可紫外光固化涂料用水性分散体（转）

fanxu1234

近，我们在我们的研究和开发实验室中将几类可紫外光固化的齐聚物分散于水中。这些
齐聚物包括丙烯酸环氧化合物、丙烯酸氨基甲酸酯和丙烯酸聚酯。本文中，我们将讨论这些
分散体的物理和流变性质。作为对照，我们也将讨论由未分散的树脂配制的涂料的性能。(
选择由UCB公司提供的分散体作为实验产品)。??

实验部分?

用合适的表面活性剂将齐聚物(聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯和聚酯丙烯酸酯 )分散于去
离子水中。一般，所得分散体的固体分约为65%。在25℃下用Brookfield??TM?(Model DV -Ⅱ)
粘度计测定分散体的粘度。还用光散射或显微技术观察了分散体的粒径及粒径分布。?

Darocur??TM? 1173(占固体树脂重的4%，由汽车巴-嘉基公司提供)作为光引发剂加入 该分
散体或树脂体系中并混合均匀。然后刮涂于Parker Bonderite 40钢样板上，形成约100～15
0μm的涂膜。对于分散体型涂料，通过用加热枪或红外灯加热样板使水挥发，直到涂膜透明
。然后，将样板在空气中在最大传输速率下，用一台或两台300瓦/英寸汞蒸汽无极灯固化，
制得不粘的涂膜。然后按下列ASTM方法测试这些涂膜的性能：附着力(ASTM D 3359)，硬度(
ASTM D 3363)，柔韧性(ASTM D 522和ASTM D 2794)和光泽(ASTM D 523)。另外，用双向擦
拭方法(ASTM D 4752)测定了涂膜的耐甲乙酮性和耐水性。?
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结果和讨论?

几类常用的可紫外光固化的齐聚物已被成功地分散于水中。从化学上来分析， 这些齐聚物
包括有各种官能度的丙烯酸化环氧化合物、芳香族和脂肪族聚氨酯丙烯酸和丙烯酸化聚酯等
。从流变性上分析，这些齐聚物室温下的粘度从80厘泊到大于1，000，000厘泊不等。
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* 粒子尺寸?

用其粒径及粒径分布来表征这些分散体。在多数情况下，我们实验室制备的分散体的粒径
为0.1μm和2.0μm。取决于齐聚物的化学和物理性质，粒径分布可在这一范围内变化。例如
，丙烯酸环氧齐聚物分散体的平均粒径为0.45μm(见图1)。 ??
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密度分布?

图1：用光散射技术测定的粒径和粒径分布?

* 流变性质?

测定了水性分散体的流动性质。25℃下，该分散 (固体分约65%0的粘度在1200～10000厘
泊的较宽范围内变化。实验研究表明，分散体的粘度与其粒径及粒径分布密切相关。对于那
些含有同等分量水分的分散体而言，其平均粒径越小，粘度则越小。同样很清楚，在其他同
等条件下，分散体的粘度随着分散相即齐聚物相的体和含量的增加而增加。在这里必须指出
，迄今，我们实验中评估的所有分散体均具有假塑性流变行为。分散体的粘度随着剪切速率
的增加而下降，但在去除剪切应力后，粘度立即恢复至其初始值。图2说明了丙烯酸化聚酯
齐聚物分散体、丙烯酸化环氧齐聚物分散体和聚酯丙烯酸齐聚物分散体这三种分散体的假塑
料性流变行为。 ??????????
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剪切速度(RPM)?

图2：可紫外光固化的水性分散体的流变形为?

*稳定性?

对许多这些分散体进行了长期和加速稳定性测试评估。一般，这些分散体中的大多数在室
温下至少能稳定6个月，不发生相分离且没有明显的粒子尺寸的变化。这些分散体的大多数
也通过了60℃下三天的热稳定性测试，不发生相分离及粒子尺寸的变化。这些分散体中的
几个品种通过了1～3个冻/融循环，未见有相分离及粒子尺寸的变化，这方面的考察仍在继 续
，以提供更佳的稳定性。?

* 涂膜性能?

