五金底材用UV固化涂料的配方设计

　　周荣华（深圳市天健涂料科技开发有限公司，518122）
　　
　　摘要：采用丙烯酸酯化的聚酯、二丙烯酸酯齐聚体、CAB551-0.01树脂为主要成膜物，以Irgacure184为光引发剂，研制成五金底材用UV固化涂料。讨论了预聚体结构、光引发剂及稀释剂等对涂层性能的影响，以及五金底材用UV固化涂料常见问题的解决。所配制涂料的综合性能良好，具有广阔的应用前景。
　　
　　关键词：紫外光固化涂料；配方设计；五金底材
　　
　　0引言
　　
　　紫外光固化涂料以高能量的紫外光为涂料固化的能源，通过光引发剂吸收紫外光，产生活性自由基，进而引发可光固化的树脂发生一系列聚合反应，使涂膜固化。其固化速度快、能量利用率高、节省能源、涂料100%反应成膜、无溶剂挥发污染，是新一代环保型涂料。它具有高强度、高硬度、高耐磨性、高光泽、高耐溶剂性等性能，在许多表面涂装领域得到应用。本文以丙烯酸酯化的聚酯、二丙烯酸酯齐聚体、CAB551-0.01树脂为主要成膜物开发出可快速固化、综合性能优良的五金底材用UV固化涂料，并研究了预聚体结构、光引发剂及稀释剂等对涂层性能的影响，涂料广泛用于五金底材制品的表面涂装。
　　
　　1试验部分
　　
　　1.1原材料
　　
　　树脂：丙烯酸酯化的聚酯、二丙烯酸酯齐聚体、CAB551-0.01，国产；
　　
　　光引发剂：Irgacure184，国产；
　　
　　单体：三甲基丙烯酸酯单体、三官能度功能单体，国产；
　　
　　助剂：TegoRad2200，国产；
　　
　　溶剂：季戊四醇三丙烯酸酯、丙烯酸乙酯，国产。
　　
　　1.2仪器设备
　　
　　VFS-230高速分散机、涂-4#杯、QXPISO刮板细度计、QCJ漆膜冲击试验仪、WGG60光泽度计、高温高湿机、UV机，国产；QUV耐候测试仪、7-IBB-C-CRCA纸带耐磨仪、PIG-10膜厚仪、JM-IV磨耗仪，进口。

　　 　　1.3涂料配方
　　
　　五金底材用UV固化涂料配方见表1。

　　表1五金底材用UV固化涂料配方

　　1.4固化条件
　　
　　在UV机上进行漆膜固化，采用1支中压汞灯强光（120W/cm）照射。固化过程中无氮气保护。
　　
　　1.5测试方法
　　
　　黏度：在25℃，用旋转黏度计测量。
　　
　　固化速率：用临界固化速率表示。临界固化速率定义为：使漆膜表面达到完全固化时传送带的最大允许速度。
　　
　　附着力：将涂层切割成1mm×1mm方格，用600#胶带测试。
　　
　　光泽：用光泽度计测定涂膜60°时的光泽，取平均值。
　　
　　耐磨性：在一定负载下经规定的磨转次数后，以漆膜的失重量（mg）表示。
　　
　　硬度：用标准铅笔测试涂膜硬度。
　　
　　柔韧性：测试涂膜在弯曲后不断裂的最小弯曲直径。
　　
　　耐冲击性：用落球式涂膜冲击试验仪测试漆膜的耐冲击性。
　　
　　耐老化性：将涂料喷涂于金属铝板上，在一支UV灯下强光照射至完全固化后，放入QUV耐候测试仪中，经过一段时间之后，检测涂膜的失光情况。
　　
　　1.6涂料及其涂膜性能
　　
　　涂料及其涂膜性能测试结果见表2。

