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UV固化粉末涂料的研究与应用研究
2016-07-13 15:47:08  作者:中国不饱和树脂网  来源:www.upr-e.cn  文字:【】【】【

    【中国不饱和树脂网www.upr-e.cn】2016年7月13日讯:综述了UV光固化粉末涂料与技术以及主体树脂的研究与发展概况,介绍了UV光固化粉末涂料的特性及应用领域.

关键词:UV固化 粉末涂料 主体树脂

1前言

环境和能源的压力正在改变全球涂料工业的品种与结构。粉末涂料和UV固化涂料作为节省能源、低污染的环保型涂料,正日益受到人们的重视。然而,由于热固性粉末涂料固化温度高、固化时间长,用于热敏基材受到限制。另外,在其熔融流平和热固化过程中存在一定的重叠,难以有足够的时间流平,所以极易出现橘皮、缩孔等外观缺陷。uV固化液体涂料中通常含有活性稀释剂。这些物质的释出会刺激皮肤和眼睛,涂敷时会有液体渗入底材,并长期向周围释放未固化的挥发性组分。因此,粉末涂料和UV固化涂料的应用都有其局限性。将粉末涂料和UV固化技术相结合的uV固化粉末涂料则可使上述问题得到解决。uV固化粉末涂料固化温度低,固化速度快,可用于热敏底材(如木材、塑料、MDF板等)。熔融和固化分为两个明显的阶段,解决了热固性粉末涂料流平和固化重叠的问题。另外,UV固化粉末涂料中无活性稀释剂组分,因而不会释放任何挥发性成分,也不会发生渗入底材问题。所以,uV固化粉末涂料近几年来在国内外引起了人们极大的兴趣。

2Uv光固化粉末涂料的研究

uV固化粉末涂料技术是在粉末涂料和UV固化技术基础上发展起来的,因而在生产、加工工艺等很多方面与粉末涂料和UV光固化液体涂料是一致的,但它还有自己技术上的难点。其中包括主体树脂的制备及涂料的涂装固化工艺等。下面主要介绍这两方面的研究进展情况。

2.1主体树脂的研究

主体树脂决定涂料固化的总体性能,包括固化过程中的粘度及固化后涂膜的硬度、柔韧性、耐候性和耐化学品性等。因此,主体树脂的选择是决定粉末涂料性能的关键。UV固化粉末涂料要求在40℃下贮存3~6个月不结块,而且在较低温度下有较低的熔融粘度。只有这样,涂料才能有良好的流动、流平性质。因此,要求主体树脂的玻璃化温度(TG)应在50~70℃,平均分子量在1000~4000,且有较窄的分子量分布。但是,要得到符合上述要求的树脂并不容易。如果树脂的TG高,熔化时体系粘度大,不利于涂料的流平性,其熔化过程就较难,制成的粉末涂料存放困难。而树脂的低时,不利于涂料的使用和贮存。为此,人们对此树脂的合成制备做了很多的研究。

目前,UV固化粉末涂料常用树脂有:环氧丙烯酸酯、丙烯酸树脂、不饱和聚酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯。上述树脂体系虽然基本符合要求,但很难达到低温下理想的流动性。所以人们寻找新的途径来解决这个问题,即结晶/非结晶体系和半结晶/非结晶体系。结晶/非是由结晶化合物和非结晶树脂形成的混合物。其非结晶型和结晶型聚合物流动曲线如图1所示。

体系中这种结晶成分能显著降低熔融粘度,同时仍保持在室温下的良好贮存稳定性。但由于其熔融粘度极低会造成流挂问题,而非结晶成分则决定了降低粘度的程度,以避免出现流挂问题,所以非结晶树脂和具有适合熔点的结晶单体的混合物形成的系统,在理论上会有理想的流动性。1998年,M.Johansson等人报道了一种新的体系。该体系由非结晶性甲基丙烯酸树脂A1和结晶性化合物C1和C2组成。A1为用甲基丙烯酰氯使甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸羟乙酯共聚物的羟基官能团甲基丙烯酰化而得。C1为一种双丙烯酸酯(mp为1060C),C2为一种双酚A双甲基丙,烯酸酯(mp为72~74℃)。作者分别用热固化和UV固化方式对体系固化过程进行了研究。结果表明,热固化的流动过程难以控制,而UV固化则因发生于充分流平之后,易于控制,且涂膜表观平整度好。另外,UV固化因反应速率快得多,从而降低了氧阻聚所带来的影响。

