紫外光固化竹木亚光涂料的研制
朱安峰,单步顺
(淮阴师范学院化学系,江苏淮安 223300)
摘 要:研究了齐聚物、消光剂、光引发剂和活性稀释剂的种类及含量,对紫外光(UV)固
木亚光涂料的固化速度、光泽度和硬度的影响.通过对大量实验的分析和探讨,得出了最
料配方,为竹木亚光涂料的应用提供了理论与实践基础.
关键词:紫外光固化;涂料;消光剂
中图分类号:TQ63 文献标识码:A 文章编号:1671-6876(2006)02-0146-05
0 引言
紫外光(UV)固化是指以齐聚物为基础,加入特定的活性稀释剂、光引发剂和助剂,在UV辐射下,光引发剂吸收能量后,激变成活性中心自由基或离子,从而引发体系中含不饱和双键或环氧基物质发生反应,通过聚合、嫁接和交联形成固化膜[1, 2].20世纪60年代,UV固化材料正式投入工业化,因固化速度快、节省能源、污染少、性能优异、设备体积小、投资低、等优点,它是一种全新的具有“4E”(Economy、Efficiency、Ecology、Energy)“绿色技术”,代表了世界固化技术的发展方向,越来越受到人们的重视[3,4].
由于其独特的应用优势,辐射固化材料被迅速推广和运用到电子信息、机械制造、金属防腐等各个行业和领域,被誉为全新的环保新材料.据德国赫丝公司预测,到2010年世界范围内UV固化涂料的产量将达到整个涂料行业总产量的50%以上,并且UV涂料这种环保新材料在30年内会保持优势,可见UV涂料的市场空间极其巨大.高光泽的紫外光固化涂料,已经成功地应用于木器家具、电冰箱、摩托车零部件上,国内已经形成一定的生产规模[5,6].然而随着人们生活水平的提高,消费趋于追求个性化、休闲化,高光涂料一统市场已逐步向高、平、亚三分市场过渡,特别是全亚光型竹木地板给人以高雅、舒适的环境,市场需求量呈上升趋势.亚光装饰的产品越来越受到人们的喜爱.制备亚光涂料最通常的方法是在涂料中添加消光粉,当涂料随着涂料干燥收缩成膜时,消光粉粒子突出涂膜表面,使涂膜产生均匀的粗糙度.当光照射到具有
一定粗糙度的涂膜表面时,会造成光的散射,从而达到消光的目的[7].
1 材料与方法
1·1 主要原料与试剂
PEA400(聚酯丙烯酸UV树脂)、UA315(脂肪酸改性丙烯酸聚氨酯UV树脂),陕西金岭光固化材料股份有限公司;CN964、CN104,美国Sartomer公司;二缩三丙二醇二丙烯酸(TPGDA)、1,6-已二醇二丙烯酸酯(HDDA)和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA),天津天骄集团化工有限公司;消光粉,Crosfield公司;光引发剂1101(EDAB)、1105(ITX),常州华钛化学品有限公司;三乙醇胺、二苯甲酮(BP),上海市海星技术开发公司.
1·2 仪器与设备
紫外光固化机,UV-125A型,北京埃士博印刷新技术发展中心;数显光泽度计WGG60型、PPH-I型铅笔硬度计、QFH型漆膜划格器、XB-15型线棒涂布器,JM-IV型磨耗仪,上海现代环境工程技术研究所;高剪切乳化分散机,100LX型,上海威宇机械电子有限公司.
1·3 固化膜的制备
将一块光滑、洁净的毛玻璃或马口铁平板放在实验台上,倾滴配制好的涂料,选择合适的线棒涂布棒平放与涂料的前方,以150mm/s的速度匀速滑行,即涂布成需要厚度的均匀液膜;后在紫外光下反复照射,直至完全固化.若需要自由膜,则在涂覆前在玻璃板上擦一层脱膜剂.
1·4 检测方法
1)光泽度测试:按GB 1743-89漆膜光泽度测定法测定涂膜的光泽度.本实验中采用的按60°光泽度仪测量的结果;
2)固化时间:本实验采用吹棉球法在漆膜表面上轻轻放上一个脱脂棉球,用嘴距棉球10~15 cm,沿水平方向轻吹棉球如能吹走,膜面不留有棉丝,即认为表面干燥;
3)铅笔硬度:按GB 6739-86法测定;
4)耐磨性:按GB 1768-89法测定.
2 结果与讨论
本文主要研究的是亚光涂料,所以在实验过程中把消光性能作为主要考察目标.采用单因素水平法分别对齐聚物、活性稀释剂、消光粉和光引发剂对涂料性能的影响进行了试验研究.
2.1 齐聚物对漆膜光泽度的影响
齐聚物是涂料的主要成分,它是涂料和涂膜性能的主要影响因素.在传统的热固化涂料体系
中,极易消光的树脂,如硝基纤维素、丁醇醚化的三聚氰胺树脂等,由这些树脂组成的涂料也不难消光.而有些树脂本身不易消光,例如PU涂料,尤其是饱和聚酯、聚氨酯,还有分子量较大的多元醇的聚氨酯涂料.采用两种树脂复配,将有助于提高消光粉的消光效果,减少消光粉的用量.
由表1可以看出不同种类树脂对漆膜光泽度有不同的影响:1)环氧丙烯酸树脂存在共轭体系,摩尔折光度大,固化时难以形成凸凹不平的表面,适用于高光涂料;2)不饱和聚酯类的紫外光固化涂料的消光较容易,因为不饱和聚酯中一般都含有少量的挥发性溶剂,固化时产生漆膜的收缩;
3)聚氨酯丙烯酸酯最容易消光,这主要由两个原因引起:一是聚氨酯丙烯酸酯本身光泽低;二是丙烯酸聚氨酯的固化速度慢,消光粉粒子有足够的时间上升到漆膜表面,固化时有更多的粒子突出漆膜表面,因此光泽较低.
