0279机床

五金底材用UV固化涂料的配方设计

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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。

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。

涂料及其涂膜性能测试结果

  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。

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