研究了基于水性分散体的涂膜的性能。表1～4概括了四种不同类型涂膜的性能。作为一个
范例，我们将讨论表1所示结果，它包含了由丙烯酸环氧齐聚物分散体制成的涂膜的性能。
作为参照，表1中还列出了由此纯丙烯酸环氧齐聚物和用三丙二醇二丙烯酸酯(TRPGDA)单体
稀释的丙烯酸环氧齐聚物制成的涂膜的性能。 ?

表1 基于丙烯酸环氧齐聚物的涂膜性能?

表2 基于氨改性丙烯酸环氧齐聚物涂膜的性能

表3 基于丙烯酸芳香族齐聚物的涂膜的性能 ?
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表4 基于丙烯酸脂肪族聚氨酯齐聚物的涂膜的性能
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该分散体的粘度比那些未分散的齐聚物的粘度要低得多。而且 ，通过添加更多的去离子
水，可以很容易的将分散体的粘度调整到符合施工所需的要求。这种稀释不会明显影响分散
体的稳定性及其最终的性能。表1比较了具有相同粘度的分别用水和单体稀释的环氧丙烯酸
酯齐聚物及粘度要高得多的纯环氧丙烯酸酯齐聚物。?

令人惊奇发现，由水分散体制成的涂膜，其固化速度较用未分散的齐聚物制得的涂膜的固
化速度快得多。正如我们从表1中所看到的，用一台F-300H汞灯(Fusion Systems公司提供)
，基于分散体的涂膜的固化速度为200英尺/分钟，与此相比，非水性型涂膜用两F-300H灯下
的固化速度仅为100英尺/分钟。有理由相信，在干燥期间，涂膜的表面形成了一层水蒸汽层
，于是这一水蒸汽层起了隔氧屏障的作用，缓和了氧气对固化的阻碍作用。结果，分散体型
涂膜比由未分散的齐聚物制成的涂膜的固化速度要快。(对于那些最初设计为具有良好表面
固化的树脂体系，即胺改性环氧丙烯酸酯，未见有固化速度的差异)。?

一个简单的实验研究证明了我们的推测。如果使水分散体型涂膜干燥，再使之于室温下
放置30min，让水蒸汽层蒸发掉，就看不到固化速度上的不同。进而，用傅利叶变换红外-衰
减全反射(FTIR-ATR)光谱法测定了分别由水分散体及相应的未分散的齐聚物制成的涂膜的因
化程度。取固化过程中未发生变化的吸收峰作为内标参照点。测定固化是，在810cm??-1
?处的丙烯酸酯吸收度的相对变化，然后用810cm??-1?处吸收度的相对变化来计算已反
应的丙烯酸酯不饱和度的百分数(%RAU)。测得RAU百分数对“湿膜”为60.0,“干膜”为52.0
。这些结果证明当涂膜在湿态下固化时，未反应的双键的量较低。?

还必须引起注意的是，由分散体制得的涂膜较由未分散的齐聚物制得的涂膜的铅笔硬度
要高。这一硬度的提高可能与减轻了氧阻聚作用使表面固化更好有关。?
锥轴弯曲试验和反向冲击测试的结果表明，分散体制得的涂膜较未分散的齐聚物制得的涂
膜的柔韧性要好。引起柔韧性增加的原因尚不清楚。可能的原在是涂膜中的表面活性剂
和残余的水作为增塑剂增韧了涂膜。附着力的提高也可能归因于这一增塑作用。?

重要的是，与许多传统的水溶性不同，由这些分散体制得的涂膜具有良好的耐化学品性和
耐水性。由分散体制得的涂膜的光泽与由相应的未分散树脂制得的涂膜的光泽略有不同。
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结论?

采用和开发分散工艺已成功地将广泛应用的辐射可固化齐聚物分散于水中。正如所预期的
，我们实验室制备的分散体的粘度比相应的未分散树脂的粘度要低得多，且相当稳定。与基
于未分散树脂体系的涂膜相比，基于这一分散体的涂膜具有较快的UV固化速度，较好的表面
硬度和较好的柔韧性。这些涂膜也具有极佳的耐化学品性和耐水性。现时我们实验室正着手
进行可辐射固化分散性的固化机理和性质及其最终的施工应用方面的进一步研究。