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家具頭條|水性UV涂料介紹及其固化機理與影響因素淺析

來源: 機械迷    發(fā)布時間 2024-12-22 點贊量:0    閱讀量: 1373

一、 水性UV涂料的概述 

中文全稱:水性聚氨酯紫外光固化涂料。  

UV就是紫外線(Ultra-Violet Ray)的英文簡稱. 工業(yè)用的UV波長以200nm 到450 nm為其應用范圍。用UV 來照射"UV 照射可硬化的材料" 而使它硬化的制程, 我們稱之為"UV Curing Process" .UV涂料可通過浸涂、淋涂、漆涂、旋涂,甚至真空涂等方法涂布后,再經紫外線光子照射而固化成膜。顧名思義,UV涂料的固化是和UV光的照射分不開的。這種技術起源于70年代的國際涂料市場,是一種全新的綠色技術。利用該技術生產的紫外光固化涂料,簡稱UV涂料。20世紀末,UV固化涂料開始流行于西方、日本等地,是一種代表時尚的涂料品種。最早應用于手機、DVD、隨身聽外殼的表面涂裝處理,后來其應用領域現進一步擴展到化妝品、電視機及電腦等家用電器領域。  

 水性UV光固化涂料具有不含揮發(fā)性有機化合物(VOC),對環(huán)境污染小,固化速度快,節(jié)省能源、固化產物性能好、適合于高速自動化生產等優(yōu)點。而傳統(tǒng)涂料易揮發(fā)、固化速度慢,不利于環(huán)境保護。因此,水性UV涂料是傳統(tǒng)涂料的主要替代品。


二、水性UV涂料的組成 

水性 紫 外 光(UV) 涂料一般由齊聚物、光引發(fā)劑、稀釋劑(水)和其他助劑組成。水性UV固化涂料不含單體,僅以水作稀釋劑,因此基體樹脂的結構決定光固化膜的基本性能。光引發(fā)劑對光固化過程起著重要作用,也影響著固化膜的最終性能。


三、 水性UV涂料的制備 

以55%~65%的丙烯酸酯乳液,1.0%~1.5%的光引發(fā)劑,10%~15%的填料,2.0%~3.0%的增稠劑,2%~5%的助劑用量,8%~10%的異丙醇,10~15%的去離子水。制備時:先將水、異丙醇、1/3的丙烯酸酯乳液加到攪拌釜中,然后加消泡劑、潤濕劑、流平劑、分散劑及用水稀釋的增稠劑,調至適當黏度時,在高速攪拌下緩慢加粉料和滴加光引發(fā)劑,在1000r/min下高速分散30分鐘以上,然后在600r/min下將剩余的乳液加入到釜中,加入剩余的增稠劑調節(jié)體系黏度。 


四、 水性UV涂料的固化原理 

水性UV 固 化涂料的固化是在紫外光的照射下,光引發(fā)劑吸收輻射能后分裂成自由基,引發(fā)預聚物發(fā)生聚合、交聯接枝反應,在很短的時間內固化成三維網狀高分子聚合物,其典型的固化過程如下: 光源 ——光引發(fā)劑 —— 自由基不飽和單體及預聚物——高分子固化膜。


五、 水性UV涂料的優(yōu)點 

1、可以實現很薄的涂層,降低成本; 

2、可以通過添加水和增稠劑來調節(jié)體系的流變性能和粘度; 

3、由于不含單體,可以降低固化膜的收縮,有利于提高膜對底材的附著力; 

4、不含揮發(fā)性有機物,不易燃、不易爆。特別適合噴涂; 

5、涂布設備易于清洗,有利于保護環(huán)境,保護生態(tài); 

6、對于不耐有機溶劑的底材,能保證其穩(wěn)固的附著力等。


六、水性UV涂料的應用 

由于 水 性 光固化涂料的優(yōu)點突出,目前其主要應用于家具和木材的涂飾及電子產品上等。應用領域還在不斷擴大,在絲網印刷油墨、凹版、柔性版、平版印刷油墨、抗蝕劑、木材涂料、塑料清漆、罩光清漆和膠粘劑等方面得到迅速發(fā)展. 七、水性UV涂料的不足 

1、體系中存在水,光固化前,大多需進行干燥除水,而水的高蒸發(fā)熱導致能耗增加,也使生產時間延長,生產效率下降; 

2、水的高表面張力不易浸潤基材,易引起涂布不均;對顏料潤濕性差,影響分散; 

