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UV光固化涂料的組成

2022-08-11

  UV光固化涂料主要由光活性低聚物、光活性單體、光引發(fā)劑等組成。光引發(fā)劑的引發(fā)效率對配方的成本及光固化速率的影響至關重要。齊聚物組成了固化膜交聯(lián)網狀結構的骨架,它是產品理化性能的主要決定因素。多官能團單體一方面對組分起到稀釋作用,提高可加工性能,另一方面對光固化體系的聚合速率影響很大。各組份的比例大致如下:

UV涂料.png

  低聚物是光固化產品中比例最大的組分之一,它和活性稀釋劑一起往往占到整個配方質量的90%以上,是光固化配方的基本樹脂,構成固化產品的基本骨架,即固化后產品的基本性能(包括硬度、柔韌性、附著力、光學性能、耐老化性能等)主要由低聚物樹脂決定。這些性能當然與光聚合反應程度(轉換率)有關,通過稀釋劑及其他添加劑也可以對產呂最終性能進行調整。低聚物(Oligomer)又叫寡聚物,也稱預聚物(prepolymer),“齊聚物"這一概念現已過時。傳統(tǒng)溶劑型涂料使用的樹脂相對分子質量一般較高,約幾千至幾萬,光固化產品中的樹脂低聚物相對較低,大多數在幾百至幾千,相對分子量過大,黏度太高,不利于調配和施工,涂層性能也不易控制。光固化產品中的低聚物一般應具有在光照條件下可進一步反應或聚合的基團,例如C=C雙鍵、環(huán)氧基團等等。根據光固化機理不同,適用的樹脂結構也應當不同,對于目前市場份額最大的自由基聚合機理的光固化產品,可供選擇的低聚物比較豐富,主要包括不飽和聚酯、環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚氨酯丙烯酯樹脂、聚脂丙烯酸樹脂、聚醚丙烯酸樹脂、丙烯酸官能化的聚丙烯酸酯樹脂等。另外,含不飽和雙鍵的聚烯烴樹脂適用于以加成交聯(lián)反應為主、聚合反應為次的自由基光固化體系,例如,多烯烴/多硫醇體系、多烯烴/多元重氮鹽體系等。對陽離子光固化體系,適用的低聚物主要包括各種環(huán)氧樹脂、環(huán)氧官能化聚硅氧烷樹脂、具有乙烯基醚官能基的樹脂等。此外,不含光引發(fā)劑的電荷轉移光固化體系說要使用富電子和缺電子體系搭配,是比較新穎的一類光固化樹脂。

  傳統(tǒng)的溶劑型涂料、油墨通常都要加入有機溶劑,其作用主要是溶解固體組分、稀釋、調節(jié)體系黏度。這些有機溶劑一般不參與成膜反應,在成膜過程中揮發(fā)到空氣中,因而造成環(huán)境污染及安全隱患。對于輻射固化體系來說,由于大多數用于輻射固化的預聚體黏度很大,因此同樣需加入溶劑或稀釋劑。但是,與溶劑型涂料、油墨不同,輻射固化體系中使用的稀釋劑通常都能參與固化成膜過程,因此在施工過程中極少揮發(fā)到空氣中,也就是具有很低的揮發(fā)性有機物含量(VOC)。這賦予了輻射固化體系的環(huán)保特性。與傳統(tǒng)的惰性有機溶劑相對應,這類能參與成膜反應的稀釋劑通常稱為活性稀釋劑(reactive diluents)。從化學結構上說,這些活性稀釋劑一般含有可聚合的官能團的小分子,因而習慣上也稱之為單體(monomer)。實際上最初的紫外光固化體系所使用的活性稀釋劑就是一般的加成聚合單體,如苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酯異辛酯、醋酯乙酯等。這些加成聚合單體當中大部分是低沸點單體,易燃、毒性大,現在已很少采用。除此之外,個別在輻射固化體系中采用的單元體在室溫下為黏稠液體甚至是固體,沒有稀釋的作用,這時稱為單體(而不是活性稀釋劑)更貼切。活性稀釋劑按其每個分子所含反應性基團和多少,可以分為單官能團活性稀釋劑和多官能團活性稀釋劑。按官能團種類,則可把活性稀釋劑分為(甲基)丙烯酸酯類、乙烯基類、乙烯基醚類、環(huán)氧類等。按固化機理,也可以把活性稀釋劑分為自由基型和陽離子型兩類。目前輻射固化體系的應用以自由基固化體系為主,而該體系中所采用的活性稀釋劑大多數屬于(甲基)丙烯酸酯類。

  光引發(fā)劑(photoinitiator,PI)是光固化體系的關鍵組分,它關系到配方體系在光輻照時,低聚物及稀釋劑能否迅速由液態(tài)轉變成固態(tài),即關聯(lián)固化。其基本作用特點為:引發(fā)劑分子在紫外光區(qū)間(250~420 nm)或可見光區(qū)(400~800nm)有一定的吸光能力,在直接或間接吸收光能后,引發(fā)劑分子從基態(tài)躍遷到活潑的激發(fā)單線態(tài),還可繼續(xù)經系間竄躍,躍遷至激發(fā)三線態(tài);在其激發(fā)單線態(tài),也可能是在激發(fā)三線態(tài)經歷單分子或雙分子化學作用后,產生能夠引發(fā)單體聚合的活性碎片,這些活性碎片可以是自由基、陽離子、陰離子或離子自由基。按產生的活性碎片不同,光引發(fā)劑可分為自由基聚合光引發(fā)劑與陽離子聚合光引發(fā)劑,其中以自由基光引發(fā)劑應用最為廣泛,陽離子光引發(fā)劑次之。陰離子光引發(fā)劑的研究較少,尚未發(fā)現商業(yè)應用報道。光引發(fā)劑按活性種產生的機理不同,可分為單分子作用機理與雙分子作用機理。如按適用光源波段分類,光引發(fā)劑又可分為紫外光引發(fā)劑與可見光引發(fā)劑,目前光固化技術主要為紫外光固化。此外,光引發(fā)劑還包括一些特殊類別,如大分子光引發(fā)劑、水溶性光引發(fā)劑、可聚合型光引發(fā)劑等。在實際應用中,除了上述組分外,還往往需要加入各種助劑,以達到使用要求。

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