水性光固化涂料的特点
水性光固化涂料结合了传统UV固化涂料和水性涂料的各自特点,相对于传统油性光固化材料具有下列优点。
(1)水是最方便获得、最廉价的原料,用水来代替活性稀释剂稀释低聚物,很容易调节黏度,可实现无活性稀释剂配方;
(2)不用活性稀释剂,就没有VOC、刺激性及臭味等问题;
(3)可适用各种涂装设备,特别对喷涂安全;
(4)可避免由于用活性稀释剂所引起的固化体积收缩;
(5)可以实现薄涂层涂布,降低成本;
(6)涂装设备和容器可以用水性清洗液清洗。
水性光固化材料除了上述优点外,还有一个很突出的优点就是解决了传统固化涂料的硬度和柔韧性之间的矛盾。从分子结构与性能的关系分析,只有高相对分子质量的物质才能具有高硬度和高柔韧性。传统光固化涂料不能使用高相对分子质量的低聚物,同时加入大量低相对分子质量活性稀释剂,因此难以兼顾硬度和柔韧性。而水性光固化涂料的低聚物是高相对分子质量的水性分散体,其黏度与高分子的相对分子质量无关,而只与固含量有关,因而在水性光固化涂料中可以使用高相对分子质量的低聚物,又不用低相对分子质量的活性稀释剂,从而克服了光固化涂料高硬度和高柔韧性不能兼顾的矛盾。
水性光固化涂料也存在下列缺点:
(1)体系中存在水,光固化前,大多需进行干燥除水,而水的高蒸发热(40.6kJ/mol)导致能耗增加,也使生产时间延长,生产效率下降;
(2)水的高表面张力(72.8mN/m),不易浸润基材,易引起涂布不均;对颜料润湿性差,影响分散;
(3)固化膜的光泽较低,耐水性和耐洗涤性较差;
(4)体系的稳定性较差,对pH较为敏感;(5)水的凝固点(0℃)较高,在运输和贮存过程中需添加防冻剂;水性体系容易滋生霉菌,需用防霉剂,使配方复杂化。
2水性光固化涂料的组成和分类
水性UV固化涂料是由水性低聚物、光引发剂、助剂和水组成,其中水性低聚物和光引发剂是最主要的成分。
2.1水性低聚物
水性低聚物是水性光固化涂料最重要的组成,它决定了固化膜的物理机械性能,如硬度、柔韧性、强度、耐磨性、附着力、耐化学品性等,也影响光固化速度。
水性低聚物从结构上看,一要具有可以进行光聚合的基团,如丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、乙烯基、烯丙基等,由于丙烯酰氧基固化速度最快,所以为各类丙烯酸树脂的主要品种。二要分子链上含有一定数量的亲水基团,如羧基、羟基、氨基、季铵基、醚基、酰胺基等。目前水性低聚物制备时大多在油性低聚物中引入亲水基团,如羧基、季铵基、聚乙二醇链等方式,使油性低聚物转变成水性低聚物。
2.2水性光引发剂
光引发剂是光固化涂料的重要组成,它决定了光固化涂料的固化速度。对水性光固化涂料,它要求光引发剂与水性低聚物相容性好,在水介质中光活性高,引发效率高,同时与其他光引发剂一样要求低挥发性、无毒、无味、无色等。用于水性光固化涂料的光引发剂可分为水分散型和水溶性两大类,目前常规光固化涂料所用光引发剂大多为油溶性的,在水中不溶或溶解度很小,不适用于水性光固化涂料,所以近年来水性光引发剂的研究和开发也成为热门课题,并取得了可喜的进展。不少水性光引发剂是在原来油溶性光引发剂结构中引入阴离子、阳离子或亲水性的非离子基,使其变成水溶性;或将油溶性光引发剂变成稳定的水乳液或水分散体。
2.3水性光固化涂料分类
水性光固化涂料分为乳液、水分散型和水溶性3类,见表5。
(1)乳液型:早期采用外加乳化剂,低聚物不含亲水基团,靠机械作用,使低聚物分散于水中,得到低聚物乳液。但由于乳化剂加入,影响了固化膜的耐水性和光泽,力学性能也大幅下降,材料对pH值也敏感。现在多采用自乳化型,即在低聚物中引入亲水基团(如羧基、聚乙二醇),在水中有自乳化作用,不用外加乳化剂,固化后可提高耐水性和光泽。
(2)水分散型:利用低聚物中亲水基团和疏水基团巧妙平衡,在水中分散后,低聚物形成稳定的水分散体。
(3)水溶型:低聚物含有足够量的羧基盐或季铵盐基团,成为水溶性材料。