紫外光固化涂料对金属基材附着力的研究.docx

紫外光固化涂料对金属基材附着力的研究胡飞胡辉肖静芝(湖南亚大高分子化工厂有限公司邮编 : 410126)Studies on Factors Affecting the Adhesion of Ultraviolet - CuringPa ints to Metal SubstrateHU FeiHU HuiXIAO J ingzhi摘要紫外光固化涂料应用广泛 。针对紫外光固化涂料存在与金属基体附着力差的 问题 , 通过试验研究了涂料组分与工艺过程如预聚体 、活性稀释剂 、附着促进剂 、固 化工艺及预处理对涂膜在金属基体上的附着力的影响 。结果表明 :合理选择上述各因素能改善涂膜对金属基体的附着力 。关键词 : 紫外光固化涂料附着力金属基材Abstract : Ultraviolet - curing paints have been widely used in industries. In view of the poor adhesion of ul2 traviolet - curing paints to metal substrate , the effect of prepolymer , active diluent , adhesion accelerator , cur2 ing process and pretreatment on the adhesion of coating to metal substrate was studied. The results show that the adhesion of ultraviolet - curing paints to metal substrate is greatly improved by properly selecting the above parameters.Key words : ultraviolet - curing paint , adhesion , metal substrate放 ;另一方面金属基材与涂料之间物理化学作用 的 形 成 较 为 困 难 , 没 有 非 金 属 基 材 容 易 。一般情况 下 是 通 过 添 加 各 种 附 着 力 促进剂来改善其附着力 ,但对于特定的金属基材 (如铝 、铜 、锌 、不锈钢等) , 则需要综合考 虑影响附着力的各种因素 。1 前言紫外线辐射固化涂料与传统 的 热 固 化或自然干燥的涂料相比 , 具有固化快 ( 几秒 钟) 、污 染 少 、节 能 及 适 合 流 水 线 生 产 等 优点 ,已广泛应用于各个领域1 。随着各种光敏涂料的开发应用 , 配漆师们发现 , 紫外线 固化涂料配方设计的关键之一便是如何提 高其与各种基材的附着力 ,其中金属基材较为困难 。这是因为 : 一方面光敏涂料固化速 度快 ,而丙烯酸酯类单体聚合时体积收缩过 大 ,使 固 化 时 涂 膜 产 生 的 内 应 力 来 不 及 释2实验条件及方法211原料及基本配方除非另有说明 ,所用原料为进口工业级 (由 UCB 公 司 或 SARTOMER 公 司 提 供) , 所 有试验均采用表 1 配方作为涂料基本配方 。38 J un. 1999Electroplating & FinishingVol . 18 No . 2表 1涂料基本配方率较小的单体以提高附着力 。实验发现 ,官能度越大 ,固化越快 ,收缩越大 ; 单体烷氧化 后 ( 乙 氧 化 、丙 氧 化) , 刺 激 性 减 轻 , 收 缩 减 小 ,烷氧化程度越高 ,收缩越不明显 ,但成本 增高 。此外 ,甲基丙烯酸酯类单体比相应的 丙烯酸酯单体收缩小 ( 如甲基丙烯酸羟乙酯就常用于各种金属紫外线固化涂料中) , 但体系固化速度较慢 , 如何调节固化速度 、收 缩率及成本三者之间的平衡 ,则要视具体情况而定 。很显然 , 当涂 料 其 它 组 份 不 变 时 , 选 用 收缩率较小的单体 ,即单官能度的单体对提高附着力 有 利 。仅 从 提 高 附 着 力 的 角 度 来说 ,应 选 用 烷 氧 化 的 甲 基 丙 烯 酸 单 酯 类 单 体 。但是 , 仅考虑收缩率是不够 的 , 从 某 种意义上讲 ,我们更应重视涂层与金属界面之 间的各种物理 、化学作用 , 而这些作用的形成与 单 体 本 身 的 结 构 及 渗 透 力 密 不 可 分 。 单体渗透能力越强 ,涂料分子和基材表面的 机械咬合作用越强 ,附着力越好 。表 2 列出 了几种常用的金属基材上较易渗透的单体 。