由以上分析可得齐聚物的消光能力:丙烯酸聚氨酯>不饱和聚酯丙烯酸酯>环氧丙烯酸酯.
2·2 活性稀释剂对漆膜光泽度的影响
活性稀释剂也是涂料的主要成分,对光泽度有一定的影响.活性稀释剂中以丙烯酸单酯单价最低、固化速度慢,有利于光泽降低.丙烯酸三酯固化速度快、硬度高、收缩率大,有利于漆膜光泽下降,加入量过多会引起漆膜变脆,因此用量要尽量少.HDDA、TPGDA和TMPTA对光泽度的影响,实验结果见表2和表3.
由表2可以看出,随着HDDA含量的增加,漆膜的光泽度迅速降低,这和HDDA本身分子结构有关,分子中没有大的刚性基团,摩尔折光度小,漆膜的光泽度就要低.为了得到光泽较低地消光涂料,应该在涂料中提高HDDA的用量.
从表3可以看出,随着TPGDA含量的降低和TMPTA含量的增大,漆膜的光泽度呈现先下降、后上升的趋势.光泽度先降低主要是因为TMPTA属于三官能团活性稀释剂,漆膜固化时产生较大的收缩,这种收缩可以赋予漆膜表面一定的粗糙度,降低光泽度.但是随着TMPTA百分含量的继续增加,固化速度也加快,收缩也加大,太快的固化速度会使漆膜表面层迅速固化成一层光滑平面,不利于消光粉粒子的突出,因此漆膜的光泽度增加.
活性稀释剂以HDDA对漆膜光泽度的影响最大,TPGDA和TMPTA对光泽度也有一定的影响.HDDA稀释能力强,TMPTA使涂料粘度增大,UV固化涂料要求具有一定的粘度,所以HDDA的用量不能过大.适宜选用以HDDA为主,根据对漆膜的具体要求,选择三者复配.
2·3 消光粉的影响
本文用了3种消光粉:UV70C、OK500、520L,分别对消光粉的种类和含量对消光性能的影响进行了考察,结果如表4和表5.
由表4可以看出,三种消光粉都能降低漆膜的光泽度,但降低的程度不同,UV70C的消光效果最好. OK500与520L的消光效果明显地较UV70C差,这主要是因为它的粒径较小,当涂料固化后不易突出漆膜表面,用OK500与520L要想达到较好的消光效果需要加大加入量.考虑到体系的粘度和实际生产中涂布、产品成本以及对漆膜性能的影响,在相同的条件下选用UV70C的效果最好.
2·4 光引发剂的影响
从表6、表7可知,光引发剂种类和含量是固化速度的主要影响因素,对涂膜的光泽度和硬度也有不同程度的影响.1号样品和2号样品光引发剂的加入量都较小,而漆膜的硬度比较高,主要是成膜物中小分子相对较少的原因.小分子含量较多时,将起到增塑剂的作用,漆膜硬度降低.M8300是一种丙烯酸酯化低活性胺,它也是成膜物的一部分,但涂膜的硬度并没有提高,可能是因为其固化较快,漆膜变脆.3号样品对于降低涂膜的光泽度有利,而且固化速度较快.BP的加入,使光引发剂的吸收波长向短波长偏移30~70 nm左右,EDAB和BP的协同作用,使其吸收光谱向短波长方向偏移,这种协同作用使固化速度加快.M8300的加入有利于克服氧的阻聚作用,促使表层先固化,导致涂膜光泽度度较高;而BP与M8300的协同作用,使内层与表层固化同时加快,降低了涂膜的光泽度.而EDAB与BP的协同作用,则使涂膜的光泽度降低的较多,同时固化加速.三乙醇胺与BP的协同作用使涂膜光泽度最低,实验结果显示贮存稳定性较差.所以本实验可以采用1173、EDAB和BP复配,既能得到性能优良的低光泽度涂膜,又能保持较快地固化速度.
2·5 优化配方及产品技术指标
综合上述分析,UV固化竹木亚光涂料的优化配方为:齐聚物(40%),单体(50%),光引发剂(5%),UV70C(5%).将涂料涂布在竹木地板上,在固化机上固化,涂膜性能测试结果为(检测项目/技术指标):外观/乳白色液体,粘度/180~260 MPa·s,光泽度/18·2,附着力/1级,硬度/4 H,固化速度/1~2 s.
由此可见,本文所研究的UV固化竹木亚光涂料具有较低地粘度和光泽度,较高地附着力,较高地硬度和较快地固化速度.
3 结论
1)不同种类树脂对光泽度的消光能力为:丙烯酸聚氨酯>不饱和聚酯丙烯酸酯>环氧丙烯酸酯.
采用树脂复配有助于提高消光粉的消光效果和减少消光粉的用量.
2)活性稀释剂以HDDA对漆膜光泽度的影响最大,TPGDA和TMPTA对光泽度也有一定的影响. 适宜选用以HDDA为主,根据对漆膜的具体要求,选择三者复配.
3)消光粉能降低漆膜的光泽度,但各降低的程度不同.本实验以5%的UV70C消光效果较好.
4)采用1173、EDAB和BP的光引发剂复配,既能得到较低的光泽度,又能保持优良的涂膜性能.
参考文献:
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[3] 霍尔曼R,奥尔德林P.印刷油墨、涂料、色漆紫外光和电子束固化配方[M].徐茂均,译.北京:原子能出版社,1994.
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