第３３卷第１１期 ２０１０年１１月 化工科技市场 ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ＭＡＲＫＥＴ ２７
电子束固化技术研究进展
刘伟。郝建钢 （天津市技术物理研究所，天津３００１９２）
摘要：电子束固化（ＥＢ）是以电子加速器产生的高能电子束为辐射源，诱导液体低聚物经过交联聚合而快速 形成固体产物的过程。与传统固化方法相比，具有高效，低成本，环保等优点。对电子束固化的特点、反应机理以 及应用前景进行了综述。 关键词：电子束固化；辐射：固化； 中图分类号：ＴＱ６３０．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－４７２５（２０１０）１１—００２７—０４
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ——ｂｅａｍ ｃｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｌｉｕ Ｗｅｉ，Ｈａｏ Ｊｉａｎｇａｎｇ
（Ｔｉａｎｊｉｎ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ。Ｔｉａｎｆｉｎ ３００１９２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｃｕｒｉｎｇ（ＥＢ）ｗａｓ ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｈｉ ｇｈ—ｅｎｅｒｇｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｓ— ｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｄ ａｓ ａｎ ｅｍｉｔｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｍｉｔｔｅｒ ｃｏｕｌｄ ｉｎｄｕｃｅ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｔｏ ｆｏｒｍｅ ｓｏｌｉｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ｆａｓｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ＣｒｏＳＳ
—ｌｉｎｋｉｎｇ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ。ＥＢ ａｂｔａｉｎｅｄ ｓｏｍｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ－ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ＥＢ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｃｕｒｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｃｕｒｉｎｇ
辐射固化技术是２０世纪６０年代发展起来的先
进材料表面处理的高新技术。进入２１世纪后获得
了高速发展。因其具有高效、快速、节能、环保、优
质、经济等优点，广泛应用于电子、家电、汽车、航空、
航天、通讯、建材、印刷包装、计算机、仪器仪表等行
业。辐射固化作为一种集成创新技术，其技术成果
正在向生产力转化。辐射固化的技术优势在改造传
统产业和建立新兴产业中正发挥着独特的作用。辐
射固化本身各价值链的集约化和规模化，特别是固
化过程有机挥发物（ＶＯＣ）的零排放和低排放，可为
打造全球２ｌ世纪的“绿色产业”作出可贵的贡献。
目前全球辐射固化在北美、欧洲和亚洲已逐渐确立
其产业地位。辐射固化各种配套产品与服务正纳入
全球经济、产业和市场之中。特别应当指出的是，辐
射固化产业历经４０ ａ全球性各种冲击（例如石油危
机、金融风暴和经济衰退等）而仍然保持其旺盛的
生命力。这一切突显了辐射固化产业相对于一些传
统产业，具有“朝阳产业”的特征，其生命发展周期
正处于成长阶段。 。
辐射固化体系主要包括紫外线（ｕＶ）固化和电
子束（ＥＢ）固化两类，ｕＶ固化技术在中国的应用已 较为普遍，而ＥＢ固化技术的应用则较少＿２ Ｊ。 １辐射固化发展
全球辐射固化产业化的设想可以追朔到２０世
纪３Ｏ年代。１９３１年当时美国的一篇专利曾涉及到
辐射化学的应用和辐射固化概念，并提出了产业化
的可能性…。
１９４６年，美国Ｉｎｍｏｎｔ公司以不饱和聚酯为基础
配方的油墨，在紫外光（ｕｖ）照射下进行固化的实验
