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论文题目：塑料用UV 固化涂料的发展及应用

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塑料用UV 固化涂料的发展及应用

摘要：本文综述了国内外塑料用 UV 固化涂料的发展及研究现状，讨论了 UV 固化涂料在几种常用塑料上的应用，并对塑料用 UV 涂料的发展前景进行了展望。

关键词 ： UV 固化涂料；塑料；发展；应用

0 引言

随着塑料产品的普遍应用，作为“塑料二次加工”的涂料工业的发展已引起人们的广泛关注。紫外光（UV ）固化涂料因其无 VOC 排放，且具有能量利用率高、成膜速度快、漆膜质量好，适用于热敏感材料等传统涂料无法比拟的优点，在塑料产品涂装方面具有广阔的市场前景。

1 国内外发展概况

1968 年，德国拜耳公司首先开发出了应用于木板涂装的不饱和聚酯UV 固化涂料，光固化技术开始进入涂料工业，其优异的性能立刻得到了人们的关注。光固化涂料 80% 是指UV 固化涂料， UV固化涂料由预聚物（齐聚物或光敏树脂）、单体（稀释剂）、光引发剂和助剂组成。从20世纪70年代至今， UV固化技术得到了突飞猛进的发展，北美、欧洲和日本等发达国家和地区，发展尤为迅猛。应用范围从原来的地板涂料、木器涂料扩展到现在的油墨涂料、塑料涂料、以及更先进的光纤 / 光缆涂料等。其中以塑料用 UV 固化涂料发展尤为迅速，市场前景极为广阔。

1.1 国外塑料用 UV 固化涂料的研发

国际上比较早的关于塑料用UV 固化涂料的发明专利是1981年由日本的 Ikeda Junji 等人提出的，该涂料由一种含有丙烯酸基或甲基丙烯酸基的桥环不饱和物和一种光引发剂组成，用于保持建筑塑料的抗磨损、耐候性等。进入20世纪90年代，随着塑料行业的崛起，塑料用UV 固化涂料迅速发展起来，而且各方面性能都得到进一步改善。 1990 年，美国的 Stein Judith 等人发明的 UV 固化环氧涂料中含有稠合的环氧有机甲硅烷氧基和卤代芳基烷基甲硅烷氧基化合物，能有效地控制其在塑料底材上气味的释放。同时 Stein Judith 等人又发明了一种可以有效提高涂料在塑料底材上粘附性的UV 固化环氧涂料，主要含有

环氧硅氧烷和一种芳基 鎓 盐。进入21世纪，UV 固化技术更加完善，涂料性能更为优异，同时涂料的种类也不断增多。 2001年，日本的 Nakajima Yoshimoto 等人发明的脂环族环氧铝粉涂料仅需固化10s 后漆膜铅笔硬度就达到 HB 以上。 2005年，德国的 Wolfram Kuttner 等人发明了含有聚氨酯（甲基）丙烯酸酯和异氰酸酯的弹性 UV 固化涂料体系。同时，纳米材料也以其特殊的性能作为添加剂被引入到涂料组分中。美国Chisholm ， Bret Ja 等人在涂料组分中添加了一种不会影响光吸收的纳米颗粒，改善了漆膜的附着力、耐磨性、耐候性等性能。近年来， Th.Randoux 等人开发了包含无卤阻燃部分共价键合成聚合物骨架的低聚物和单体，合成的 UV 固化涂料其阻燃作用明显改进。

1.2 国内塑料用 UV 固化涂料的研发

我国辐射固化涂料起步于20世纪70年代，但发展比较缓慢。进入80年代后，随着UV 固化家具涂装线的引进， UV涂料获得了较快的发展，但由于国内原材料匮乏，几乎全部依靠进口，导致涂料价格居高不下，在 80 年代末几乎陷于停滞状态。我国UV 涂料发展的真正飞跃是在90年代初，世界上主要的辐射固化原材料供应商 Sartomer 公司、 UCB 公司开始在国内进行推广工作。同时，台湾的 UV 固化工业也向大陆转移，促进了我国UV 涂料工业的迅猛发展。 目前，我国一些重点大学和科研院所有一大批科研人员正在从事UV 技术的研发，并积极与有关企业开展合作，加快了UV 固化涂料工业在我国的发展，出现了一批塑料用UV 涂料的重点生产企业，如宜兴宏泰化工有限公司、安阳市日秀涂料有限责任公司等。但是，国内的原材料仍有一部分依靠从国外进口和从台湾地区购进，尤其是低聚物。单体方面就产量来说，江苏三木在国内居首位。我国光引发剂的研制已进入世界先进水平，其中北京清华紫光英力科技发展公司和常州金坛的常泰化工厂的产品影响较大。