目前还有人研究一种新型的低温辐射固化粉末涂料的合成,其合成工作可分成两部分,即非结晶树脂的合成和结晶成分的合成。非结晶树脂经过两步合成:先用游离基聚合法制备含羟基的甲基丙烯酸酯,然后再用2一甲基丙烯酰氯与羟基反应来使含羟基聚甲基丙烯酸酯官能化。结晶单体C1为丙烯酸4一[4一(4一丙烯酰氧基一丁氧基羰酰胺)一3,3一二甲基一双苯基一4一氨基甲酰氧]一丁酯。结晶单体C2为2一甲基丙烯酸一4(1一甲基一1一[4一(2一甲基丙烯酰氧)一苯基]一乙基)一苯酯。合成后在乙醇中重结晶得产物。此后,制备了一系列结晶单体和非结晶甲基丙烯酸酯树脂的混合物。用流变学法、量热法和显微镜法对其流变性、自发结晶、剪切诱导结晶、熔融过程、固化过程做了研究,结果证明该涂料体系适合UV固化粉末涂料的要求。另外,还有人研究用甲基丙烯酸缩水甘油酯和端羧基结晶型聚酯来制备辐射固化粉末涂料。

另一种非结晶/半结晶体系是UCB公司报道的H。UCB公司开发了4种用于木质底材上的树脂:2种无定形树脂,2种半结晶树脂。其特点如表I所示

这些树脂的平均分子量在2500~5000之间,且无任何刺激性,适合UV固化粉末涂料的要求。

2.2涂装固化工艺研究

UV固化粉末涂料的涂装过程大致分以下几个步骤:预热一冷却一静电喷涂一IR加热一uV固化一冷却。其示意图如图2所示。
 

UV固化粉末涂料因其固化温度低,不仅适用于金属材料,而且适用于各种热敏材料,如木材、塑料、MDF板等。对于金属材料的静电喷涂工艺已很成熟,但对于热敏材料的静电喷涂则有一定难度。因为常用的静电喷涂方法是给板的表面加上一个静电荷,并给粉末以相反极性的电荷。例如,可以用常规电晕喷枪在最大电压(通常为100kV)下给板的表面加上负电荷,用一个静电的或正电的电晕喷枪喷涂上带正电的粉末。应注意的是这2个步骤间的时间间隔要尽可能地短,否则在涂上粉末前表面电荷就泄漏出去了。对于表面积大的工件,则要考虑安全方面的问题,要确保整个表面的电荷不超过安全限制。这样就使MDF板的静电喷涂出现了矛盾的情况。一方面,如果将MI)F完全干燥,其导电率会很低,就不能使表面带有足够的电荷以吸附粉末。只有当含水量足够高时,导电率才足以使粉末在板上积聚到令人满意的涂层厚度。另一方面,将涂上粉末的MDF板放入烘箱中加热使粉末熔融时,板材表面的水分会被排出,排出的水分会破坏熔融膜的表面,形成很多气孔。若熔融的粉末不能流回到一起,就会在固化后的涂膜上留下一些固定的气孔,破坏表面平整。而且,熔融流平过程中板材表面的温度持续上升,其结果是深处的水分由于达到汽化温度而更快地散失,从而形成更多的气孔。小孔的存在不仅不美观,而且由于被涂物的水敏性,水会渗进其表面造成严重的膨胀。因此,木材的含水量大小对涂料的涂装效果影响是很大的。图3显示了板材含水量对粉末吸附及成孔的影响情况。

曲线表明,当MDF板具有不同的含水量时,形成气孔程度不同,涂层可达到的最大厚度也不同,且当含水量达到一定值其涂层厚度不再增大。鉴于含水量大的缺点和基材对涂层厚度的要求,一般选择含水量4%~7%为最佳范围。在这个范围涂层能获得良好的涂覆效果。
 