3、固化膜的光澤度 較低,耐水性和耐洗滌性較差; 

4、水性UV涂料的原材料價格較貴 ,導致其最終價格也比較貴; 

5、體系的穩(wěn)定性較差,對pH較為敏感; 

6、水的凝固點0℃較高,在運輸和儲存過程中需添力Ⅱ防凍劑;

7、水性體系容易滋生 霉菌,需用防霉劑,使配方復雜化。


七、水性UV涂料的固化干燥機理

水性UV涂料主要是由預聚物(水基光固化樹脂)、光引發(fā)劑、顏料、胺類物質、水、助溶劑和其它添加劑等配制而成。其干燥固化結合了UV光固化和水性涂料滲透蒸發(fā)二種干燥形式,具體說主要有兩種干燥方式:水性體系的預揮發(fā)干燥和紫外光固化。

1.預揮發(fā)干燥機理

預干燥是光固化之前必須有的一道工序,不進行預干燥將導致光固化的最終結果不理想。在水性UV涂料的制造過程中,水基光固化樹脂通過添加一種堿或者酸使其變成羧酸鹽才能溶于水,其中通過加氨水使其成鹽的反應可示為:R-COOH+NH→R-COO+NH(水溶性)反過來輸紙,在預干燥過程中發(fā)生的反應是:

R-COO+NH→R-COOH(水不溶)+NH↑


2.光固化成膜機理

UV固化水性材料的固化是指在紫外光的照射下,光引發(fā)劑吸收紫外光的輻射能后分裂成自由基,引發(fā)預聚物發(fā)生聚合、交聯接枝反應,在很短的時間內固化成三維的網狀高分子聚合物,得到硬化膜發(fā)展史,實質是通過形成化學鍵實現化學干燥。其固化過程一般可分為四個階段:①光與光引發(fā)劑之間相互作用,它可能包括對光的吸收和光引發(fā)劑之間的相互作用;②光引發(fā)劑分子發(fā)生重排,形成自由基中間體;③自由基與齊聚物中的不飽和基團作用引發(fā)鏈或聚合反應;④聚合反應繼續(xù),液態(tài)的組分轉變?yōu)楣腆w聚合物。

 

八、影響水性UV涂料固化干燥的因素

影響水性UV涂料固化干燥的因素很多,本文只對其主要的影響因素進行討論總論,這些因素有以下幾方面:

1.水性體系的預干燥對光固化的影響

固化前的干燥條件對固化速度的影響很大,不干燥或干燥不完全時,固化速度較慢,且隨曝光時間的延長,膠凝率無明顯提高。這是因為過度包裝,盡管水對抑制氧的阻聚作用有一定的效果,但是這只能使墨膜表面迅速固化,只達到表干,而不能達到實干。由于體系內含有大量的水,體系在一定溫度下固化時標準及認證,隨著墨膜表面水分的迅速揮發(fā),墨膜表面迅速固化,膜層里面的水則難以逸出,大量的水殘留在墨膜中,阻止了墨膜的進一步固化打樣,固化速度降低。另外,UV照射時的周圍溫度對UV涂料的固化有很大的影響。溫度越高,固化性越好。因此施行預熱的話,涂料的固化性會增強,附著性更好。


2.水性UV固化樹脂對光固化的影響

水性UV固化樹脂要進行自由基光固化軟包裝,這就要求樹脂分子必須帶有不飽和基團,在紫外光的照射下,分子中的不飽和基團互相交聯,由液態(tài)涂層變成固態(tài)涂層。通常采用引入丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基醚或烯丙基的方法,使合成的樹脂具有不飽和基團認證,從而可以在合適的條件下進行固化,丙烯酸酯由于其反應活性高而經常被使用。對于自由基型紫外光固化體系,隨分子中雙鍵含量的增加,涂膜的交聯速度會增大,固化速度將加快。而且不同結構的樹脂對固化速度影響不同軟包裝,各種官能團的反應活性一般按以下順序升高:乙烯基醚<烯丙基<甲基丙烯?;?lt;丙烯酰基。因此一般以引入丙烯?;图谆;鶠橹?,使樹脂具有較快的固化速度。