表 2 金属基材上易渗透的单体组份质量分数预聚体活性稀释剂 (单体) 光引发剂 其它助剂2040306536015410涂装方式 : 喷涂 , 上漆量将湿膜膜厚控制在 15 左右 。固化条件 :80 / cm 中压汞灯一盏 ,灯距15 cm ,空气氛围 ,固化速度由传输带速度控 制 。212附着力测试涂膜固化达到触干后按 GB/ T 9286 - 88测试附着力 。3结果与讨论311树脂的选择对附着力的影响选用环氧丙烯酸酯 EA - 1 、酚醛环氧丙 烯酸脂 EA - 2 ( EA - 1 、EA - 2 为亚大生产树 脂) 、聚氨酯丙烯酸酯 CN 965 、967 、聚酯丙烯 酸酯 EB 524 ,实验结果见图 1 (基材为 Cu) 。基材单体丙烯酸丁酯 、乙氧化四氢呋喃丙烯酸酯 、烷氧化丙烯酸酯 、甲基丙烯酸羟乙酯乙氧化四氢呋喃丙烯酸酯 、丙烯酸丁酯 、1 ,6 - 乙二醇二丙烯酸酯 、丙烯酸环已酯丙氧化四氢呋喃丙烯酸酯 、丙烯酸丁酯 、 丙烯酸异辛酯 、烷氧化丙烯酸酯铝铜锌图 1 不同树脂种类在 Cu 基材上的附着力由图 1 可见 ,酚醛环氧丙烯酸酯及聚酯 丙烯酸酯对 Cu 基材有较好的附着 , 聚酯丙烯酸酯刚固化时附着较好 , 冷却后稍差 , 主要是因为聚酯类固化收缩厉害 ,冷却后内应 力集中 ,导致附着力变差 。312活性稀释剂的选择对附着力的影响活性稀释剂的体积收缩程度 对 基 材 的 渗透 、浸蚀能力及功能官能团 ( 羟基 、羧基) 的有无均对附着力具有相当的影响 。从减少收缩的角度看 ,应选择那些收缩此外 ,单体本身所具有的一些特殊官能团 ,如羟基或羧基 , 能提高涂层与基体的附 着力 。实践证明 ,含有羟基的丙烯酸酯类比不含羟基的丙烯酸酯更有利于附着于基体上 。尽管如此 , 对于给定配方的 体 系 , 只 有 当组成的各单体含量达到一定程度后 ,才会 产生最佳附着 。图 2 是几种常用于金 属 基 材的单 体 的 含 量 对 附 着 力 的 影 响 。由 图 2 可见 ,附着力随单体含量的增加而增加 , 当 单体含量增大到一定程度时 , 附着力最好 ; 1999 年 6 月电 镀 与 涂 饰第 18 卷第 2 期39 继续增加单体含量 ,由于固化不良以及树脂用量太少 ,附着力反而变差 。314固化工艺对附着力的影响漆液喷涂于基材上后 ,固化前有一定时间 流平 ,使漆液充分润湿浸蚀渗透基材 (漆液为弱 酸性) ,这样有助于提高附着力 。如果用红外管 加热流平 ,可加速这一过程 ,效果更好 。此外 ,涂膜经 紫 外 光 照 射 后 , 固 化 程 度 越高 , 后 固 化 现 象 越 不 明 显 , 附 着 力 越 好 。可见涂膜只有达到最大固化程度时 ,才会产生最好附 着 。而 最 大 固 化 的 产 生 一 方 面 需 有足够强度的光源 ; 另一方面 , 光引发剂的浓度 也 应 达 到 应 有 的 水 平 , 以 产 生 最 佳 吸 收 ,这 两 者 共 同 作 用 决 定 了 体 系 的 固 化 程度 。图 4 实验证实了这一推断 。图 2 单体含量与附着力的关系313附着促进剂的影响附着促进剂能起到联接基材和涂层的 桥梁作用 ,俗称“分子桥”。由于紫外光固化 涂料的快速固化 ,促进剂分子往往来不及迁 移到基材表面 , 因此 , 对附着力促进剂的选 择和应用较苛刻 。曾有人提出 : 2 在液体涂 料涂覆前 专 门 涂 覆 一 层 附 着 力 促 进 剂 。此 法虽好 ,但工艺较繁 。也有人借助一种极性 溶剂将附着力促进剂溶解后掺入溶剂中 ,涂 覆涂料后 , 在紫外线固化前预先干燥 , 利用 溶剂蒸发对具有二亲结构的促进剂的不同 作用 ,使后者呈定向排列以提 高 附 着 力3 , 此法增加了流平干燥工序 , 且引入了溶剂 , 提高了成 本 又 污 染 了 环 境 。本 实 验 选 用 酸 性的丙烯酸酯类促进剂 ,配用适量带羟基的 丙烯酸酯类活性稀释剂 ,以增加促进剂在配 方中的用 量 而 不 影 响 相 容 性 。促 进 剂 用 量 对附着力的影响见图 3 。由图 3 可见 , 促进 剂用量达 3 %时 ,附着力最好 ;超过 3 % ,不仅 综合成本提高而且固化膜性能亦有下降趋 势 ,故促进剂用量以 3 %为宜 。图 4 固化程度对附着力的影响315预处理对附着力的影响基材表面经过预处理 (溶剂清洗 、机械打 磨及化学处理) 后 ,表面结构状态发生变化 ,表 面自由能提高 ,可在一定程度上提高附着力 。4 结论选择 合 适 的 预 聚 体 、单