取得成功，并申报了当时的美国专利。然而这一世
界上最早的ｕＶ固化专利，并没有越出实验室，而发
展成为一项产业化成果。欧洲在２０世纪５０年代就
对辐射固化产业化产生了浓厚的兴趣，并开展过多
次学术讨论。２０世纪６０年代初德国拜尔公司
（Ｂａｙｅｒ）首先采用不饱和聚脂开发出木材刨花板ＵＶ
固化填料，从而实现第一代紫外光固化木器涂料产
业化的突破。德国公司的这一创举，日后被辐射固
化业界公认为全球产业化第一个里程碑。值得提及
的是，德国公司当年开发的不饱和树脂体系，由于价
格便宜，反应活性基本满足要求，至今尚未退出木器
行业的历史舞台。２０世纪７０年代初，随着ｕＶ固化
设备、反应活性树脂以及光引发剂等不断改进，辐射
固化已逐步脱离了初创时期原始状态。此时丙烯酸 ２８ 化工科技市场 第３３卷第１１期
酯不饱和树脂进入辐射固化市场，从而为辐射固化
产业规模的持续扩大和产量的持续提高奠定了基
础。丙烯酸酯不饱和树脂的反应活性较之不饱和聚
酯要高得多，加上ＵＶ汞弧灯的线功率密度已达到
８０ Ｗ／ｃｍ（配有反射镜），并出现专门为丙烯酸酯不
饱和树脂设计的高效光引发剂。这一切为克服ｕＶ
固化中的氧阻剂效应起到了显著的作用。从此，ｕＶ
固化配方成分中不再使用石蜡，而且可在大气中常
温下迅速固化。１９７１年美国继欧洲之后成功地实
现了木材刨花板填料和面漆的ｕＶ固化商业化应
用，从此美国步入了辐射固化产业化高速通道，与欧
洲市场接轨。
２Ｏ世纪７Ｏ年代爆发的全球性石油危机和日益
强烈的社会环保意识，为辐射固化产业化提供了难
得的机遇，而且事实上日后也成为辐射固化市场迅
速增长的强大动力。与此同时，电子束固化设备
——大功率低能电子加速器的出现，为固化厚涂层
（几微米到几百微米）带来了希望。１９７３年荷兰的
Ｓｖｅｄｅｘ公司安装了一台ＥＢ固化装置，用于辐照加
工硬板门。２０世纪７０年代末，日本辐射固化的研
究人员加入到全球产业化进程的行列。２０世纪
８０－＿９０年代全球辐射固化产业化进入全面成长时
期，尽管欧洲２Ｏ世纪７Ｏ年代末到８０年代初期经历
了经济衰退，辐射固化因投资萎缩产业化进程一度
受到过影响。然而全球的产业化形势随着原材料的
不断升级换代与固化装置（ｕＶ灯）进一步改善而呈
现出欣欣向荣、蒸蒸日上的局面。这一时期，辐射固
化几乎涉及到该技术在当时可能涉及的一切应用领
域。电子帘加速器的技术突破为ＥＢ固化大规模进
入市场作出了一次可贵的尝试，加工基材从木材发
展到纸张、塑料、金属、石材、玻璃、陶瓷等。各种原
材料，包括基础原材料、单体、低聚物、光引发剂，以
及配方产品都确立了自身在市场上的地位。目前
ＥＢ固化在全球辐射固化市场仅占１０％份额，其于
９０％为ｕＶ固化。但是随着世界的经济形势的变
化，加速了全球辐射固化的产业结构调整，使各地域
性市场的整合形势加剧，以适应全球经济一体化的
基本趋向。ＥＢ辐射固化企业自此进入了频繁的重
组与兼并时期。一些具有活力的公司，特别是全球
跨国公司在原材料生产、配方产品供应和固化装置
制造等方面正在国际市场扮演支配性的角色。全球
辐射固化的某些产业化活动从世界经济发达国家逐
渐向经济欠发达国家转移，体现了全球资源的合理
配置，同时有助于推进世界发展中国家辐射固化产 业化进程。
２电子束（ＥＢ）固化技术
电子束固化（ＥＢ）是以电子加速器产生的高能
电子束为辐射源，诱导液体低聚物经过交联聚合而
快速形成固体产物的过程 Ｊ。近年来，电子束固化
技术得以持续发展，主要原因在于其产品质量和经
济效益方面的优势。与其他固化方式相比，电子束
固化的产品在辐照后可立刻处理，大大提高了生产
效率，固化产品的物理性能得以改善 ；另外，这
是一种室温固化技术，能耗低，还可以应用于热敏基 材的印刷 ｊ。产品中不含挥发性有机溶剂及光引
发剂，不会对环境产生污染 ，因此，该固化方式
成为紫外光固化之后发展起来的新型环保固化技
术。
２．１ ＥＢ固化原理
以环氧树脂为例说明ＥＢ固化的反应机理。ＥＢ
固化是指单体或低聚物在高能电子束的作用下分子
间发生交联反应而固化。其反应机理与阳离子聚合
反应有相似之处。由于反应体系在ＥＢ作用下产生
阳离子、阴离子、自由基等中间体，因此不同体系其
固化机理不尽相同。对环氧树脂体系而言，其固化 机理以阳离子聚合为主，引发剂通常选用二芳基碘
翁盐或三芳基锍盐 。
Ｌａｐｐｉｎ等＿ｌ 提出通过自由基反应生成阴离子
继而引发固化反应的阳离子固化机理。首先二苯甲
酮在电子束的作用下激发，然后与异丙醇反应生成
自由基，最后自由基与碘鲶盐作用产生质子酸而引
发阳离子开环聚合。 隋刚等［１ 则采用ＧＳ、ＩＲ、ＥＳＲ等方法对电子
束固化环氧树脂的反应过程及反应机理进行了研
究。根据实验结果推导出某些环氧树脂（如８２８环
氧树脂）的固化反应是按阳离子反应机理进行的。
