有可能会阻碍光线的射入。光谱的波长越长,射入涂层越深,所以对于紫外光固化涂料来说。


深层固化需要在紫外光的长波段区域(350~450 nm),选用酰基膦氧化物(Acylphosphineoxide)类光引发剂(见图6),引发效率高,适合深层固化,但是要注意一点,此类光引发剂吸收光谱有一小部分在可见光区域,所以贮存过程要注意避光。

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用于UV深层固化的各种光引发剂吸收光谱


380~450 nm区间3种辐射光源的光谱辐射强度分别为420 mW/cm2、1 070 mW/cm2、700 mW/cm2(见图7),所以对于UV色漆深层固化需要采用辐射光谱在380~450 nm的镓-汞蒸气灯;对于光引发剂,选用反应活性高,可诱导深层固化的酰基膦氧化物类光引发剂,例如BASF的Irgacure 2100*、Irgacure 819和IrgacureTPO等,可取得良好的深层固化效果。


以HostatintUV Red D3GD P.R.254为例(见图8),选用TPO为光引发剂,以镓-汞蒸气灯为辐照光源,3%色浆含量,一次固化便可以达到良好的深层固化效果(注:以上结论是高性能UV色浆依据科莱恩TM2/26测试方法得出的结论)。

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Hostatint UV Red D3GD P.R.254深层固化对应的引发剂及辐射光源


3.5 UV表层固化解决方案


对于UV涂料表层固化的情况,颜填料的UV光谱吸收情况不再那么重要,对于表层固化,UV辐射光不需要深入到涂层内部。在紫外光谱短波区域就能取得很高的固化效率,因为波长越短,相对能量越大。比较合适的光引发剂为α-羟基酮和苯乙醛酸,主要吸收300 nm以下的紫外光(见图9)。

用于UV表层固化的各种光引发剂吸收光谱

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在200~300 nm区间,3种辐射光源的光谱辐射强度分别为1 660 mW/cm2、1 090 mW/cm2、1 013 mW/cm2(见图10)。

3种辐射光源的光谱辐射强度(200~300 nm区间)


所以对于UV色漆表层固化需要采用辐射光谱在200~300 nm的汞蒸气灯;对于光引发剂,选用反应活性良好的、适用于表层固化的α-羟基酮类光引发剂,例如BASF的Irgacure 1173、Irgacure 2950和Irgacure 500等,可取得良好的表层固化效果。

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同样以Hostatint UV Red D3GD P.R.254为例(见图11),选用1173为光引发剂,以汞蒸气灯为辐照光源,3%色浆含量,一次固化同样可以达到良好的固化效果(注:以上结论是科莱恩高性能UV色浆依据科莱恩TM2/26测试方法得出的结论)。

Hostatint UV Red D3GD P.R.254表层固化对应的引发剂及辐射光源


4 结 语

本文部分探讨了UV有色体系在涂层固化方面的一些影响因素及解决方案,通过改进涂料组成和固化设备等方法,可以提高UV有色涂料的深层固化程度。总体来说,紫外光固化涂料因其无污染、高涂装效率、高性能、节省能源等突出的优点,具有很强的生命力和无限的市场发展空间。


目前,UV涂料已广泛应用于涂料的各个领域,并将积极推动涂料工业的绿色化和环境友好化,在装饰和美化城市生活以及保护人类的生存的环境方面发挥越来越大的作用。


高性能UV色浆在紫外光固化涂料中的应用

王兆华,金 琳,袁 哲,陈雄伟,刘树华(科莱恩涂料(上海)有限公司,上海 200335)



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