水性UV涂料的概述、优点及应用方向

一、水性UV涂料的概述

中文全称：水性聚氨酯紫外光固化涂料。UV就是紫外线(Ultra-VioletRay)的英文简称.工业用的UV波长以200nm到450nm为其应用范围。用UV来照射"UV照射可硬化的材料"而使它硬化的制程,我们称之为"UVCuringProcess".UV涂料可通过浸涂、淋涂、漆涂、旋涂，甚至真空涂等方法涂布后，再经紫外线光子照射而固化成膜。顾名思义，UV涂料的固化是和UV光的照射分不开的。这种技术起源于70年代的国际涂料市场，是一种全新的绿色技术。利用该技术生产的紫外光固化涂料，简称UV涂料。20世纪末，UV固化涂料开始流行于西方、日本等地，是一种代表时尚的涂料品种。最早应用于手机、DVD、随身听外壳的表面涂装处理，后来其应用领域现进一步扩展到化妆品、电视机及电脑等家用电器领域。

水性UV光固化涂料具有不含挥发性有机化合物（VOC），对环境污染小，固化速度快，节省能源、固化产物性能好、适合于高速自动化生产等优点。而传统涂料易挥发、固化速度慢，不利于环境保护。因此，水性UV涂料是传统涂料的主要替代品。

二、水性UV涂料的组成

水性紫外光(UV)涂料一般由齐聚物、光引发剂、稀释剂(水)和其他助剂组成。水性UV固化涂料不含单体，仅以水作稀释剂，因此基体树脂的结构决定光固化膜的基本性能。光引发剂对光固化过程起着重要作用，也影响着固化膜的最终性能。

三、水性UV涂料的制备

以55%-65%的丙烯酸酯乳液，1.0%-1.5%的光引发剂，10%-15%的填料，2.0%-3.0%的增稠剂，2%-5%的助剂用量，8%-10%的异丙醇，10%-15%的去离子水。制备时：先将水、异丙醇、三分之一的丙烯酸酯乳液加到搅拌釜中，然后加消泡剂、润湿剂、流平剂、分散剂及用水稀释的增稠剂，调至适当黏度时，在高速搅拌下缓慢加粉料和滴加光引发剂，在1000r/min下高速分散30分钟以上，然后在600r/min下将剩余的乳液加入到釜中，加入剩余的增稠剂调节体系黏度。

四、水性UV涂料的固化原理

水性UV固化涂料的固化是在紫外光的照射下，光引发剂吸收辐射能后分裂成自由基，引发预聚物发生聚合、交联接枝反应，在很短的时间内固化成三维网状高分子聚合物，其典型的固化过程如下：光源光引发剂自由基不饱和单体及预聚物高分子固化膜。

五、水性UV涂料的优点

1、可以实现很薄的涂层，降低成本;

2、可以通过添加水和增稠剂来调节体系的流变性能和粘度;

3、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附着力;

4、不含挥发性有机物，不易燃、不易爆。特别适合喷涂;

5、涂布设备易于清洗，有利于保护环境，保护生态;

6、对于不耐有机溶剂的底材，能保证其稳固的附着力等。

六、水性UV涂料的应用

由于水性光固化涂料的优点突出，目前其主要应用于家具和木材的涂饰及电子产品上等。应用领域还在不断扩大，在丝网印刷油墨、凹版、柔性版、平版印刷油墨、抗蚀剂、木材涂料、塑料清漆、罩光清漆和胶粘剂等方面得到迅速发展.

七、水性UV涂料的不足

1、体系中存在水，光固化前，大多需进行干燥除水，而水的高蒸发热导致能耗增加，也使生产时间延长，生产效率下降；

2、水的高表面张力不易浸润基材，易引起涂布不均；对颜料润湿性差，影响分散；

3、固化膜的光泽度较低，耐水性和耐洗涤性较差；

4、水性UV涂料的原材料价格较贵，导致其最终价格也比较贵；

5、体系的稳定性较差，对pH较为敏感；

6、水的凝固点0℃较高，在运输和储存过程中需添力Ⅱ防冻剂；

7、水性体系容易滋生霉菌，需用防霉剂，使配方复杂化。

八、水性UV涂料今后的研究方向

1、开发不需要预加热，直接用紫外光固化的水性涂料

水性UV涂料在紫外光固化前，一般需要进烘烤，加速水分蒸发，即使是紫外光固化电泳涂料，也需要一个“闪蒸”的过程，以除去多余水分。这使水性涂料的整个固化过程冗长，能耗增大。

