UV涂料技术和发展

水性UV涂料技术和发展在涂料行业，VOC 排量的限制越来越严格，同时客户和涂料生产工人的健康安全也成为了各个企业所要重点考虑的问题。因此，不但在涂料的使用终端，涂料的生产过程的环保性能也应纳入考虑之中。UV 固化涂料在性能方面可以达到极好的耐化学腐蚀性、满意的柔顺性等优异的性能，但其粘度过大和活性稀释剂的刺激性和毒性问题使得其在环保方面的优势有所削弱。现有的水性涂料虽然在环保方面比较出色，但是使用性能较差，特别是在外观和硬度等方面急需改进。因此结合二者长处的水性UV 涂料的研究成为目前涂料行业的热门研究领域。相对于传统UV 固化涂料，水性UV 涂料具有明显的优势，主要表现在以下几个方面：（1）水是最廉价安全的稀释剂，可用水和增稠剂方便地调节和控制流变性，使得涂料可用于各种涂装方式，如辊涂、淋涂和喷涂等；（2）避免了有机活性稀释剂的使用，解决VOC 及施工毒性的问题，保护了工程人员；（3）避免因活性稀释剂引起的固化收缩，可用于非吸收性表面，如塑料的涂布；（4）不燃烧，安全；（5）设备易清洗。1 水性UV 涂料的发展历程水性UV 涂料是由水性的低聚物、光引发剂、助剂和水组成的。就乳化方式来说，水性UV 的发展经过了三个阶段：（1）第一代外乳化产品。外加表面活性剂（乳化剂）和高剪切力可以弥补传统UV 固化树脂的水分散性。（2）第二代非离子型自乳化稳定产品。为了避免使用外加表面乳化剂，聚合物中引入了聚乙二醇等亲水结构。但是由于聚合物骨架上有亲水性结构，与传统UV 固化树脂相比，这类产品表现出很低的耐化学药品性和耐水性。（3）第三代离子型自乳化稳定产品。自乳化体系可以通过在聚合物骨架上引入阴离子或阳离子基团来实现，在与相反离子中和后赋予整个聚合物水溶性。这类产品具有很好的乳化性能，同时具有很好的剪切稳定性。2 UV涂料及组成UV固化的主要反应历程是：由辐射引起光引发剂分解，生成的活性自由基引发单体或低聚物聚合交联。因此，光引发剂的引发效率对于配方的成本以及光固化速率起着致关重要的作用，同时围绕引发剂问题也产生了不同的固化技术，如混杂固化、光暗固化等。1、单体和低聚物单体和低聚物的主要特征是含有碳基双键，它是光固化成膜的物质基础，在光固化成膜物质的研究和改性中。其研究的主要思路是：通过化学手段，将含有双键的单体连接在树脂上，使树脂具有光固化活性。目前，丙烯酸酯仍然是光固化领域最常使用的齐聚物，占整个市场的82%；此外，还有环氧类树脂和不饱和树脂两种齐聚物比较常用，均占8%。但传统的光固化齐聚物，如环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、丙烯酸酯化聚酯(或聚醚)以及不饱和聚酯一般都具有较高的黏度，而且随着相对分子量的提高，其黏度也随之增大，因此，常需加入单体，以提高其黏度。但单体会影响涂膜性能，而且对皮肤有刺激性。这样，解决光固化树脂的黏度问题，就成为光固化涂料研究中的重点，而采用超支化聚合物是解决树脂黏度问题的一个方向。超支化聚合物独特的三维分子结构使其具有黏度低、反应活性高和相溶性好等性能，它还能使固化膜的收缩率变小，从而具有良好的基材附着性能。2、光引发剂光引发剂是光固化的核心技术，它的性能决定了UV 固化涂料的固化程度和固化速率。许多光固化涂膜的弊病都是由于光引发剂引发效率低或是加入填料所致。为了满足日益增长的工业需求，开发更新、更快、具有独特性能的光引发剂已经成为UV 固化技术研究的一个重要方面。目前，引发剂的类型主要有自由基光引发剂、阳离子光引发剂等几种。（1）自由基光引发剂自由基光引发剂分为裂解型和夺氢型两种类型。裂解型引发剂有安息香醚类、苯偶姻类、苯乙酮类、硫杂蒽酮类等，此类引发剂的缺点是在空气中受O2 的影响，对光引发剂有阻聚作用，影响固化速度以及固化程度。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O2 的阻聚作用，提高固化速度。尽管自由基型光引发剂存在着一些不足，但却具有低价优势，所以，目前仍被广泛应用。（2）阳离子光引发剂阳离子光引发剂包括重氮盐、二芳基碘翁盐、三芳基硫翁盐、烷基翁盐、铁芳烃盐、磺酰基酮及三芳基硅氧醚等。其优点是不受O2 的影响。用合成的二苯基碘铃六氟磷酸盐作光引发剂，对不同比例的双酚环氧树脂和丙烯酸酯预聚物组成的复合树脂进行的光固化研究，证明了碘翁盐具有同时引发环氧和丙烯酸酯复合树脂按阳离子和自由基两种不同机理进行光固化的能力，该研究结果为进行光混杂固化提供了理论依据。3 低聚物类型3.1 聚氨酯丙烯酸酯3.1.1 自乳化阴离子型PUA采用DMPA 作为二醇组分之一与二异氰酸酯反应生成半封闭体，再用HEMA 等活性单体封端，最后用胺或氨水中和即可。这是最常用的方法，得到的树脂具有较好的自乳化性能。国内采用此方法的也较多。3.1.2 自乳化阳离子型PUA阳离子型PUA 可选择的离子化基团范围较窄，一般在主链中引入叔胺基团，然后季胺盐化，从而达到聚氨酯丙烯酸可在水中稳定分散甚至水溶的目的。3.1.3 自乳化非离子型PUA非离子型一般以PEG 为亲水基团。3.2 不饱和聚酯不饱和聚酯是通过传统的多元醇和多元酸缩聚反应得到的。为了达到一定的亲水性，必须利用带有亲水基团或链段的单体参与反应。目前使用较多的有聚乙二醇和苯四酸等。3.3 聚丙烯酸酯UV 固化水性聚丙烯酸酯体系相比于PUA 体系，具有价廉、易制备、光泽度高等优点。多数用HEMA 或丙烯酸缩水甘油酯和其它丙烯酸酯单体共聚，引入羟基或者环氧基团，以便最后引入丙烯酰基。3.4 聚酯丙烯酸酯聚酯丙烯酸酯是由碳羟基聚酯与丙烯酸酯化或由碳羧基聚酯与甲基丙烯酸缩水甘油酯反应而得。4 水性UV 涂料研究难点水性UV涂料与一般水性涂料一样，存在以下一些难题：（1）水的高气化热（40.6kJ/mol），使得预干燥不仅消耗能量而且费时，对于铁质基材还有瞬时锈蚀问题存在；（2）水的高表面张力，带来对基材和颜料的浸润性差，容易引起涂布不均匀的问题；（3）体系的稳定性较差，乳液长时间存放容易沉淀，且对pH 值比较敏感；（4）基于运输和储存的要求，需要在体系中加入防冻剂、防腐剂等，使得配方变得复杂。以上问题需要在合成方法和工艺上寻求突破，例如改变干燥方法、采用多重固化工艺等等手段来解决。4 UV固化涂料的发展前景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、体育用品、电子通讯、包装材料和汽车等不同领域。我国光固化领域发展速度更加惊人，每年