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金屬用紫外光固化涂料的研發,針對紫外光固化涂料存在與金屬基材附著力差的問題
2019年08月10日    閱讀量:231    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

0 引言

UV(紫外光)光固化涂料與傳統的熱固化或自干涂料相比,具有固化快(幾秒鐘)、污染少、節能及適合流水線生產等優點,已廣泛應用于各個領域[1]。隨著各種光固化涂料的開發應用,化工工程師們發現,UV 光固化涂料配方設計的關鍵問題之一便是如何提高涂膜與各種基材之間的附著力,其中尤以對金屬基材的附著較為困難。

這是因為:一方面光固化涂料固化速度快,而且丙烯酸酯類單體聚合時體積收縮過大,使得固化時漆膜產生的內應力來不及釋放;另一方面金屬基材與涂料之間物理化學作用的形成較為困難,沒有非金屬基材容易涂料在線coatingol.com

通常情況下,通過添加各種助劑來改善涂膜與基材之間的附著力,但對于比較特殊的金屬基材(如鋁、銅、鋅、不銹鋼等)來說,則需要綜合考慮影響附著力的各種因素。為了克服現今技術存在的不足,本文考察了預聚體、活性稀釋劑、附著力促進劑、固化工藝及預處理等因素對涂膜在金屬基材上附著力的影響,研發了一種紫外光固化金屬涂料,具有成本低廉,施工工藝簡便,涂膜干燥速度快,能源消耗少,生產效率高等特點。


1 實驗部分

1.1 原材料

功能單體( 活性稀釋劑):異癸基丙烯酸酯(ISODA)、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMP3EOTA),宜興宏輝化工有限公司;聚丙烯酸酯:聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、聚酯丙烯酸酯(PEA)或它們的混合物,廣州江門國美化工;環氧丙烯酸酯樹脂,江門科田化工;助劑:Tego 920,Degussa 公司;BYK 310,畢克公司;AFCONA-S27,埃夫科納公司;KH-550,青島海大化工;229,臺灣德謙公司;Silok 621S,廣州Silok 化學有限公司;填料:TP-1250,廣西桂華公司;光引發劑:TUNTECURE 1103、TUNTECURE1107、TUNTECURE 1104,常州華鈦公司。

1.2 儀器

UV-102 型光固化機,奧詩曼科技發展有限公司;UV-INTEGRATOR 型UV 能量計,德國;NDJ-1旋轉黏度計,上海森地科學儀器設備有限公司;雙輥式UV 輥涂機,勤誠輥涂機械設備廠;SFJ-400C分散機,上海現代環境工程技術有限公司;四燈光固化機,耐美特工業設備有限公司;附著力測試儀,北京斯創爾建筑測試技術開發有限公司。

1.3 涂料配方

涂料基礎配方見表1。

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涂料基礎配方

涂裝工藝:用輥涂機直接在金屬基材上輥涂,輥涂膜厚控制在40 μm 左右。

固化條件:2 盞中壓汞燈,120 mJ/m2 能量,傳送帶速度40 m/min。

1.4 附著力和耐黃變性測試

1.4.1 附著力測試

待涂膜固化至指觸干后,按照GB/T 9286—88 標準測試附著力。

1.4.2 耐黃變性測試

光固化機開3 盞中壓汞燈,傳送帶速度調至35 m/min,涂膜紙刮卡100 μm 涂膜厚度,通過光固化機,目測漆膜顏色變化程度。


2 結果與討論

2.1 UV 樹脂的選擇

UV 涂料常用樹脂的性能指標見表2。

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UV 涂料常用樹脂的性能指標

聚氨酯丙烯酸酯(PUA)的分子中含有丙烯酸官能團和氨基甲酸酯鍵,固化后的涂膜具有聚氨酯的高耐磨性、黏附力、柔韌性、高剝離強度和優良的耐低溫性能,以及聚丙烯酸酯卓越的光學性能和耐候性,是一種綜合性能優良的輻射固化材料。

聚酯丙烯酸酯(PEA)的分子中含有丙烯酸官能團和酯類單體官能團,固化速度快、柔韌性佳、附著力佳、收縮性低 、黏度低、酸價低、氣味小。

環氧丙烯酸酯樹脂(EA)具有環氧樹脂的優良特性,尤其固化性和成型性方面更為出色,不象環氧樹脂那樣繁瑣,是一種熱固化樹脂。它具有優異的耐水性、耐熱水性、耐化學品、黏結性和柔韌性。選用脂肪族聚氨酯丙烯酸酯樹脂PUA-1、芳香族聚氨酯丙烯酸酯樹脂PUA-2、聚酯丙烯酸酯樹脂PEA、聚氨酯丙烯酸酯與聚酯丙烯酸酯的混合物PUA/PEA ;環氧丙烯酸酯EA-1、酚醛環氧丙烯酸酯EA-2,其在鋁基材上的耐黃變性與附著力測試結果如圖1 所示。

