訊：

崔芙紅

    (蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院應(yīng)用化學工程系，甘肅蘭州730060)

    [摘要]水性紫外光固化涂料結(jié)合了傳統(tǒng)和紫外光固化涂料的優(yōu)點，成為環(huán)保型涂料研究的一個主要方向。本文綜述了水性紫外光固化涂料的特點，主要組成部分以及其最前沿的發(fā)展方向，并介紹了這種涂料的應(yīng)用情況和面臨的挑戰(zhàn)。

    [關(guān)鍵詞]水性紫外光固化涂料；kj劑；消泡劑

    [中圖分類號]TQ   [文獻標識碼]A   [文章編號]1007-1865(2013)10-0099-02

    由于水性涂料對環(huán)境無污染，對人體健康影響小，粘度易調(diào)節(jié)，揮發(fā)度低使之適合于噴涂,但它仍存在不抗堿、不抗水、干燥慢、易造成基材收縮等弊病。紫外光(UV)固化涂料[1]的優(yōu)點之一是涂料的固化時間短而且可以控制，因其不含溶劑，從而大大xc了有機揮發(fā)分(VOC)對環(huán)境的污染。但其主要成分低聚物一般均具有較高的粘度，在涂布時必須加入稀釋劑以調(diào)節(jié)其粘度和流變性。傳統(tǒng)的酯類活性稀釋劑對眼睛有較強的刺激作用，影響人體健康。因此，UV光固化總的發(fā)展趨勢是以水代替反應(yīng)性稀釋劑，一方面可以xc因揮發(fā)分導致的污染、刺激等問題，另一方面也為水性涂料提供了一種新的固化手段。因而綜合了兩者優(yōu)點的水性紫外光固化涂料[2]，成為極具開發(fā)和應(yīng)用前景的新的涂料技術(shù)。

    1特點

    與傳統(tǒng)的油性紫外光固化涂料相比，水性紫外光固化涂料具有以下優(yōu)點。

    (1)用水替代活性稀釋劑，黏度更方便調(diào)節(jié)。

    (2)減少活性稀釋劑的使用，使其毒性和刺激性大大降低。

    (3)以水為稀釋劑可降低固化膜的收縮率，有利于提高固化膜對底材的黏附性。

    (4)可以得到超薄型固化膜。

    (5)涂裝設(shè)備和裝置可用水進行清洗。

    (6)可以使用相對分子質(zhì)量高的預聚物，克服了傳統(tǒng)紫外光固化涂料不能兼顧高硬度和高柔韌性兩者的問題。

    2組成

    2.1 低聚物

    水性低聚物是水性光固化材料最重要的組成部分，它決定固化膜的力學性能，如硬度、柔韌性、耐磨性、耐化學藥品性等，也影響紫外光固化的靈敏度。

    水性低聚物在結(jié)構(gòu)上要有參與UV固化反應(yīng)的不飽和基團，如丙烯酰氧基、乙烯基等，由于丙烯酰氧基反應(yīng)活性高，固化速度最快，所以各類丙烯酸樹脂的為其主要品種；另外分子鏈上需含有一定數(shù)量的親水基團，如羧基、羥基、氨基、磺酸基等。按低聚物的化學結(jié)構(gòu)，目前最常用的水性紫外光固化樹脂主要包括環(huán)氧丙烯酸酯(EA)、丙烯酸酯(PUA)、聚丙烯酸酯(Acrylatedacrylic oligomer)和聚酯丙烯酸酯(PEA)。表1列出了這些常用水性紫外光固化涂料低聚物的性能[3-4]。

表1 常用水性紫外光固化涂料低聚物的性能

    2.1.1 環(huán)氧丙烯酸酯

    環(huán)氧丙烯酸酯是一種廣泛使用的低聚物，原料價格便宜，機械性能優(yōu)良。分子鏈上的羥基賦予它良好的極性，促使其對金屬材料表面有良好的粘附力。并且環(huán)氧樹脂聚合物鏈含有穩(wěn)定的C-C鍵和醚鍵，這使得它耐化學藥品性優(yōu)良。此外，可以通過環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基和羥基將甲基/丙烯酸單體接入從而引入反應(yīng)雙鍵，來提高其固化活性。而且環(huán)氧樹脂中的羥基也可以作為接入酸酐的反應(yīng)點而引入羧基，用堿中和便可得到具有親水性的樹脂。

    2.1.2 聚氨酯丙烯酸酯

    聚氨酯丙烯酸酯的制備方法是將帶有羥基的丙烯酸酯類單體與異氰酸酯基團反應(yīng)，引入C=C雙鍵，使之具有UV活性；再用帶有羧基的擴鏈劑對聚氨酯分子鏈進行擴鏈；{zh1}經(jīng)堿中和得到可UV固化的水性聚氨酯丙烯酸酯樹脂。聚氨酯分子鏈上除了含有大量氨基甲酸酯鏈段外，還含有醚鍵、酯鍵、脲鍵等活性基團，這些結(jié)構(gòu)賦予了聚氨酯材料良好的物理機械性能，優(yōu)異的彈性、耐寒性、耐有機溶劑及良好的溫度適應(yīng)性，是近年來發(fā)展較快的高分子材料。

    2.1.3 聚丙烯酸酯

    水性UV固化聚丙烯酸酯體系一般由多種丙烯酸(酯)類單體共聚，并利用共聚物側(cè)鏈的活性基團，如：羥基、羧基等，與丙烯酸(酯)類單體反應(yīng)，獲得具有不飽和雙鍵的聚丙烯酸酯樹脂。這種方法環(huán)保且無需分散可直接得到水乳液，但是通常其接枝率比較低，涂膜固化后性能提高，其另一個缺點是此類樹脂丙烯酸所含的雙鍵在共聚反應(yīng)中被消耗，其光固化活性較差。