2 UV 固化涂料在塑料件上的应用

光固化涂料在塑料涂装领域的发展显得异常迅捷。目前在摩托车、电动车与家电等领域, 光固化塑料涂料已得到了广泛的推广, 相应地推动了光固化涂料技术本身的进步, 包括从单体到助剂与合成技术的进步。例如，降冰片烯烃聚合物薄膜表面采用UV 固化的聚氨酯改性的氨基丙烯酸酯, 在膜中引入二氧化硅不会影响涂层的透明性, 且涂层的耐划伤性优异[1]。在树脂中引入弹性链段可提高涂膜的附着力与耐冲击性[2] ; 分子链段中引入含氟的硅氧烷与A - 174(γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷) 及胶体二氧化硅, 涂膜的透明性、流平性、防污性、耐磨性均因交联和表面张力的降低而得到明显改善[3] 。

UV固化涂料适用于汽车部件、器械、光盘、装饰板、信用卡、金属化涂层等塑料基材的涂饰，它赋予塑料良好的光泽度、光稳定性、耐磨性和耐化学品性等。常用的塑料基材有：聚碳酸酯（PC ）、聚苯乙烯（PS ）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ）、聚氯乙烯（PVC ）、聚乙烯（PE ）、聚丙烯（PP ）、聚酯（PET ）、 ABS 等。

2.1 聚碳酸酯（PC ）

PC是一种综合性能优越的热塑性工程塑料，透明度达 90% ，被誉为“透明金属”，在很多高档制品上均有应用。但是，PC 本身的硬度较低，容易产生应力开裂，耐磨性欠佳，刮擦易损伤，如在 CD 、DVD 光盘上的刮痕会使数据失真甚至无法读取。另外 PC 是一种极性高分子材料，耐溶剂性差，溶剂会导致 PC 表面破坏。在聚碳酸酯表面, 采用热与光同时激发固化的双重固化模式, 涂膜耐紫外光性能得到显著改善[4] 。

通过UV 罩光，可以赋加以高耐磨性、耐溶剂性能，提高其硬度，而且不会影响 PC 原有的高透明度。 S.Sepeur 等人研制的 UV 固化涂料在 PC和PMMA 上均具有杰出的粘附性，甚至在没有底漆的情况下也具有良好的附着力，耐磨性极佳，在磨损实验中磨1000次仅磨损 10% 。

目前，主要问题集中在黄变性问题上，尤其是在室外，如汽车、摩托车的塑料件部分。台湾长兴化学公司对此做了大量研究，采用非黄变型的聚氨酯丙烯酸酯低聚物与不同的单体搭配，可以达到不同的硬度和耐黄变性能，公司生产的 6130B-80、6145-100或6151等多官能度低聚物的应用，在 PC 基材上可达到较好的耐划伤性和耐黄变性。德谦企业股份有限公司开发的高耐磨 UV 固化涂料在 PC 上也取得了良好的效果。

2.2 ABS

ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，是一种不透明的工程塑料，具有优良的综合性能，如极好的耐冲击性、电性能、耐磨性、抗化学药品性等，但其有可燃、耐候性差等缺点。主要应用于汽车、家电、办公用品、玩具等方面。 在实际应用中，ABS 塑料一般都先喷涂一层含有颜料的底漆（如铝粉漆或其它色漆） ，而后用UV 涂料罩光。特别是用在手机壳上时对耐磨性要求极高。 UV固化涂料不但可以提高 ABS 的性能，而且可以大大提高产品的档次，增加附加值。 Hmada等[5]利用甲基丙烯酸甲酯的均聚物与氨基丙烯酸酯、甲基丙烯酸氧基酯等在光敏剂的引发作用下, 得到在ABS 表面涂覆的快干涂层。

2.3 聚苯乙烯（PS ）

PS 通用塑料主要分为3种：高冲聚苯乙烯（ HIPS ）、通用级聚苯乙烯（GPPS ）和发泡聚苯乙烯（EPS ），其中以 HIPS 应用最为广泛。 HIPS 为白色不透明或珠状热塑性树脂，特点是耐冲击，主要应用于电视机、收录机等电器的外壳和部件及玩具和日用品。

