水性UV固化技术

wyj7506 · 发表于 2008-6-3 11:48:50

水性UV固化技术

水性光固化技术是UV固化的前沿技术。北美发展很快并已产业化。而在中国此技术及产业尚在萌芽阶段。中国市场是巨大的。随着国家环保政策对有污染的涂料油墨的限制，发展空间更广阔。
适用于所有染料、油墨领域并且做到真正的环保无污染。
水性光固化体系有如下优点能够克服油性体系的缺点：
· 可以通过添加水和增稠剂调节体系的流变性能和粘度，容易喷涂。
· 无单体以水为稀释剂，可解决挥发性组份(VOC)及常温交联剂毒性和刺激性等问题。水分可使用连续微波干燥设
   备除去。
· 由于不含单体，可以降低固化膜的收缩，有利于提高膜对底材的粘附性。
· 结合微波干燥技术，干燥速度更快，固化前可以得到无粘性干膜,可以直接进行修理、接触和堆放。
· 不含挥发性有机物，不易燃，生产安全，特别对喷涂更有意义。
· 固化膜具有高抗冲击性和拉伸强度、耐磨性、韧性,如果需要,可以得到超薄固化膜。
· 可以使用通常的涂布设备, 如辊涂、淋涂和喷涂等, 涂布设备易于清洗。
水性光固化体系，由于其优点突出，目前其应用领域还在不断扩大，它可以作为木器涂料、塑料清漆、罩印清漆、纸张高档包装材料、柔性印刷板、丝网印刷油墨、抗蚀剂、凹板及平板印刷油墨等，同时有望在皮革涂饰剂方面应用。
水性紫外光固化体系的分类
(1)按基体树脂分类
   水性紫外光固化体系，不含单体，以水作为稀释剂，因此基体树脂的结构对光固化膜的性质起着决定性的作用。
   目前所用的基体树脂主要有以下几大类：不饱和聚酯类、聚氨酯丙烯酸脂类、环氧丙烯酸酯类、丙烯酸酯共聚
   物等几类。具体的结构将在下面的内容中详细介绍。
(2)按亲水基团的电荷性质分类
   水性紫外光固化体系，除了外乳化类外，一般在树脂的主链或侧链中带有不同类型的亲水基团，使其稳定的分
   散于水中。因此可以按照亲水基团的电荷性质，将其分为：
   1) 非离子型，一般以PEG为亲水基团，通过与水生成氢键使树脂具有水溶性和水分散性。
   2) 阳离子型，此类树脂通过在主链或侧链中引入叔胺基团，然后季铵盐化，使其具有水溶性和水分散性。
   3) 阴离子型，此类树脂较多的以羧基为亲水基团，通过碱性化合物中和，使其有一定的亲水性；也有以磺酸盐
      为亲水性基团的。
树脂
树脂即预聚体，是水性紫外光固化体系最重要的组份，它决定着固化膜的物理机械性能、硬度、柔韧性、粘附性、耐磨性、耐腐蚀性。另外对光固化速度也有很大的影响。
水性紫外光固化树脂首先必须可以进行光聚合。这就要求所制树脂为带有不饱和基团的分子，要求这种分子在处于某种条件时能够与其它不饱和分子交联，由液态变成固态涂层。通常采用引入丙烯酰基、甲基丙烯酰基或烯丙基的方法，使合成的树脂具有不饱和基团，从而可以在合适条件下进行固化。丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯类由于其反应活性高和对氧气的阻聚作用相对来说不敏感而常被使用。对于自由基型紫外光固化体系而言，各种官能团的反应活性一般按以下顺序降低：
丙烯酰基〉甲基丙烯酰基〉烯丙基〉乙烯基醚
其次，水性紫外光固化树脂必须具有一定的亲水性，因次必须引入一定量的亲水性基团。
近年来，水性光固化树脂的研究非常广泛，大致有如下几类：
(1)不饱和聚酯类
   水性紫外光固化不饱和聚酯体系，是通过传统的多元醇和多元酸缩聚反应得到的。为了达到一定的亲水性，
   必须引入一定的亲水性基团，目前使用较多的有聚乙二醇、偏苯三酸酐或均苯四酸等。
(2)聚氨酯丙烯酸酯类(PUA)
   聚氨酯丙烯酸酯类光固化体系因其具有良好的耐磨、耐化学药品、耐低温和柔韧性好等优点，应用十分广泛。
   水性PUA 紫外光固化体系是目前研究最多的体系。其分类方法很多。现根据不同的乳化方法将其分为外乳化
   型和内乳化型(又称自乳化型)。外乳化型是利用外加乳化剂的方法，在高剪切力的作用下，将普通的聚氨酯
   丙烯酸酯树脂分散于水中，得到PUA乳液。自乳化型是在疏水性的PUA主链上引入亲水基团，使其在无外加乳
   化剂的情况下，能够分散于水中。自乳化型PUA主链上引入亲水基团的含量决定了大分子主链在水中的分散状
   态。它可以由完全水溶的均相体系逐步过渡到只是乳化分散的两相体系。因此又可以将自乳化型的PUA分
   为水乳化型、水分散型和水溶型三种。
(3)环氧丙烯酸酯
   水性环氧丙烯酸酯是利用环氧丙烯酸树脂中的羟基与马来酸酐或偏苯三酸酐等亲水性化合物反应，引入亲水
   基团，以胺中和而得到的。
(4)丙烯酸酯化丙烯酸酯树脂
   水性丙烯酸酯化丙烯酸酯光固化体系，因其价廉、易制备、光泽度好等优点，目前对此体系的研究也较多。
   它是通过含有特定基团的单体(如：甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等)与丙烯酸系单体共聚，共聚
   物再与丙烯酸系单体作用，制得丙烯酸酯化丙烯酸酯树脂。
光引发剂
光引发剂是任何紫外线光固化体系都必需的主要组份，它对固化体系的灵敏度起着决定性的作用。对于水性光固化体系，光引发剂的选择应重点考虑以下几点：
1)与水性树脂有良好的相容性，不仅在湿体系中要相容，更关键的是在固化前的干膜中能均匀分散。
2)具有低的水蒸汽挥发度(随水分蒸发而一起蒸发的程度)。
水性光固化体系所用的光引发剂可分为分散型和水溶型两类。分散型光引发剂为油溶性，需借助乳化剂和少量单体才能分散到水性光固化体系中。它们与水性树脂存在相容性问题，会直接影响成膜性能和引发效率。为了克服这一问题，人们在油溶性光引发剂结构中引入阴、阳离子基团或亲水性的非离子基团，开发研究出水溶型光引发剂。但若只由磺化、羧基化或季铵化增强引发剂的水溶性，直接相连或是以一个亚甲基与苯环相连，均会不可避免地降低分子的活性，结果使光引发剂失效。经过探索发现，通过氧基—O—和几个亚甲基—（CH2）n—与苯环相隔离，以保持母体的光引发剂性能不变，从而保持了分子的活性。但目前水溶型光引发剂因其价格贵，货源少，实用的不多。
水性光固化体系也非一个完美的体系。它和任何体系一样也有一些不足之处。主要是以下几个方面：1)总的固化时间较长，耗能高；2)干燥过程对固化膜的外观有一定的影响(如产生针眼和气泡等)；3)由于大量亲水基团的存在，对膜的耐水性有影响。但总的来说，水性光固化体系，其优点突出，特别是其有利于环境保护这一时代主题，在对环保问题日益重视的今天，应具有很好的发展前景。