UV塑料涂料的性能及影響因素

1、UV塑料涂料的性能及影響因素紫外光（UV）固化技術(shù)是利用紫外或可見光作為能源，引發(fā)具有化學(xué)反應(yīng)活性的液態(tài)配方快速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的一種技術(shù)。UV固化技術(shù)已在我國(guó)得到廣泛的重視，并且在各類基材上，如特別是在木器、紙張、塑料和金屬等基材上獲得普遍的應(yīng)用。目前，塑料的UV涂料是繼UV木器涂料和UV紙張涂料之后，在我國(guó)得到最廣泛的研究。各種塑料基材在很多日常生活和工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，ABS、PS、PMMA、PP和PC等塑料基材大量應(yīng)用于摩托車、汽車、手機(jī)、家電等零部件。許多包裝材料和標(biāo)簽都大量使用了PE、PP、PET等塑料基材。在一些高檔應(yīng)用上，特種工程塑料如PA、PBT，復(fù)合材料如BMC、UP樹脂

2、、三聚氰胺樹脂，都得到應(yīng)用。在這些塑料基材的不同應(yīng)用上，應(yīng)運(yùn)了許多UV固化涂料的需求。這不僅給UV產(chǎn)業(yè)提供了發(fā)展機(jī)會(huì)，也對(duì)UV的配方工程師們帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文將著重討論UV固化涂料的性質(zhì)及其影響因素，以期對(duì)塑料基材的UV固化涂料的開發(fā)作些探討。一、附著力對(duì)任何UV涂料的應(yīng)用，附著力都是最基本也是最重要的要求。對(duì)塑料基材而言，其表面性質(zhì)的差別直接影響到UV涂料的附著力。一般需要考慮到這些塑料基材的性質(zhì)有：極性大小、有無結(jié)晶性、熱塑性或者熱固性以及表面張力高低等性質(zhì)。從UV涂料配方的考慮，一般有三種因素可以提高對(duì)塑料基材的附著力。一是，降低液體涂料的表面張力，提高液體涂料對(duì)基材的潤(rùn)濕作用；二是

3、，降低UV涂料的固化收縮率；三是，對(duì)塑料基材適當(dāng)?shù)那治g（咬底）作用。不管對(duì)哪種塑料基材，涂料對(duì)基材的良好潤(rùn)濕作用是產(chǎn)生良好附著力的前提，特別是對(duì)于只有物理相互作用的體系更是如此。液體配方對(duì)基材的潤(rùn)濕好壞由兩方面因素決定：一是液體配方和基材之間的界面張力，液體表面張力必須小于等于基材的表面張力才能獲得良好的潤(rùn)濕，另一是配方的粘度也會(huì)影響到潤(rùn)濕的效果。表1列舉了一些低表面張力值的單體。大多數(shù)塑料的表面張力值在3250之間，因此這些低表面張力的單體可以提高對(duì)塑料基材的潤(rùn)濕作用。表1：一些UV單體的表面張力值產(chǎn)品名稱產(chǎn)品代號(hào)表面張力表3:一些可以對(duì)塑料溶脹作用的單體列表烷氧化新戊二醇二丙烯酸酯丙烯酸異

4、冰片酯丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯（乙氧基乙氧基）乙基丙烯酸酯三羥甲基丙烷縮甲醛丙烯酸酯降低UV涂料的固化收縮率，主要是通過選擇合適的樹脂和單體以及控制其比例，此外，固化的反應(yīng)程度也是一個(gè)影響因素。一般來說，單位體積的雙鍵密度越小，收縮率越小。因此，單官能單體比雙官能單體的收縮率小，雙官能單體比多官能單體的收縮率小，乙氧化和丙氧化的單體比非改性的單體的收縮率小，UV樹脂的收縮率比單體的收縮率小。但是，在實(shí)際的UV固化過程中，固化收縮率是個(gè)復(fù)雜的、難以預(yù)測(cè)的指標(biāo)，例如通過表2列舉的一些多官能單體的收縮率數(shù)據(jù)，可以說明雙鍵轉(zhuǎn)化率、理論收縮率和實(shí)際收縮率的差別。因此要獲得一個(gè)UV固化體系的體積收縮率，最

5、好進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)來測(cè)試。表2：?jiǎn)误w的雙鍵轉(zhuǎn)化率與理論收縮率和實(shí)際收縮率的關(guān)系樣品%轉(zhuǎn)化率下的理論收縮率實(shí)測(cè)的雙鍵轉(zhuǎn)化率該轉(zhuǎn)化率下的理論收縮率該轉(zhuǎn)化率下的實(shí)測(cè)收縮率要提高對(duì)塑料基材適當(dāng)?shù)那治g（咬底）作用,就要區(qū)分塑料基材的性質(zhì)。某些塑料基材如聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）,會(huì)受到溶劑或者某些單體的物理侵蝕作用，這些單體對(duì)塑料基材有溶漲作用，因而產(chǎn)生很好的附著力。固化以后漆膜和基材之間形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此附著力特別好。表3中列舉了一些可以對(duì)塑料溶脹作用的單體。從表中可以看出SR23&SR256,SR285具有最好的溶漲作用，因此對(duì)提高與塑料基材的附著力尤為有效。產(chǎn)品代號(hào)產(chǎn)

