2013-2014学年第一学期
功能高分子材料文献综述论文
学院：生物与化学工程学院
专业：10级应用化学
组员：李春林（105011440007）周玉龙（105011440008）
紫外光固化涂料的发展及应用
摘要：本文首先介绍了紫外光固化涂料的特点、固化机理，然后对紫外光固化涂料的发展现状与应用领域进行了详述，指出，未来紫外光固化涂料的研究和发展趋势。最后进行了紫外光固化涂料与传统涂料相比的优点分析。
关键词：紫外光固化涂料； 应用；发展趋势；优势
1 前言
紫外光固化涂料（UVCC）是一种节能和环境友好型涂料，是上世纪 60 年代末由德国拜耳公司开发的一种环保型节能涂料。该涂料在受到紫外光照射后发生光化学反应，使涂层快速聚合、交联而固化。紫外光固化涂料具有固化速度快、能耗少、环保等优点，广泛应用于各种生产领域。我国进入90年代后，随着邮电通讯、计算机、印刷和电子等行业的不断发展以及人民生活水平的不断提高，对UVCC产生了很大需求，引进了国外先进的紫外光固化设备、技术和材料，大大推动了国内UVCC的发展，现在已经初具规模。由于传统涂料的危害巨大，UVCC在以后的推广与应用具有广阔的前景。
2、紫外光固化涂料（UVCC）
光固化涂料由光活性齐聚体(低聚物)、活性稀释剂(单体) 、光引发剂和各类添加剂(颜 、填料 、消泡剂等)组成。其中低聚物是UV 固化涂料的基料树脂，作为骨架在整个体系中占有相当大的比例，对整个体系的性能 ，如硬度、柔韧性 、附着力、光学性能、耐久性及耐老化性能等起着决定性作用。
2.1 光活性齐聚体
光活性齐聚体都为含有C = C 不饱和双键的较低分子量树脂，主要有以下几种：（l）不饱和聚酯；（2）环氧丙烯酸酯；（3）聚氨酯丙烯酸酯；（4）聚酯丙烯酸酯；（5）多烯/硫醇体系；（6）聚醚丙烯酸酯；（7）水性丙烯酸酯；（8）阳离子树脂。目前应用最广泛的是前四种齐聚体。
2.2 活性稀释剂
光活性单体是一种功能型单体，其作用是调节UVCC的合适粘度，对粘度较大的齐聚体进行稀释，因此又叫稀释剂，它控制涂料固化交联密度，改善涂膜的物理、机械性能，参与固化成膜。光活性单体在结构上含有不饱和双键，如（甲基）丙稀酰基、乙烯基、烯丙基等。一般分为单官能度、双官能度和多官能度稀释剂，官能度愈大，固化速度愈快。
2.3 光引发剂
光引发剂是一类容易吸收紫外光能量产生活性自由基或活性离子基，进而引发涂料中不饱和基团聚合的物质。它主要分为两类：自由基型和阳离子型。阳离子型光引发剂价格较为昂贵，一般利用叔胺类光敏剂构成引发剂/光敏剂复合引发体系。目前使用较广的是自由基型光引发剂，常用的自由基型光引发剂有羰基化合物，如安息香、偶氮化合物，如偶氮二异丁腈等。
2.4 各类添加剂
加入UVCC的一些添加剂，主要用以改善涂料性能，增加紫外光敏感性，降低施工难度，是涂料不可缺少的组成部分。常用的助剂主要有光引发剂、阻聚剂、消泡剂、流平剂和光敏助剂等。
3、UVCC的优点
UVCC是一种高效节能环保型现代化涂料，具有许多优良的优点[1]：（a）、固化速度快，一般在0.1～10s之内；（b）、可涂装对热敏感基材（木材、 纸、纺织品、皮革）及热容量大的物质（厚金属 板、混凝土）；（c）、涂层性能优异，耐化学品；（d）、节能、环保。
4、UVCC的固化机理
紫外光照射UVCC以后，光引发剂吸收光辐射能后激发，其共价键断裂生成自由基[2]：
AB·→(hv)AB* （光引发剂吸收光能 量后成激发态）
AB*→A-+B· (形成游离基)
活性游离基撞击 UVCC 中的双链并与之 反应形成增长链：
A-+C=C→A-C-C· （引发聚合、链增长）
这一反应继续延伸，使活性稀释剂和齐聚物中的双键断开、相互交联形成膜。除了上述的正反应外，游离基的碰撞，也同时由激发态恢复到基态。反应的最终结果即固化成膜。
5、UVCC的发展现状与应用
