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涂料辐射固化简介

  涂料是有机高分子材料与溶剂混合的液体,涂料在物体表面能够形成附着牢固的涂膜。物件的这种表面涂膜具有防水、防蚀、耐酸碱等保护作用,有色彩、光泽、花纹等装饰作用,也有调节导热、导电、杀菌等改性作用。涂料品种繁多、性能各异,在工业产品和家用器件上有多种用途,自古至今都受到人们的厚爱,早已形成一个巨大的、欣欣向荣的工业领域。涂料的原料、种类、性能不断扩展、提高,涂层工艺和固化技术也不断改善、革新。固体涂料、水基涂料和快速固化涂料以及相关涂层工艺固化技术是当前涂料领域的重要发展方向。

辐射固化特性

  所谓辐射固化,一般是指利用紫外光(UV)或电子束(EB)作为能源,使特定配制的“百分之百活性成分”组成的液态涂料在常温下迅速固化成膜的技术。

  辐射固化用涂料的主要成分是不饱和的低聚物,少量使用的溶剂(调节粘度)也是不饱和的乙烯基单体,组成所谓“百分之百活性成分”,引发它们聚合、交联反应的是紫外线(UV光固化)或高能电子束(EB固化),统称辐射固化。这两种辐射在室温下就有足够能量引发固化反应,因此不需加温。

  辐射固化以光化学和辐射化学研究成果为基础,也与热固化涂料和工艺密不可分。

  美国科学能源公司推出大功率电子帘加速器,使EB固化技术的工业应用得以推广。此后,涂料辐射固化技术发展迅速,直到90年代仍保持12%~15%的年增长率。据估计,北美辐射固化油墨、涂层和粘合剂1991年的总产值约为2.5亿美元,与欧洲市场相当,再加上发展较快的日本市场,全球有关产品销售额远远超过15亿美元。

  辐射固化涂层技术发展如此迅速的根本原因,在于它有热固化技术难以比拟的优点。

固化涉及的化学反应

  用于辐射固化的涂料,其主要成分是齐聚物和活性稀释剂,它们至少含一个不饱和双键,或双官能团、多官能团化合物,在电离辐射作用下会产生自由基聚合、交联、接枝等化学反应,使涂料迅速固化。

(1)初级自由基的形成

涂料分子接受辐射能引起电离或激发:
M→M++e-

初级辐解产物进一步反应给出自由基:
M++e-→M*

M*→2R

自由基形成的活化能较高 (100~150 kJ/mol),属慢化学过程。

(2)聚合反应

链引发:
R+M→RM

活化能只有20~30 kJ/mol,所以链引发反应决定于上述慢过程。
链增长:
RM+M→RM2

RM2+M→RM3

……
Mn+M→Mn+1

链终止:
Mn+Mm→Mn+Mm(双基复合)

由于是连锁反应,因此,涂料很快固化。

(3)交联反应

  涂料中双官能团、多官能团相当于交联剂,使大分子形成的同时伴生分子间的交联反应。涂料分子以极快的速度形成交联度极高的三维网状结构,成为不溶、也不熔的牢固的涂膜。

(4)其他反应

  在生成长链共聚物中,还可能发生接枝反应,故产物有较高的支化度。此外,辐射固化过程还可能伴有电离分子的降解、分子离子重排以及抽氧反应等。

辐射涂层固化的应用

UV与EB涂料固化应用领域十分广泛,大致有以下几种:
木材:底漆和表层清漆以及色漆等。
塑料:薄膜涂层和硬涂层;汽车部件、器械、光盘、信用卡、窗户薄膜以及某些金属化涂料底材涂层。
纸张:装饰纸、标签、卡片和书面等的表面上光、金属化纸张底材涂层。硅酮涂层技术在这一领域也有应用,如金属、食品罐头、汽车和器械装饰、交通隧道墙板。
电子:光刻胶、软(硬)盘、光盘、录像带、磁带、光纤等。
油墨:平板印刷(纸板盒、软包装品、杂志、出版物)、丝网印刷(塑料标签、塑料瓶、金属箔、纸和纸板包装品)、凹版印刷、邮票、纸币等。
黏合剂:层压材料(纸或薄膜/木材、薄膜/薄膜、纸/箔等)、普通粘接(汽车部件、光学材料)和压敏胶等。
目前,辐射固化重点应用在纸和纸板涂层、木材和建筑材料以及印刷工艺中,EB固化在磁性介质及胶印方面的应用发展也很快,UV/EB加工已获得了环境法规强有力的支持和工业界的密切重视,以北美、欧洲和日本发展最快。

核辐射技术展望

  辐射技术在生物分子的分离、固定化和药物缓释体系中的广泛应用,已成为辐射加工中的一个新的研究与应用热点。

  人类面临着严重的环境污染,正在用各种净化技术艰难地保护我们的生存环境。辐射技术在净化饮用水、工业污水、生物污泥等方面取得了明显成果,特别是用加速器电子束净化烟道废气已有很大进展,它不仅可消除烟道气中SO2、NOx等有害成分,而且可以给出粉状肥料而不造成二次污染,这一成果已接近实用阶段。

  射线的消毒灭菌作用可使受生物侵害的出土文物得到消毒净化,免于继续受损。辐射聚合技术使已出土的变得松散的木器、陶器等固化定型,而辐射接枝技术可使古文物表面的图案重现光辉。

  与古代炼金使用加热、沉淀、过滤、蒸馏、升华等法,将氧化物、硫化物还原成单质或制取其他盐类比较,当今的核辐射技术显然是前者望尘莫及的最新炼丹术了。

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