6、品名稱產(chǎn)品性質(zhì)可溶脹的塑料己二醇二丙烯酸酯快速固化、低揮發(fā)性、疏水主鏈（乙氧基乙氧基）乙基丙烯酸酯微溶于水、高活性稀釋單體四氫咲喃丙烯酸酯含有四氫咲喃環(huán)狀結(jié)構(gòu)、對(duì)大多數(shù)底材具有良好的附著力二縮三丙二醇二丙烯酸酯低揮發(fā)性、低粘度丙烯酸月桂酯疏水性脂肪族長(zhǎng)主鏈苯氧基乙基丙烯酸酯低揮發(fā)性、良好的耐化學(xué)性、耐水性聚乙二醇二丙烯酸酯低皮膚刺激性、可溶于水丙烯酸異癸酯疏水性脂肪族長(zhǎng)主鏈、低收縮、耐候性丙烯酸十三烷基酯低氣味、低收縮、咼沖擊強(qiáng)度、良好的耐水性丙烯酸異冰片酯耐候性、低收縮、耐水性、耐化學(xué)品性丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯低粘度、低皮膚刺激性烷氧化脂肪族二丙烯酸酯快速固化反應(yīng)、低粘度、低皮膚刺激性對(duì)一

7、些不能溶漲的基材，如聚乙烯、聚丙烯和某些PET聚酯，提高對(duì)這類基材的附著力必須通過提高潤(rùn)濕作用和采用特殊結(jié)構(gòu)的UV樹脂和單體來實(shí)現(xiàn)。表4中列舉了幾支特殊的UV樹脂，這類樹脂對(duì)PE、PP或者PET等特殊塑料基材提供良好附著力。表4.對(duì)難附著的塑料基材有附著促進(jìn)作用的低聚物產(chǎn)品代號(hào)產(chǎn)品名稱產(chǎn)品性質(zhì)和特點(diǎn)丙烯酸酯化的聚酯樹脂柔軟性好、對(duì)各種塑料基材良好的粘結(jié)力，尤其對(duì)難附著基材的附著力有幫助脂肪族聚氨酯丙烯酸酯齊聚體高分子量，斷裂伸長(zhǎng)率極高，對(duì)塑料良好的粘結(jié)力二、力學(xué)性質(zhì)（如柔軟性、硬度、耐磨性、耐刮性等性能）UV涂膜的性質(zhì)影響到UV涂料的最終性質(zhì)和對(duì)基材的保護(hù)。通過了解UV樹脂和UV單體的基本性質(zhì)

8、，可以指導(dǎo)對(duì)配方的設(shè)計(jì)。例如，有些公司提供UV樹脂的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)出不同的漆膜柔軟性、彈性、韌性和剛性等性質(zhì)。表5列舉了一些聚氨酯丙烯酸酯低聚體的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的數(shù)據(jù)。表5：聚氨酯丙烯酸酯低聚體的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率產(chǎn)品代號(hào)拉伸強(qiáng)度（）斷裂伸長(zhǎng)率CN968110001CN901067002CN963B8074504CN98384004CN985B8876605CN944B85300048CN9788515052CN929200062CN964330098CN9652216104CN973H85153122CN9591300125CN9963100137

9、CN90014100143CN98934200160CN966J75428238CN97821100250UV涂料的硬度，主要取決于基材和UV涂層的性質(zhì)。對(duì)于UV涂層而言，通過提高漆膜的交聯(lián)密度，增加剛性基團(tuán)，甚至是加入一些剛性的無機(jī)填料，是提高硬度的主要方法。UV涂料的耐刮性質(zhì)和硬度有很大的關(guān)系，耐刮性質(zhì)主要指的是漆膜抵抗外界堅(jiān)硬物質(zhì)破壞的能力，因此表面硬度高的UV涂料具有更好的耐刮性能。表6列舉了一些UV樹脂和單體的耐0000#鋼絲絨的性能和硬度的關(guān)系。從表中可以看出，剛性結(jié)構(gòu)的二官能聚氨酯丙烯酸酯和多官能的樹脂和單體都可以達(dá)到較好的耐刮性。表6：UV樹脂和單體的結(jié)構(gòu)特征與硬度和耐刮性能的