5.1、UVCC的发展现状
紫外光固化涂料（UVCC）是上世纪60年代末由德国拜耳公司开发的一种环保型节能涂料；据有关资料报道[3]，从上世纪60年代末到80年代末，世界应用辐射固化技术（其中紫外光（UV）固化占90%以上）年平均增长率保持在15%以上，进入90年代以后，仍继续以每年12%的速度快速增长。我国是从上世纪70年代开始对UVCC的研究和开发，由于原材料和固化所需设备的限制导致其发展比较缓慢。进入90年代后，随着邮电通讯、计算机、印刷和电子行业不断发展及人民生活水平不断提高，对UVCC产生了很大需求，以及引进了国外先进的紫外固化技术、材料和设备，大大推动了我国UVCC的发展。据不完全统计，国内引进和国产带有紫外固化装置的竹木地板生产线和PVC装饰生产线各有200多条，印刷品紫外上光生产线400多条，其他各种不同类型的涂装生产线近百条[4]。
经过十多年的努力，国内UVCC产业链已初具规模，产品质量不断地提高，品种不断地增加，具有广阔的应用情景。
5.2、UVCC的应用
UVCC因其无污染、效率高等优点而广泛应用于建筑材料、体育用品、电子通讯、包装材料和汽车部件等不同领域。随着环境保护的要求日益提高，UVCC有望取代传统的交联固化涂料。
5.2.1、木器涂料
UVCC 中用量最大的是木器涂料，约占总量的 55%［5］；使用UVCC之后木地板有耐磨耐滑、具有高光泽等特点。
UV固化涂料用于加工胶合板、刨花板、木制地板等木器领域，已在工业发达国家广泛使用。木器涂料使用的光固化树脂主要包括不饱和聚酯、环氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯等。其中环氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯性能优异，是目前木器涂料较为常见的光固化齐聚体。丙烯酸酯类预聚物可制备多种高档木器面漆，能采用多种施工方法，具有优异的表面性能，已在木制地板以及平面木器的涂饰中得到广泛应用。
5.2.2、金属涂料
金属涂料既具有金属质感的涂料，多数需要对金属表面进行某种形式的预处理，改善表面状况，以利于提高涂层的附着力、增强对金属基材的防腐保护作用。
金属涂料主要应用于电器、机械、汽车等的装饰。紫外光固化涂料还可用于钢管的暂时性防锈，当使用碱液清洗钢管的表面时，不会影响钢管的后续表面处理。UV金属涂料在金属标牌装饰、金属饰板、铝合金门窗保护及钢管临时涂装保护等方面有较广泛的应用。
5.2.3、纸张涂料
这类涂料发展很快，一般称为光固化上光油，其作用主要包括：（a）增强外观效果，使之质感更加厚实丰满，色彩更加鲜艳明亮；（b）改善使用效能，延长使用寿命，提高产品耐水、耐磨性。
随着印刷业的飞速发展，对纸张上光油的要求越来越高。这些要求包括：油墨应完全固化，流平时间较短，应适应60m/min的生产速度，且柔韧性要好。UV上光是利用UV照射来固化上光涂料的方法，其在纸容器、商标、图片、杂志、包装材料等的表面上光与加工方面得到了广泛的应用。
5.2.4、塑料涂料
随着科技的发展，塑料制品已广泛应用于家电、汽车、建材、办公设备、电子通讯及医疗器械等各行各业，是国民经济和国防建设不可缺少的重要材料。但塑料在加工成型后常产生各种表面缺陷，因此，塑料的应用必须进行“二次加工”，用于聚苯乙烯、聚酯薄膜和有机玻璃等制品的普通塑料，UVCC将赋予耐磨擦、不易划伤和美观性。用于汽车部件、器械等金属化的工程塑料，如酚醛树脂制品、ABS塑料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)制品，UVCC将赋予高硬度、不易划伤、高光泽和美观等性能。
5.2.5、其他应用