不同種類樹脂在鋁基材上的耐黃變性與附著力

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由圖1 可見:酚醛環氧丙烯酸酯樹脂(EA-2)、聚酯丙烯酸酯樹脂(PEA)對鋁基材有更好的附著力,且耐黃變性優良;聚酯丙烯酸酯剛固化時附著力較好,冷卻后附著力稍變差,主要是因為聚酯類樹脂固化收縮率大,冷卻后內應力集中,導致附著力下降。經實驗測試及成本評估,選定酚醛環氧丙烯酸酯樹脂、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯樹脂、聚酯丙烯酸酯樹脂拼用,在保證涂膜高附著力的情況下,又使其有優良的耐黃變性,且平衡了體系成本。

2.2 UV 功能單體的選擇

UV 涂料常用功能單體的性能指標見表3。

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UV 涂料常用功能單體的性能指標

功能單體的相對分子質量、體積收縮率、對基材滲透侵蝕能力、官能度等性質都直接影響涂料對基材的附著力,其關聯一般情況如表4 所示。

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表4 單體性能變化與涂膜性能關聯度的一般規律

當涂料中其它組分固定不變時,選用收縮率較小、官能度低的功能單體有利于提高涂膜對基材的附著力。僅從提高附著力角度來說,應選用烷氧化甲基丙烯酸酯類單體。但是僅考慮收縮率是不夠的,從某種意義上講,我們應該重視涂膜與金屬基材之間的各種物理、化學作用,而這些作用的形成與單體本身的結構及滲透力密不可分[2]。機械咬合作用越強,附著力越好。表5 列出了幾種常用金屬基材上較容易滲透的單體。

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表 5 幾種常用金屬基材上較易滲透的單體

此外,單體本身具有特殊官能團(如羥基、羧基),也能夠提高涂膜與基材的附著力。實驗證明,含有羥基的丙烯酸酯類比不含羥基的丙烯酸酯類更易于附著于基材上。對于給定的配方體系,只有當組成的各個單體含量達到一定程度后,才能產生最佳的附著力[2]。綜合以上因素,最后選用TMPTA、NPGDA、ISODA、TM3EOTA 作為此涂料的功能單體。

圖2 是幾種單體的用量變化對漆膜附著力的影響。由圖2 可見:當單體用量達到某個臨界點時,附著力最佳;繼續增加單體用量會由于樹脂含量相對減少而影響附著力[2]。

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單體用量與附著力的關系

2.3 附著力促進劑的選擇及用量

附著力促進劑能起到連接基材和涂層的橋梁作用,俗稱“分子橋”[2]。由于UV 光固化涂料固化速度快,因此某些附著力促進劑分子往往來不及遷移到基材表面,從而失去增強附著力的作用,因此對促進劑的選擇尤為苛刻。曾有人提出[3],涂料涂覆前專門涂覆一層附著力促進劑,可大大增強附著力,這個方法雖然有效,但是工藝繁瑣,不適合工業化生產。本涂料選用的附著力促進劑是一種硅烷化合物,能夠有效提高涂膜對基材(玻璃、金屬、陶瓷等)的附著力。其用量對附著力的影響見圖3。由圖3 可見:附著力促進劑用量為3% 時,附著力最佳;過量,反而會起到副作用。

附著力促進劑用量對附著力的影響

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2.4 施工工藝對涂膜附著力和黃變性的影響

本涂料施工工藝是輥涂,所用的涂裝和固化設備是雙輥式UV 輥涂機和四燈UV 光固化機,對附著力起影響的主要是涂裝時要控制涂覆量(即涂膜厚度的調節)和固化速度(即光固化機能量大小的調節)。涂膜厚度和固化速度與附著力的關系分別見圖4 和圖5。

涂膜厚度與附著力的關系

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固化速度與附著力的關系

經過反復實驗后,最終確定單次涂膜厚度在20~30 μm(如用作底漆,可多次重涂增加厚度),固化能量控制在160 mJ/m2 時,涂膜附著力最佳,此時涂膜的黃變性亦最小。

2.5 光引發劑對涂膜黃變性的影響

影響涂膜黃變性的因素主要是樹脂、光引發劑的選擇,以及固化能量的大小。對于樹脂的選擇在2.1 中已經作過介紹,在此主要討論光引發劑的選擇。UV 光固化涂料常用的光引發劑大致分為兩大類:一類是自由基型光引發劑,另一類是陽離子型光引發劑。自由基型光引發劑又可分為裂解型和奪氫型光引發劑,在此采用自由基型光引發劑,如1173、1103、184、BP、1056、TPO 等,不同光引發劑對涂膜耐黃變性的影響如圖6 所示。

不同光引發劑對涂膜耐黃變性的影響

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我們選用1103 與1056 混合光引發劑,可有效提高涂膜的耐黃變性,同時控制好涂料的制作成本。

2.6 基材預處理對附著力的影響

經過預處理(如用溶劑擦拭、機械打磨或化學腐蝕等方法)的基材與未經過預處理的基材進行橫向比較。相比之下,經過預處理的基材與涂膜之間的附著力會有一定程度的增強。


3 結語

在現今涂料行業中,UV 涂料已經占有重要地位,特別是其環保、低耗的特性已成為現代社會發展的主流因素,因此,我們所開發的UV 涂料產品市場前景非常廣闊。


金屬用紫外光固化涂料的研發

鐘荊祥 程紹楠 王鵬 胡中源 ( 青島富臣化工有限公司,266706)


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