UV固化粉末涂料与热固化粉末涂料的固化过程截然不同。后者熔融过程中常伴随着热固化交联反应,而前者熔融固化分为2个明显的阶段,即IR加热熔融、UV辐射固化。在IR加热过程中,只要没有UV光照就不会有反应发生,因此它有充分的熔融流平时间。针对此特点,人们设计了一种IR/UV复合式烘箱。其示意图如图4所示。


在此过程中,对不同的粉末和底材需确定不同的固化条件,即IR灯的温度、与底材的距离、uV灯的功率和传送带的线速度等。

3 UV固化粉末涂料的应用

传统的粉末涂料因其固化温度高只能用于金属材料,而uv光固化粉末涂料则因其固化温度低、表观平整度高可应用于各类热敏材料。也有少量用于金属、金属/塑胶复合件、纸类基材上的报道。目前,UV固化粉末涂料用于木材、塑料、MDF板的报道最多。

DSM公司开发了一种基于顺丁烯二酸的不饱和聚酯和乙烯基醚官能团(MVii;)的聚氨酯粉末涂料体系l6,用于木材和塑料上。该体系有2种聚合物组成,uV固化时基于富电子的乙烯基醚官能团和贫电子的顺丁烯二酸酯基团的l:1共聚合反应。该体系含有匹配的顺丁烯二酸酯基和乙烯基醚基,优点是在受控条件下两成分并不发生均聚反应,而且粉末涂料是热稳定的。

UCB公司开发了Uvecoat TM系列的树脂",专门用于UV光固化粉末涂料。它包括Uvecoat 1000、Uvecoat 2000、Uvecoat 3000。其中Uvecoat 1000、Uvecoat 3000系列适用于复合木材如MDF板。它对MDF板的封底性、遮盖力、封边性、砂光性以及与基材或面漆的附着性都很好。若配以Uv液体罩光漆会获得更好的装饰效果。UCB公司还开发了4种用于木质底材的新型树脂。其中2种是无定型树脂1和2,另2种为半结晶型树脂3和4。这些涂料除具有上述涂料的各种特点外,还有一个显著的优点就是有很好的光泽性,因而有很好的装饰性。表2是4组用于木器漆上的涂料配方。

经测试,上述4组配方的涂料体系均具有良好的涂膜性能(包括光泽度、耐磨性、硬度、耐各种溶剂性、耐污性等)。

汽巴公司开发了一种UV固化固态环氧树脂_8]。该体系由含一种光敏硫铺盐催化剂的粉末级双酚A树脂组成。当这种催化剂在熔融态释出时,引发环氧基团的阳离子聚合反应。该公司据此设计了商品名为LMB 6108和LMB 6134的2种MDF底材用粉末涂料。该涂料在最佳条件下施工并固化时,获得90℃下辐射时的完全固化,具有良好的熔融和流平性。所得涂层具有良好的附着力和机械性能以及环氧涂料的典型高耐化学品性。该体系也适用于热塑性和热固性塑料体系。

杜邦也开发了用于MDF电视家具的粉末涂料及生产线。这项技术还因能很好地喷涂于垂直表面而通过了英国的FIRA标准6250,并于2000年春,应英国PVC地板生产商Polyflor Ltd的要求,专门开发了一条用于PVC地板的Dupont粉末涂料生产线。该涂料因其很好的性能和外观而使该公司的PVC地板具备了很大的市场优势。

此外,UCB公司还报道了用于金属材料上的树脂体系,即Uvecoat 2000系列。它对各类金属都有很好的附着力、柔韧性、抗腐蚀性、耐候性及高光泽度。DSM公司则报道了uV粉末涂料在纸类基材上的应用]。该涂料技术与印刷结合可用于书籍、杂志封面、包装箱纸板和卡片纸等的上光。用于墙纸涂饰,则可获得理想的装饰性和功能性(防污性和耐擦洗性等)。

4结论

UV固化粉末涂料因其结合了粉末涂料和UV固化涂料技术的优点而成为一种非常有发展潜力的涂料技术。它特别适合于需要环境保护、低温涂装、快速固化、高效率生产、装饰性要求高的场合。随着新型粉末涂料用树脂的开发和性能的改进及涂装技术的日益完善,UV粉末涂料将得到更广泛、更成功的应用。


(本站记者)






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