UV 固化涂料能赋予 PS 以极好的耐寒热性、保光保色性、抗划伤等性能。Ya ji等[6]采用含三环癸烷结构的光敏剂引发聚丙烯酸酯配制丙烯酸涂料, 涂覆在聚苯乙烯底材上, 涂层的透光性与表面流平性均非常突出。由于 HIPS 表面极性低，需先喷底漆再进行 UV 罩光，目前问题集中表现在 UV 清漆与底漆的附着力方面，同时耐湿热性也较差。

2.4 聚氯乙烯（PVC ）

PVC 塑料地板是木材、大理石、花岗岩等传统材料的替代产品，具有防水、防滑、阻燃、质轻、铺设简单等传统材料无法比拟的优点。但 PVC 本身耐磨性较差，从而导致地板不耐磨、易脏。 UV 涂层可以大大改善其耐磨性，提高其品质，但它的耐水性较差，有待进一步改进。

2.5 聚丙烯（PP ）

PP是无定形聚合物，具有良好的综合性能，广泛应用于家电、食品、玩具、医疗等产品中。由于 PP 表面难以润湿，耐溶剂性强，对于各类涂料都存在附着力问题，UV 固化涂料也不例外。目前UV 涂料主要采用先喷底漆，再罩光的方法，但附着力问题仍需进一步改进。

2.6 存在问题

UV 固化涂料应用于塑料底材有各种优势，但仍存在许多问题有待解决。主要可归纳为以下几个方面：（1）经济性——基本材料价格高，这些原料包括低聚物和单体，它们比起相应的溶剂型涂料而言要贵得多。（2）着色困难，颜料的颜色、浓度、粒度等对 UV 固化均有影响。不同颜料对紫外光的选择性吸收不同，从而影响引发剂的引发效率及固化速度。（3）黄变性问题，光固化中的引发剂只有部分消耗，剩余的自由基光引发剂将留在膜内，当涂膜在室外曝晒时它们可以分解产生自由基，而自由基可引起涂膜的老化、泛黄等现象。（4）附着力问题，

UV 固化涂料瞬间固化，对底材浸润时间短，导致附着力差。（5）固化对象的形状问题，复杂形状、阴影部分固化不完全。（6）毒性（对皮肤的刺激性），主要是指单体和低聚物。

2.7 针对各问题的研究现状

目前，为解决上述问题，研究人员已经做了大量工作。在颜料方面，一些研究人员提出了对颜料进行表面改性，即在颜料粒子表面上沉积适宜的物质，以单分子层或多分子层包覆在颜料分子的活性区域上，从而使颜料粒子的表面性能得到改善。胡红梅等人的研究表明：在使用表面改性的颜料后，整个固化体系的固化速度有所提高，但存在一个最佳用量问题。另外，同一种改性剂对不同颜料的改性效果也不同。在解决黄变性问题方面，主要使用复合型光引发剂和集中研究新型光引发剂。 JuanSegurola 等人对不同类型的光引发剂对丙烯酸 UV 固化清漆的光致泛黄和变色问题进行了研究，对解决黄变性问题具有指导意义。在增加附着力方面，通过对预聚物、稀释剂等的改性来减少收缩率，已有较大改善；另外，可以预先对底材进行电晕、腐蚀等极性化处理或在涂料配方中添加附着力促进剂等。对复杂形状问题，多采用双重固化体系。其中一个阶段是通过光固化反应，而另一个阶段通过暗反应进行，暗反应包括热固化、湿气固化、氧化固化或厌氧固化反应等。利用光固化使体系快速定型或达到“表干”，而利用暗反应使“阴影”部分或底层部分固化完全，从而达到体系的“实干”。

3 展望

塑料材料涂饰用 UV 固化涂料作为 UV 固化涂料的主要应用方面，已成为涂料界研究和开发的重点之一。先进技术和创新方法（如溶胶 - 凝胶技术、计算机技术等），先后被引入涂料的研发中。塑料用 UV 固化涂料正朝着水性化和粉末化等方向发展。目前，研究虽多但还远远没有形成理论化、系统化。特别是实际应用研究较多，理论研究较少。加强基础理论研究，用理论指导实践，是未来 UV 固化涂料研究发展的重点。

参考文献:

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