首先碘锚盐在电子束的作用下分解并从单体或含氢
杂质中夺取氢原子产生质子酸而引发阳离子开环聚
合。
如果反应体系中含有二官能团以上的环氧树脂，
就会按此机理反应形成空间网络结构实现材料固
化。
２．２ ＥＢ固化特点 电子束固化是以电子束（ＥＢ）为辐射源，诱导经
特殊配置的固含量为１００％的应性液体快速转变成
固体的过程。ＥＢ固化与其他固化方法相比具有下
列特点：
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１）固化所需的ＥＢ能量范围为１５０～３００ ｋｅＶ，
它以近似光速到达固化物质表面，不仅不受涂层颜
色的限制，而且还能固化纸张或其他基材内部涂料
和不透明基材之问的黏合剂。２）ＥＢ固化可使涂
料、油墨和黏合剂１００％固化，它尤其适用于固化程
度必须绝对为１００％的领域。３）生产率和成品率
高，线速度快，能形成规模生产。４）能耗明显降低，
ＥＢ固化与ｕＶ固化相比，能耗大大降低。更加优于
传统的热固化的固化方式。５）固化温度低，适用于
热敏基材，固化产品性能新颖、独特。６）操作方便，
可控性强，精确性和可重复性高，无环境污染。７）
ＥＢ固化过程要求惰性气氛保护。
２．３ ＥＢ固化设备
２．３．１ 电子加速器
电子加速器的作用是是使电子产生很大的动
能，利用电子的高穿透力引发聚合。电子加速器主
要有扫描型和线型两种。扫描型电子加速器发射的
电子集中在一个点上，而线型电子加速器是利用加
热电阻丝释放一排电子，与扫描型相比，它的固化速
度快，生产效率高。
２．３．２屏蔽装置
电子加速器释放高能电子，产生ｘ射线，对人
体和环境造成危害。因此，电子加速器的屏蔽非常
重要，所以电子固化设备中必须配备安全的屏蔽装
置。
２．３．３惰性气体
自由基引发的反应常受到氧的阻碍，这种现象
在ｕＶ、ＥＢ固化中都存在。在ＥＢ固化中必须使用
惰性气体隔离氧，使氧的质量分数在０．０５％以下。
３ 应用
３．１ ＥＢ固化光油
ＥＢ固化光油与ＵＶ固化光油相比，ＥＢ固化光
油所具有的优点多多，总结起来，为“三高三低”。
３．１．１ 更高的环保
ＥＢ光油不含挥发性有机物（ＶＯＣ），而且由于
ＥＢ固化的能量更大，使涂层固化更为彻底，基本不
残留小分子单体，所以不管是光油还是固化后的涂
层，都更为环保，可以满足更高的环保要求。
３．１．２更高的性能
由于ＥＢ固化的能量更大，使涂层固化更为彻
底，所以涂层具有更高的耐磨性，耐划伤性，耐溶剂
性等物理化学性能。同时由于不含光引发剂等小分
子物质，所以涂层亦具有优异的耐黄变性，以及良好 的柔韧性。并且对于厚涂层和含颜料体系的涂层，
ＥＢ固化可以更大地凸现其优越性。
３．１．３更高的效率
由于ＥＢ固化的能量更大，所以可以获得更高
的固化速度，印刷速度可高达９１４．４ ｍ／ｍｉｎ。可以
大大地缩短交货期。
３．１．４更低的气味 由于ＥＢ固化的能量更大，使涂层固化得更为
彻底，基本不残留小分子单体，同时由于配方中不含
光引发剂，涂层中的迁移成分就少了很多，气味更
小，更适合食品、香烟、酒类等包装品的涂装。
３．１．５更低的成本
因ＥＢ光油不需要价格较高的光引发剂，所以
相对于ｕＶ光油成本较低。对于需要加昂贵光引发
剂的ｕＶ色漆／墨来说，成本更是可以大幅降低。
３．１．６更低的温度
ＥＢ照射不产生热量。ｕＶ照射因使用的ｕＶ灯
含有热源，会有热量产生。利用ＥＢ固化不产生热
量这一特点，就可以对ｕＶ印刷难以对付的热敏印
刷材料（热收缩膜、感热纸等）进行印刷和涂布加工
了。但由于ＥＢ固化设备价格较高，所以ＥＢ光油没
有得到广泛的应用。国内同行尚未涉足该领域。随
着ＥＢ固化设备价格的不断下降，如同ｕＶ光油的发 展历程一样，ＥＢ光油亦将会得到广泛的应用。
３．２ ＥＢ油墨
ＥＢ油墨的组成与一般油墨相似，主要有颜料、
联结料、辅助剂等物质。但因其靠电子束来实现油
墨的固化，所以在组成上特别是联结料的选择上有
特定的要求。由于ＥＢ油墨目前主要用于食品包装
印刷，对颜料的无毒性要求严格，限制了颜料的选用
范围。使用电子束固化油墨，具有节省大量能量，无
溶剂挥发，不污染环境，较小的固化空间，加工速度
快，产量高等优点，所以这项技术被大大推进和应
用。其实，ＥＢ油墨在包装印刷中最具有竞争力的一
点就是固化速度法而且彻底。
当然，ＥＢ油墨的另一优点宝是安全，无有害挥
发物。由于成分中不含溶剂，对环境、包装物没有污
染，所以在食品包装印刷领域应用前景广泛。ＥＢ油
墨能在各种承印物上印刷，其质量与ｕＶ油墨相似。
但是，与ｕＶ油墨相比，它产生的气味小得多，这使
她在食品包装领域更具竞争力。
另外，ＥＢ油墨具有网点扩大率小，良好的网点
复制效果和遮盖力，印迹亮度好，耐磨及耐化学侵
蚀，印刷成本低等优点。现在印刷行业中，紫外固化