10、關(guān)系產(chǎn)品代號(hào)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征在鋁板上測(cè)試的硬度0000#鋼絲絨來回測(cè)試10次CN983二官能，剛性結(jié)構(gòu)的聚氨酯丙烯酸酯6H4次時(shí)出現(xiàn)痕跡CN985二官能，剛性結(jié)構(gòu)的聚氨酯丙烯酸酯7H10次時(shí)無痕跡CN133三官能，低粘度的環(huán)氧丙烯酸酯7H10次時(shí)無痕跡CN2303六官能，超支化聚酯丙烯酸酯8H10次時(shí)無痕跡CN9006六官能，聚氨酯丙烯酸酯9H10次時(shí)無痕跡SR368三官能，剛性結(jié)構(gòu)的單體8H10次時(shí)無痕跡SR295四官能的單體9H10次時(shí)無痕跡SR399六官能的單體9H10次時(shí)無痕跡UV涂料的耐磨性質(zhì)關(guān)系到UV涂膜對(duì)塑料基材的保護(hù)效果。耐磨和耐刮是兩個(gè)既聯(lián)系又不相同的性質(zhì)指標(biāo)。有些應(yīng)用場(chǎng)合，如U

11、V手機(jī)涂料和一些高檔的電子產(chǎn)品的UV涂料，對(duì)耐磨性質(zhì)的要求比較高。比如采用175克力的RCA磨耗儀測(cè)試，要求達(dá)到350次以上，對(duì)于這類應(yīng)用，采用高官能的聚氨酯丙烯酸酯和高官能的單體搭配作為UV樹脂的主體，是解決耐磨性的最有效方法。三、化學(xué)性質(zhì)（如耐水性、耐酸、耐堿、耐化學(xué)試劑）UV樹脂和單體作為UV涂料的主要成膜物質(zhì)，對(duì)UV涂料的化學(xué)性質(zhì)有重要的影響。通過增加疏水性基團(tuán)和減少親水性基團(tuán)可以提高耐水性質(zhì)。比如，己二醇二丙烯酸酯單體（SR238）相對(duì)于三丙二醇二丙烯酸酯單體（SR306）具有更好的疏水性結(jié)構(gòu)，因此具有更好的耐水性。乙氧化或者丙氧化改性的單體和未改性的相應(yīng)單體比較，未改性的單體具有更

12、好的耐水性。特殊的疏水性主鏈對(duì)提高耐酸和耐堿的性質(zhì)也非常有幫助，比如，CN307是一種聚丁二烯主鏈的UV低聚體，由于聚丁二烯的主鏈結(jié)構(gòu)，決定了這類物質(zhì)具有很好的耐酸、耐堿和耐水性能。對(duì)于耐有機(jī)溶劑，則要考慮到溶劑本身的溶解性和極性，因此對(duì)UV樹脂和單體的結(jié)構(gòu)提出不同的要求。無論對(duì)哪項(xiàng)耐化學(xué)性質(zhì)，通過增加UV反應(yīng)體系的交聯(lián)密度都是提高UV涂層耐化學(xué)性質(zhì)的有效辦法。四、耐候性質(zhì)UV涂料的耐候性質(zhì)，一般指的是UV涂料在使用過程中，抵抗大自然的紫外線、熱、水、氧氣以及化學(xué)物質(zhì)的破壞的作用。常見的測(cè)試指標(biāo)有漆膜光澤的變化、漆膜顏色的變化以及漆膜力學(xué)性能的變化。對(duì)于常見的各種UV低聚體，如環(huán)氧丙烯酸酯、聚

13、酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯，以脂肪族的聚氨酯丙烯酸酯的耐候性最好。因此對(duì)聚氨酯丙烯酸酯的研究最多。聚氨酯丙烯酸酯按照主鏈結(jié)構(gòu)可以分為脂肪族主鏈和芳香族主鏈，又可以分為聚酯主鏈和聚醚主鏈。脂肪族結(jié)構(gòu)比芳香族結(jié)構(gòu)具有更好的耐黃變性質(zhì)。對(duì)于聚酯主鏈和聚醚主鏈，由于聚醚結(jié)構(gòu)更容易受到氧氣的降解作用，因此聚酯主鏈比聚醚主鏈的聚氨酯丙烯酸低聚體具有更好的耐黃變性質(zhì)。此外，還有一類特殊結(jié)構(gòu)的聚氨酯丙烯酸酯低聚體，例如沙多瑪公司的牌號(hào)CN9001和PR030027的產(chǎn)品，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且耐候性十分優(yōu)越。該UV樹脂的固化涂層在美國(guó)的佛羅里達(dá)州進(jìn)行曝光測(cè)試，經(jīng)過四年測(cè)試后，黃變指數(shù)仍然很低，只有0.7左右的數(shù)值。因此，UV樹脂和單體的結(jié)構(gòu)是影響UV固化涂層的主要因素。當(dāng)然通過加入紫外線吸收劑和穩(wěn)定劑，也是提高UV涂層耐候性的行之有效的方法。小結(jié)：本文通過分析UV塑料涂料的性能要求及其影響因素，試圖說明UV塑料涂料的性能與UV低聚體及單體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。從本質(zhì)上說，任何UV涂料性能都是由該涂料組成物的結(jié)構(gòu)決定的，此外，UV涂料和基材的界