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UV固化水性涂料的发展以及在家具涂装中的应用,介绍了水性UV涂料的概况和发展趋势以及水性UV涂料在家具涂装中的应用
2019年08月09日    阅读量:14722    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

光固化体系以其固化速度快、生产效率高、涂层物化性能高等优势,在近年来得到了高速发展。但是,传统的溶剂型UV涂料在应用时存在着局限性。首先从环保上来看,由于其所用的主要组分预聚物,一般均具有较高的黏度,在使用过程中必须加入单体活性稀释剂以调节其黏度和流变性涂料在线coatingol.com。这些稀释剂除具有一定的挥发性外,还会对人体产生一定的危害,特别是目前常用的丙烯酸酯类活性稀释剂对眼睛和黏膜有较强的刺激作用,皮肤接触也易导致过敏。许多反应性稀释剂在紫外光固化过程中难以反应完全,直接影响着固化后产品的卫生安全性能,特别是有些还会使制品产生难闻的气味。其次从涂装工艺上看,在喷涂方面一直是溶剂型UV涂料的短板,尤其是安全性、环保等各种因素,传统的溶剂型UV涂料是很难适用于喷涂的。


水性涂料这两年也快速发展,特别是工厂里一些自动喷涂、干燥等流水线的普及,以及在水性原材料、配方上的慢慢成熟,水性涂料已经在快速地取代传统的涂料;但是普通的水性单组分、双组分涂料都有各自的缺陷,有些很难达到客户的各种需求,单组分的性能提升慢,而且对于一些要求高的部件,它的性能很难达到要求;双组分体系干燥慢,工厂效率低,一般很难在大规模生产被客户接受。水性UV涂料兼具UV涂料及水性涂料的优点,近些年来快速成长,特别是在欧美国家,已经在家具厂普遍使用。


1 UV固化水性涂料的基本概况及特点

1.1 水性UV固化涂料的组成及分类

水性UV固化涂料的组成大体上包括水性UV树脂或预聚体(水性不饱和官能化涂料树脂)、光引发剂及各种助剂(如表面活性剂或其他分散稳定剂、湿润剂、流平剂、填料等),着色涂料还包括颜料。其中最重要的是水性UV树脂或预聚体,它对固化膜的硬度、柔韧性、强度、黏附性、耐磨性、耐腐蚀性等以及对UV固化的灵敏度都有影响。含不饱和官能团的水性树脂在光引发剂的作用下,经紫外光照射发生自由基聚合而固化。不饱和树脂多以常见树脂进行不饱和官能化而制得。这些树脂既可以是水溶性的(非离子型、阴离子型),也可以是乳液或水溶胶。水性UV固化体系的另一个重要组分是光引发剂,其应与水性树脂高度相容。高效大分子、可聚合的光引发剂是未来的方向。

1.2 水性UV固化涂料的特点

与传统溶剂型UV固化涂料技术相比,水性UV固化涂料主要有如下优点:(1)不必借助活性稀释单体来调节黏度,可解决VOC及毒性、刺激性的问题;(2)可以配制成黏度较低的体系,可用水或增稠剂、流变助剂等调节涂料的黏度和控制流变性能,便于喷涂、幕涂、淋涂等多种涂装工艺;(3)以水为稀释剂可降低固化膜的收缩率,有利于提高固化膜对底材的黏附性,可用于非吸收性底材如塑料的涂布;(4)易于得到光固化前的无黏性干膜,保证固化膜的光洁度,简化了防尘操作;且固化前涂层已可指触、可堆放和修理,干膜的机械刮伤也易于修补;(5)可得到超薄型固化膜;(6)涂装设备、容器、工具等易于用水清洗;(7)具有阻燃性,大大降低了火灾的危险;(8)水性光固化涂料由于其体系的黏度与预聚物的相对分子质量无关(只与固含量有关,如图1),且不必加入低分子的活性稀释剂,从而解决了传统光固化涂料不能兼顾硬度和柔韧性的问题。

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光固化水性涂料的黏度和相对分子量关系

2 UV固化水性涂料在家具涂装中的应用

根据以上介绍的水性UV涂料的特点,它在木器上的应用是非常有价值的。经过多年的研究和探索,目前国内已有少数家具企业将水性UV涂料运用到自己的产品涂装上。

2.1 开放、半开放系列的涂装

由于水性涂料可以制得低固含量的产品,所以水性涂料特别适合于开放以及半开放的涂装工艺需求。特别是水性UV体系的预聚物分子量大,对于木器涂装的显木纹、暖木效果都较好。在设计涂装工艺的时候应根据不同类别家具产品的各项性能需求、涂装效率、涂装成本,设计不同的工艺。对于表面涂膜物化性能要求非常高的涂装,以办公台面为例,一般工艺为:水性底擦色→喷涂水性

UV底漆(一道或二道)→水性UV面色→喷涂水性UV面。由于台面一般需要高的硬度、非常好的耐划伤性和耐化学品等性能,这样从底到面都是水性UV的工艺,既保证了涂装需求的开放效果(可根据需求喷涂一道或二道底漆),又能达到UV涂装的性能(一般用于该工艺的水性UV涂膜硬度能达到3H)。有些家具产品对面漆的涂层需要有一定的物化性能,但是底、面如果全用水性UV,涂装成本太高。以美式橱柜的门板、普通室内木门涂装为例,一般工艺为:水性底擦色→喷涂水性单组分底漆(一道或二道)→水性面色→喷涂水性UV面。一般情况下,水性单组分涂料的成本会远低于水性UV涂料的成本,同时如按美式橱柜的标准(KCMA),需要有较高的耐化学品性能,一般全部都是单组分体系很难达到要求,但是有了水性UV面,性能就能达到需求(一般该工艺硬度能达到1H左右,耐98%乙醇、水都能通过24 h测试),按以上工艺既满足了该类产品的性能需求,又能降低整体涂装成本。