3.顏料對水性UV涂料光固化的影響

作為水性UV固化涂料中非光敏性的組分,顏料與引發(fā)劑競爭吸收UV光,這在很大程度上影響到UV固化體系中體系的固化特點。由于顏料能夠吸收一部分輻射能量,這將會影響到光引發(fā)劑對于光的吸收設備維護與保養(yǎng),并進而影響到能夠生成的自由基的濃度,結果會降低固化速度。各色顏料對不同波長的光線有不同的吸收率(透光率),顏料的吸收率越小,透光率越大,涂層的固化速度越快。炭黑的紫外線吸收能力較高出版,固化得最慢,白色顏料反光性強,也妨礙了固化。一般而言,對紫外光的吸收順序為:黑色>紫色>藍色>青色>綠色>黃色>紅色。

相同的顏料的配比濃度不同,對墨膜固化速度的影響是不同的。隨著顏料用量的增加出版動態(tài),墨膜的固化速率均有不同程度的下降。其中黃色顏料的用量對墨膜的固化速率影響最大,其次為紅色顏料、綠色顏料。由于黑色對紫外光的吸收率最大,使得黑墨的透光率最低,所以其用量的變化對墨膜的固化速率反而沒有明顯的影響。當顏料的用量過大時,墨膜表層的固化速率雖快曬版,但是表層的顏料吸收大量紫外光,降低了紫外光的透光率,影響深層墨膜的固化,導致了墨膜表層固化而底層不固化,易產生“皺皮”現象。


4.光引發(fā)劑對水性UV光固化的影響

光引發(fā)劑的作用是在其吸收紫外光能后排版,經分解產生自由基,從而引發(fā)體系中不飽和鍵聚合,交聯固化成一整體。光引發(fā)劑的性能是水性光固化體系能否順利聚合固化的關鍵。根據不同的引發(fā)劑有一個最大的吸收波長的原理,在選擇光固化引發(fā)劑的時候應該使得光引發(fā)劑的吸收紫外線的波長區(qū)正好在顏料非吸收區(qū)或是微吸收區(qū)(顏料有一個適于引發(fā)劑吸收的波長窗口),即顏料的最大透過的波長區(qū)應與自由基引發(fā)劑的吸收波長區(qū)能重合。另外光引發(fā)劑的吸收波峰應盡可能與光源發(fā)射的主波長相近。

光引發(fā)劑必須具有與水性光固化體系一定的相溶性以及低的水蒸氣揮發(fā)度評獎,以使光引發(fā)劑得以發(fā)散,有利于得到滿意的固化效果。否則,在干燥的過程中,光引發(fā)劑會隨著水蒸氣一起揮發(fā)掉,降低引發(fā)劑的效率。不同的光引發(fā)劑煙草包裝,具有不同的吸收波長,它們的配合使用可充分吸收不同波長的紫外線,提高紫外光輻射量的吸收,從而大大加快墨膜的固化速率。所以可以通過多種光引發(fā)劑的配合使用,并調整各種光引發(fā)劑的配比以獲得固化速率快且性能優(yōu)異的墨膜。體系中復合光引發(fā)劑的含量要適量顯影,過低不利于同顏料的吸收競爭;過高光線不能順利地進入涂層。涂料的固化速度開始時隨著復合光引發(fā)劑的增加而增加,但當復合光引發(fā)劑量增加到一定值時,再增加其含量,固化速度反而會下降。


5.UV光源、輻照距離和光固化時間的影響

UV光源輻射的是一個波段內的光,且各波長光的能量分布是不一樣的。其中波長為300nm~310nm模切燙印壓痕,360nm~390nm的光的能量分布是較好的,波長位于UV-A區(qū)域約360nm效果最佳。為使固化體系達到最佳的組合,UV光源的選擇既要考慮體系所含顏料的UV光的吸收特性,同時又要兼顧到引發(fā)劑的UV吸收特性。

在水性UV涂料的干燥固化過程中,輻照距離和光固化時間也會對光固化產生影響。輻照距離越近秋山國際,光照越強,光引發(fā)劑生成自由基的速度越快,引起聚合的雙鍵數目越多,樹脂的交聯程度也就越高,墨膜的固化速度就越快金屬包裝,反之越慢。水性UV涂料的光固化還必須有一個合適的光固化時間,時間太短,涂料的固化不完全,當達到一個合適光固化時間時,固化膜的拉伸強度達到最大惠普,繼續(xù)增加光固化時間,固化膜的拉伸強度反而下降,并且固化樹脂出現黃變現象。

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文章來源:魯班園

版權歸原作者所有,觀點僅代表作者本人,不代表家具頭條立場。


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