　　表2涂料及其涂膜性能

　　2结果与讨论

　　 　　2.1树脂、单体的选择
　　
　　在设计五金UV固化涂料配方时，除考虑其整体的固化、转化速率外，还应考虑主体树脂、单体的选择，因此表1配方中我们多数选择了酸性的齐聚物。主体树脂：搭配提供最基本的配方骨架，保证基本的附着力、拉伸率。丙烯酸酯化的聚酯，低黏度、固化速度快，主要提供固化膜良好的柔韧性和一定黏附力。二丙烯酸酯齐聚体提供硬度、快速固化性能和良好的附着性，但其过高的脆性又限制了它在配方中的用量不能过高，加之在体系中又不可能完全转化，因此配方中单官能度活性稀释剂的用量不能太高，这将导致涂料黏度过大，所以配方中选择了大量能降低黏度的单体。一方面降低黏度，一方面促进涂膜的流平，获得表面更加平整的固化膜。丙烯酸酯的官能单体和齐聚物能改善底材的润湿性，且能提供配方的可调整性（高固含量），降低配方黏度而不影响其性能。三甲基丙烯酸酯单体属于酸性单体，丙烯酸乙酯对基材有侵蚀性，可提高附着力。在整体配方中，三官能度功能单体与丙烯酸类预聚体树脂有良好的相容性，具有低黏度、高固化速度，可提高固化膜的柔韧性，增强附着力，并赋予漆膜良好的耐磨性、硬度及光泽。季戊四醇三丙烯酸酯用于提高交联密度、快速固化，柔韧性佳，也作为活性稀释剂。带有羟基的多元丙烯酸酯本身黏度较大，羟基可赋予固化膜一定的附着力促进作用，多官能特性可弥补PUA聚合的活性不足，并提高固化膜的交联密度，增加涂料的封闭性能。
　　
　　2.2CAB在光固化体系中的应用
　　
　　对CAB551-0.01（醋酸丁酸纤维素）的应用，存在不同的见解。实际上，CAB促进流平是在溶剂挥发过程中进行的，成膜后会分布在膜的表面，那主要还是在干燥的前半段过程，在溶剂挥发后的半段UV固化过程中，还必须要有干燥梯度，否则容易出现收缩导致的流平性不良问题。选用CAB，主要是看重其在UV涂料中的混溶性，其次是其本身含交联性双键，可以微弱地参与UV聚合，与UV涂料形成一个整体。
　　
　　2.3光引发剂的选择
　　
　　光引发剂能吸收紫外线能量，产生游离基，再引发低聚物及单体实现聚合、交联，使体系固化成膜。选择光引发剂应从光引发效率、价格、污染、毒性、稳定性等方面考虑。夺氢型光引发剂黄变系数较大，一般应选择裂解型光引发剂。实验中采用Irgacure184，可以有效提高涂膜的耐黄变性。光引发剂用量对涂料固化性能和贮存期有较大影响。当其质量分数小于2%时，固化速率与其质量分数成正比；当其质量分数大于2%时，固化速率与其质量分数的关系不大。但其质量分数超过4%时，涂料贮存期下降。综合考虑，光引发剂质量分数以3%为宜。
　　
　　2.4助剂的选择
　　
　　流平剂可有效降低涂料表面及组分之间的张力，改善涂料混溶性，增加流动性，便于施工，使涂膜表面光滑、平整、无针孔、缩孔、刷痕和橘皮等表面缺陷。配方中添加含羟基聚二甲基硅氧烷成分的TegoRad2200流平剂，可有效改善漆膜的平滑性、抗划伤性、流动性、流平性和不黏性，试验表明：添加0.5%TegoRad2200，即可达到不错的使用效果。
　　
　　2.5稀释剂的选择
　　
　　光固化涂料中所用的惰性溶剂应当是沸点较低的易挥发溶剂，即可在湿膜放置闪干过程中挥发掉，不易带入固化膜中。丙烯酸乙酯在本体系中起调节黏度的稀释剂作用。以季戊四醇三丙烯酸酯作为低聚物交联剂，增加交联密度，加快固化速度。稀释剂用量根据要求的黏度在适当范围内调节。
　　
　　2.6五金UV固化涂料最常见的问题
　　
　　五金UV固化涂料最常见的问题是漆膜干燥后易起麻点，引起麻点的主要原因有2个：一是树脂体系凝胶结构决定的表面驱动张力（晶析），另一个是稀释剂的挥发梯度和溶解力控制。这2个因素随固化速率的匹配决定着麻点出现的状况。如果在膜厚较高的前提下，流平越好相当于流平次数越多，一次厚涂相对薄涂就有充足的润湿、干燥时间，树脂之间的互溶性和稀释剂的影响因素减少，可显著改善麻点现象。一般来说，固含量高，麻点少。但如果要薄涂，则必须要在流平时间上做文章才能改善麻点问题，包括主体树脂的黏度（高官能低黏度）、引发剂的用量（尽可能少）、稀释剂的挥发速率及用量、表面助剂的选用方面都要作相应的调整。
　　
　　3结语
　　
　　通过试验，选用丙烯酸酯化的聚酯、二丙烯酸酯齐聚体、CAB551-0.01树脂为主要成膜物开发出五金底材用UV固化涂料，在紫外光照射下可快速固化，具有优异的附着力、高光泽、耐磨性和耐老化性，以及良好的耐醇性、耐湿热性和长效贮存稳定性，广泛应用于汽车部件、器械、五金电镀等底材的表面涂饰。