紫外光固化涂料的应用是多方面的，如还出现了硅烷隔离涂料、皮革涂料和光盘涂料等，以及在电子元器件保型封装和信用卡、磁带、磁盘等方面的应用。并且人们还在不断开发新品种，开拓新的应用领域，并且欧洲把紫外光固化涂料应用于楼房阳台隔板复合材料，把多达12种颜色的紫外光固化涂料以低光泽装饰室外。要求这种涂料附着力强，耐候性佳，耐磨性高，抗学腐蚀，要有20年的质量保证[6]。
6、UVCC的研究和发展趋势
当今世界涂料发展潮流是向“5E”迈进，即提高涂膜质量（Exceiience of
finish）、方便施工（Easy of appiication）、节省资源（Economics）、节省能源（Energysaving）和适应环境（Ecoiogy ）. 涂料的研究应向水性化、高固体分化、高性能化和功能化方向发展，环境友好涂料（或称绿色涂料）是人们的共同期待 。
6.1、UV固化粉末涂料
紫外光固化粉末涂料相比于传统的粉末涂料具有很多得天独厚的优势，如熔融温度较低，固化速度快，对热稳定，且可以在紫外光固化前达到最佳熔融流平状态，保证漆膜理想的平整度，这就克服了粉末涂料易产生的“桔皮”现象。另外，其原料为高相对分子质量的树脂，避免了活性稀释剂的危害，而且收缩率低，对基材附着力高。目前，紫外光固化粉末涂料已经广泛应用于木制品、塑料制品、合金和预装配制品。UV固化粉末涂料主要由低聚体、光引剂、颜料等组成，其关键技术集中在对低聚物的研究上，随着紫外光固化粉末涂料专用树脂、光引发剂、添加剂及固化设备的不断开发应用，其必然具有广阔的发展前景[7]。
6.2、UV固化水性涂料
UV水性涂料体系的粘度不依赖于活性稀释单体，对环境的影响要小得多；水性体系使设备易于清洗；无毒，无刺激性，不燃烧，近几年来已发展成一种新的光固化体系。水性涂料主要分为水溶型、水分散型(主要指乳液分散体系，又可分为外乳化型和自乳化型)和水溶胶体分散型3大类。UV水性涂料广泛应用于诸如木器涂饰、印刷油墨、塑料清漆等领域，具有较广的发展前景[8]。
随着综合性能优良的齐聚物和活性稀释剂的不断使用，UVCC 的应用领域将日趋广泛。但还应看到UVCC的一些不足之处，例如：紫外光源问题， UVCC 多组分体系的表面性质、流变性和微观结构对涂料的附着力、表面光泽、施工难易、物理稳定 性以及固化膜质量的影响等问题。这些问题的解决将依赖UVCC技术进步。这同时也对UVCC今后的发展提出了具有挑战性的课题：一是开发低粘度、高固化速度的齐聚体，低毒性、高活性的单体以及更高效的光引发剂体系；二是开发多品种的紫外光固化体系，进一步发展水性涂料和粉末涂料。紫外光固化水性涂料和紫外光固化粉末涂料的开发应用，这将是今后UVCC的研究热点和发展趋势。
UVCC具有较多优点，但由于其配方中含有活性稀释单体，它们的存在无疑会对环境及人体健康构成危害。特别是一些活性单体在紫外光固化过程 中难以完全反应，残留单体具有可渗透性，可能影响固化产品的卫生安全指标和长期性能。紫外光固化技术的一个重要发展方向是以水代替活性稀释单体，以消除其所引起的污染和刺激气味等问题［9］。
紫外光固化粉末涂料主要由带有丙烯酸基的固体树脂等组成。虽然目前还不能完全解决对热敏感基质所造成的损害问题，但是它在熔融状态下是稳定的，在高温流平过程中完全不产生固化，不易发生因热所导致的聚合反应［10］。因此在挤出机中不会固化，室温贮存时也有很高的稳定性。此外，这类粉末涂料熔融温度较低，因此容易熔融和流平，可望从根本上解决传统粉末涂料所面临的技术难题[11]。
7、传统涂料与UVCC的对比
传统涂料用有机溶剂作为稀释剂，含有大量的挥发性有机化合物(VOC)，我国每年约有220万吨VOC排放到空气中，相当于13亿中国人连续16个小时吸入空气的总和，并以年均9%的速度递增
中海油常州涂料化工研究院总工程师钱伯容在介绍我国涂料工业的VOC危害、环保法规及标准现状时说，传统涂料对大气环境和人类健康都有很大的影响。