另外，紫外光固化水性涂料经过红外干燥后，光引发剂已经被固定在涂膜中，这时经过紫外光照射，近一步反应交联，会产生内应力，使涂膜性能变坏。最新的研究采用先光固化，再热固化的方法，使应力消散，制得热稳定性相对较高涂层。

然而，涂层本身是热的不良导体，聚合反应所放出的热量会使其温度升高，而且一般所用的紫外光源都有相当大量的红外辐射，完全可以利用这些热能使水分蒸发和反应固化同时进行．

一种方法，提高固含量，减少水分含量。艾照全等合成了固含72%的高固含低粘度的(PMMA/BA/AA)胶乳，相当于直接进入了成膜的中期。

第二种方法，引入超支化聚合物(Hyperbranchedpolymer)，使反应更加迅速，缩短固化成膜时间，超支化聚合物有破乳作用，破乳后水分和乳化剂会浮到树脂的表面，相当于加快了水分的蒸发。AnilaAsif等将水溶性的多官能团的超支状聚酯引入了聚氨酯丙烯酸酯乳化聚合物中，使树脂粘度降低，固化速率提高。对于形状复杂的工件，在紫外光直射不到的地方很难固化，目前研究的可双重固化紫外光固化水性涂料，由于树脂中需要同时加入两种引发剂(例如光引发剂和热引发剂)，使涂料配方的研制过于复杂。对于分子量超百万的乳胶，可以自然干燥或者加热固化成膜，相当于可以双重固化。

2、合成含有多官能团的高分子预聚体

传统的无溶剂型UV光固化涂料难于兼具高硬度和高柔韧性，与此相反，紫外光固化水性涂料可以使用高分子的水性分散体系，其粘度与高分子的相对分子质量无关，从根本上解决了光固化涂料高硬度与高柔韧性的矛盾。交联型乳液比不带官能团的乳液在耐水性、耐碱性、耐水煮、耐湿性等方面都有提高，反应型乳液与水溶性高分子组合并用制作涂料是工业涂料的一个方向。但是如何在分子量上百万的高分子乳液中引入多官能团，仍然有很多困难，因为高分子是被乳化剂包裹着的。JOHANODEBERG等初步合成了含不饱和官能团的乳胶大分子，使紫外光固化成膜时不需要加入其它多官能团单体。有关文献在乳液聚合过程中引入官能团，反应成膜后，得到具有交联结构的涂膜。如果能丌发出带有碳碳双键等官能团的乳化剂，使乳化剂也能参与反应，则更完美。

3、纳米颜料和填料的引入

UV紫外光固化涂料一般制成清漆，因为颜料和填料对紫外光有反射作用，使膜的深层固化受到阻碍，但是在有些情况下，颜色又是必须的，例如在紫外光固化的一个重要应用领域光纤涂料中，就需要用不同颜色的涂料标记光纤的种类。纳米级的颜料和填料对光的透过性一般比较好，应该有希望应用于紫外光固化水性涂料中。艾照全等研究了在胶乳合成中引入纳米二氧化钛。陈士昆等叫将纳米碳化硅引入紫外光固化树脂，纳米材料和基体树脂之间存在相互作用力并且均匀分散在基体树脂中。纳米复合树脂与基体树脂相比较，物理性能变好。

4、醇溶性紫外光固化涂料

完全以乙醇代替水作溶剂的UV紫外光固化涂料，多数情况下，乙醇是作为助溶剂，汪存东等使用了水/乙醇(体积比80：20)的混合溶剂，结果使紫外光固化环氧一丙烯酸酯膜的柔韧性得到很大的改善，而对其它的性能影响较小。由于水溶性紫外光固化涂料制备过程中需要进行水性树脂的制备，而无溶剂型紫外光固化涂料分子量不可能制备得太高(一般认为，分子量10万以上，就已经是固体了)。醇溶性紫外光固化涂料综合了两者的优点，而且乙醇作溶剂本身也很环保，由于乙醇表面张力比水小，对基材的润湿性较强，对基材上的油污有溶解作用，所以能得到附着力较好的涂膜。