对于一些适合辊涂涂装的板式家具,如果全部用溶剂型UV辊涂很难达到开放涂装效果,不是导管填满就是导管没涂料。我们在实践中开发出了一个折中的涂装方式,工艺为:水性底擦色→辊涂溶剂型UV底→水性UV面色→喷涂水性UV面。该工艺的优点在于:首先,底下先辊一道薄薄的溶剂型UV底漆,这样可以封固底材的毛刺,又不会填死导管,面漆喷涂水性UV面,使得整体涂装既有开放效果,同时喷涂的水性UV面能渗透到深导管内,保证涂装的保护作用,喷涂的水性UV面比辊涂的溶剂型UV涂料有更好的手感、光泽稳定性。该工艺充分考虑了涂装效果、效率、成本,不足就是只能适用于板式家具。在开放的板式木门的涂装上具有非常好的应用前景。

2.2 全封闭涂装工艺

水性UV同传统的水性涂料一样,一般最高的施工固含量在40%左右,所以在用水性涂料做全封闭涂装效果时,一般基材要选择浅导管的如榉木、樱桃木等木材,同开放的涂装工艺设定一样,对不同的需求,有不同的工艺,对于常规的工艺,这里就不再详细论述。

这里重点论述水性UV喷涂亚光面的应用,在整个UV涂料领域内,特别是传统的溶剂型UV体系,近些年来,UV工程师一直在努力地研究UV喷涂或淋涂的亚光面,但都不是很成功。不管是有溶剂还是无溶剂的,存在安全性、光泽稳定性、施工时的环保问题,几乎到目前为止,还没有非常稳定的溶剂型UV喷涂亚光面漆。解决这一问题的最好办法就是水性UV涂料。

相对于溶剂型UV涂料,水性UV配方体系能更好地消光,消光粉也有充分的时间排布均匀,同时成膜后,涂膜的柔韧与硬度有良好的平衡,不会出现附着力不良等安全性问题。目前市面上的水性UV树脂能制得的涂膜的硬度最高可以达到3H,抗划伤等物理性能完全满足家具、木地板等需求。这里介绍一个使用案例,全封闭工艺采用“水油结合”的办法,具体为:溶剂型UV腻子→淋涂溶剂型UV底漆→水性UV修色→喷涂水性UV面。从该工艺看,淋涂的溶剂型UV底提供了出色的填充性和硬度,喷涂水性UV面提供了良好的表面效果,而且溶剂型、水性UV涂料之间有良好的层间附着力。该工艺充分发挥了溶剂型、水性UV涂料的优势,这也是以后家具涂装的一个方向。


3 UV固化水性涂料家具涂装的流水线设定

水性UV涂料的干燥固化机理及过程如图2所示,首先是物理烘干,然后是UV固化,UV固化后得到高交联度的涂膜,涂装过程结束,产品就可堆叠打包。涂装效率很高,整个过程在半个小时内就可完成。

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水性UV涂料的干燥固化机理及过程

现代家具厂工业化生产都通过流水线完成,流水线从效率、材料成本上都为家具企业解决了一系列问题。特别是水性涂料的涂装,因为需要有个水分挥发过程,流水线的设定相当重要,这也是水性涂料推广的最主要问题。随着技术的不断进步,现在的生产线以及干燥设备已经能很好地解决水性涂料生产的“干燥”问题。对于大家之前了解的强制性干燥会带来一些涂膜弊病,比如起针孔、开裂等,现在的配方技术已经基本能解决这些问题。此外由于水性UV产品经过UV固化后,就可下线打包,这对家具厂的效率又是一个大的提升,下面就通过一些实例简要做一些介绍。

目前比较成熟和理想的是“冷红外流平+干燥塔干燥+UV固化”的流水线,该流水线投资较大,目前国内少数一些有实力的家具企业都上有这样的设备,这种流水线相对来说干燥比较理想,而且涂膜的流平、表观也能达到很好的状态。整个涂装过程一般在20~30 min,效率很高,具体流程如下:

UV涂装过程

对于一些不想有大投资,也可以使用“红外+热风”的干燥通道的流水线,实现高效率生产,具体为:

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uv涂装过程

该工艺中流水线的速度受红外热风通道的长度影响;此外这种干燥方式相对比较剧烈,一般把红外加热分几段,逐级升温,这样避免加热过急,容易使涂膜表面产生缺陷。对于一些表面效果要求不高的部件,比如柜体内侧板等,这种工艺是可行的,这种涂装效率也很高。

此外还有家具厂探索使用微波干燥,虽然微波干燥得好,但是由于生产时存在微波的防护等问题,在流水线上的效率并不高。同时现在有些质量较差的微波干燥设备,容易损坏涂膜和工件,目前微波干燥在生产实践中应用还很少。


4 UV固化水性涂料在家具涂装上的问题及展望

现在我们所讲的UV固化水性涂料的应用都是在平面涂装,这主要是立体UV固化问题没有解决,使得在应用时受到限制,虽然现在的涂料能做到物理干燥,但是在一般家具厂都没有立体固化的条件。此外,现在有很多人在推广多重固化体系,但是由于技术问题,在家具木器上也没有得到很大进步。如果多重固化的体系能成熟,相信以后在水性UV涂料的立体涂装、实色漆涂装上会有更大进步。


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