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UV光固化涂料的组成

2022-08-11

  UV光固化涂料主要由光活性低聚物、光活性单体、光引发剂等组成。光引发剂的引发效率对配方的成本及光固化速率的影响至关重要。齐聚物组成了固化膜交联网状结构的骨架,它是产品理化性能的主要决定因素。多官能团单体一方面对组分起到稀释作用,提高可加工性能,另一方面对光固化体系的聚合速率影响很大。各组份的比例大致如下:

UV涂料.png

  低聚物是光固化产品中比例最大的组分之一,它和活性稀释剂一起往往占到整个配方质量的90%以上,是光固化配方的基本树脂,构成固化产品的基本骨架,即固化后产品的基本性能(包括硬度、柔韧性、附着力、光学性能、耐老化性能等)主要由低聚物树脂决定。这些性能当然与光聚合反应程度(转换率)有关,通过稀释剂及其他添加剂也可以对产吕最终性能进行调整。低聚物(Oligomer)又叫寡聚物,也称预聚物(prepolymer),“齐聚物"这一概念现已过时。传统溶剂型涂料使用的树脂相对分子质量一般较高,约几千至几万,光固化产品中的树脂低聚物相对较低,大多数在几百至几千,相对分子量过大,黏度太高,不利于调配和施工,涂层性能也不易控制。光固化产品中的低聚物一般应具有在光照条件下可进一步反应或聚合的基团,例如C=C双键、环氧基团等等。根据光固化机理不同,适用的树脂结构也应当不同,对于目前市场份额最大的自由基聚合机理的光固化产品,可供选择的低聚物比较丰富,主要包括不饱和聚酯、环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酯树脂、聚脂丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸树脂、丙烯酸官能化的聚丙烯酸酯树脂等。另外,含不饱和双键的聚烯烃树脂适用于以加成交联反应为主、聚合反应为次的自由基光固化体系,例如,多烯烃/多硫醇体系、多烯烃/多元重氮盐体系等。对阳离子光固化体系,适用的低聚物主要包括各种环氧树脂、环氧官能化聚硅氧烷树脂、具有乙烯基醚官能基的树脂等。此外,不含光引发剂的电荷转移光固化体系说要使用富电子和缺电子体系搭配,是比较新颖的一类光固化树脂。

  传统的溶剂型涂料、油墨通常都要加入有机溶剂,其作用主要是溶解固体组分、稀释、调节体系黏度。这些有机溶剂一般不参与成膜反应,在成膜过程中挥发到空气中,因而造成环境污染及安全隐患。对于辐射固化体系来说,由于大多数用于辐射固化的预聚体黏度很大,因此同样需加入溶剂或稀释剂。但是,与溶剂型涂料、油墨不同,辐射固化体系中使用的稀释剂通常都能参与固化成膜过程,因此在施工过程中极少挥发到空气中,也就是具有很低的挥发性有机物含量(VOC)。这赋予了辐射固化体系的环保特性。与传统的惰性有机溶剂相对应,这类能参与成膜反应的稀释剂通常称为活性稀释剂(reactive diluents)。从化学结构上说,这些活性稀释剂一般含有可聚合的官能团的小分子,因而习惯上也称之为单体(monomer)。实际上最初的紫外光固化体系所使用的活性稀释剂就是一般的加成聚合单体,如苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酯异辛酯、醋酯乙酯等。这些加成聚合单体当中大部分是低沸点单体,易燃、毒性大,现在已很少采用。除此之外,个别在辐射固化体系中采用的单元体在室温下为黏稠液体甚至是固体,没有稀释的作用,这时称为单体(而不是活性稀释剂)更贴切。活性稀释剂按其每个分子所含反应性基团和多少,可以分为单官能团活性稀释剂和多官能团活性稀释剂。按官能团种类,则可把活性稀释剂分为(甲基)丙烯酸酯类、乙烯基类、乙烯基醚类、环氧类等。按固化机理,也可以把活性稀释剂分为自由基型和阳离子型两类。目前辐射固化体系的应用以自由基固化体系为主,而该体系中所采用的活性稀释剂大多数属于(甲基)丙烯酸酯类。

  光引发剂(photoinitiator,PI)是光固化体系的关键组分,它关系到配方体系在光辐照时,低聚物及稀释剂能否迅速由液态转变成固态,即关联固化。其基本作用特点为:引发剂分子在紫外光区间(250~420 nm)或可见光区(400~800nm)有一定的吸光能力,在直接或间接吸收光能后,引发剂分子从基态跃迁到活泼的激发单线态,还可继续经系间窜跃,跃迁至激发三线态;在其激发单线态,也可能是在激发三线态经历单分子或双分子化学作用后,产生能够引发单体聚合的活性碎片,这些活性碎片可以是自由基、阳离子、阴离子或离子自由基。按产生的活性碎片不同,光引发剂可分为自由基聚合光引发剂与阳离子聚合光引发剂,其中以自由基光引发剂应用最为广泛,阳离子光引发剂次之。阴离子光引发剂的研究较少,尚未发现商业应用报道。光引发剂按活性种产生的机理不同,可分为单分子作用机理与双分子作用机理。如按适用光源波段分类,光引发剂又可分为紫外光引发剂与可见光引发剂,目前光固化技术主要为紫外光固化。此外,光引发剂还包括一些特殊类别,如大分子光引发剂、水溶性光引发剂、可聚合型光引发剂等。在实际应用中,除了上述组分外,还往往需要加入各种助剂,以达到使用要求。

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