    2.1.4 聚酯丙烯酸酯

    聚酯丙烯酸酯可由聚酯端羥基與丙烯酸酯化或由聚酯端羧基與甲基丙烯酸縮水甘油醚反應(yīng)而得。其雙鍵位于分子鏈末端，活性相對較高，同時較低分子量使其易于進行流變調(diào)節(jié)。在超支化聚酯的末端可以接入丙烯酸酯或聚氨酯丙烯酸酯，得到水基超支化UV固化樹脂，可以穩(wěn)定的分散在水中。

    2.2 光引發(fā)劑

    光引發(fā)劑是光固化涂料的重要組成，是決定紫外光固化涂料是否能夠迅速交聯(lián)固化的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)油性紫外光固化涂料不同的是用于水性體系的光引發(fā)劑必須要與水性環(huán)境有一定的相容性，而且揮發(fā)性較低，按其產(chǎn)生活性中間體的不同，可分為自由基光引發(fā)劑和陽離子型光引發(fā)劑兩類。自由基光引發(fā)劑根據(jù)產(chǎn)生自由基的機理不同，又可分為裂解型自由基光引發(fā)劑和奪氫型自由基光引發(fā)劑兩類[5-6]。裂解型自由基光引發(fā)劑從結(jié)構(gòu)上看，多是芳基烷基酮類化合物，主要有安息香及其衍生物、苯偶酰及其衍生物、苯乙酮及其衍生物、?；⒀趸锏取Z氫型自由基光引發(fā)劑多為芳香酮類。陽離子光引發(fā)劑包括芳香重氮鹽[7]、二芳基碘翁鹽、三芳基硫翁鹽[8]、二茂鐵鹽、烷基翁鹽、三芳基硅氧醚、磺酰基酮等，其優(yōu)點是不受O2的影響。

    較先進的光引發(fā)劑固化方式可采用雙重固化體系，即通過兩個獨立的體系完成交聯(lián)聚合，一個階段是光固化反應(yīng)，另一個階段是暗反應(yīng)，暗反應(yīng)包括濕氣固化、熱固化、氧化固化或厭氧固化反應(yīng)等[9]。

    2.3 功能助劑

    在涂料的實際應(yīng)用中，為達到應(yīng)用要求，還需加入各種功能助劑。常見的有助溶劑、潤濕劑、分散劑、消泡劑、成膜助劑。助劑可以改變涂料的某些性能，但在使用時不能破壞涂料的穩(wěn)定性和其耐水性，要控制其用量達到性能平衡和低VOC含量。近年來由于納米無機粒子其獨特的表面界面效應(yīng)，使納米復合材料呈現(xiàn)出許多新穎的特點，成為紫外光固化涂料的一個研究熱點。劉紅波等[10]在紫外光固化涂料中加入無機納米kj劑，制得了kj型的。

    3發(fā)展方向

    3.1 超支化體系

    采用超支化技術(shù)可制備多官能度樹脂。超支化樹脂不僅低熔點、低黏度、易溶解且支鏈上可含有更多的官能基團，是作為水性光固化樹脂的理想材料。超支化低聚物可利用端羥基超支化聚合物與丙烯酸通過酯化反應(yīng)，或與二異氰酸酯和丙烯酸羥基酯半加成物反應(yīng)，引入丙烯酸基團，成為光固化超支化低聚物。也可利用端羧基超支化聚合物與甲基丙烯酸縮水甘油酯反應(yīng)，引入甲基丙烯酸基團制得。

    3.2 雙重固化體系

    為了改善水性紫外光固化涂料在不透明介質(zhì)、形狀較復雜的部件上的固化性能，可利用雜化的方式合成含有兩種不同活性基團的低聚物，開發(fā)出兼有兩者優(yōu)良特性的體系。汪存東[11]等以聚氨酯丙烯酸酯為乳化劑制成了紫外光固化的水性環(huán)氧丙烯酸酯/聚氨酯丙烯酸酯復合涂料。一方面，通過聚氨酯丙烯酸酯與環(huán)氧丙烯酸酯復合改善了涂膜性能；另一方面，由于陰離子型聚氨酯丙烯酸酯本身為一種高分子乳化劑，加入后可使疏水性的環(huán)氧丙烯酸酯形成一種穩(wěn)定的水分散體系。

    3.3 有機-無機復合體系

    有機/無機雜化體系在保持有機高分子成膜性、透明性的同時又具有耐溶劑、高硬度及耐磨性的優(yōu)點，是水性紫外光固化涂料很有前景的一個發(fā)展方向。水性紫外光固化體系可以通過直接分散、插層或溶膠/凝膠等手段引入納米SiO2、蒙脫土等無機粒子，來改善涂層的硬度、耐磨性、耐熱性或光學性能等[12]。

    4結(jié)語

    隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，水性紫外光固化涂料越來越多的進入到人們的生活當中。在國外，已廣泛應(yīng)用于、體育用品、電子通訊等不同領(lǐng)域；在我國它每年都以20%～30%的速度增長，在紙張、木器、塑料[13]、金屬、光盤和光纖等基材上獲得了很好的應(yīng)用[14]。當前水性紫外光固化涂料技術(shù)不足之處主要包括涂料水分散體系的長期穩(wěn)定性有待提高，光引發(fā)劑品種不多，對于顏料著色涂料，選擇余地更小，增設(shè)干燥除水裝置對該技術(shù)的推廣應(yīng)用有不利影響。針對上述問題，我們應(yīng)加大基礎(chǔ)性研究，進一步完善相關(guān)技術(shù)，使它更大程度的應(yīng)用到我們的生活當中。

    參考文獻

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