UV涂料的過去、現(xiàn)在和未來——連續(xù)35年保持高速增長的原因是什么？

    全球涂料網(wǎng)訊：

    能想像一個行業(yè)已經(jīng)保持連續(xù)35年的增長嗎？只有一些少數(shù)行業(yè)能做到，屈指可數(shù)。根據(jù)以往的Rad Tech International的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，北美市場上UV/EB產(chǎn)品增長每年都超過了7%。

    推動這種增長的動力不僅僅是由于“綠色”技術(shù)和生產(chǎn)效率提高的要求，而且是由于原材料供應商已能提供更多新型原材料。這些新型材料使配方設計者制備出的UV涂料，物理性能提高并得到更好的產(chǎn)品性能，從而進一步拓寬了使用范圍。

    兩個因素是推動UV固化涂料增長的主要動力：

    ·環(huán)境-由于固含量最高可達100%，UV涂料可以減少或消除VOCs和HAPs。

    ·全球化-全球化生產(chǎn)的特點要求縮短固化時間、可自動操作、縮短訂貨到交貨時間、減少廢料、廢棄物及其再利用和實現(xiàn)即時供貨。

    這些因素結(jié)合起來為這一行業(yè)創(chuàng)造了更多的機會。現(xiàn)在已經(jīng)是展望前景和充分利用這一機遇的大好時機了。

    涂料組成

    涂料通常是液體，含樹脂（或聚合物）、溶劑（或水）、助劑和可添加的顏料。為簡化起見，比較分析時不列入粉末涂料和電泳涂料。

    樹脂

    樹脂可以看做是“成膜物”，將各種成分結(jié)合成連續(xù)的體系，干燥后形成涂膜。對較高相對分子質(zhì)量的合成樹脂一般更多的以聚合物表示。聚合物通常是高黏稠的，要加入溶劑（或水），使其可以與其他成分混合并使涂料具有可噴涂性。

    術(shù)語“基料”有時可以和樹脂替換使用，但準確的說，基料是指涂料中液體介質(zhì)中的不揮發(fā)部分。它將顏料粒子和其他助劑結(jié)合起來，使涂膜作為一個整體材料加以應用。

    基料提供了：

    ·對底材的附著力；

    ·包裹住顏料并使其相互分離，防止團簇；

    ·流動性，形成平整光滑、均勻的涂膜，使涂膜具有如光澤在內(nèi)的最佳性能；

    ·物理和化學性能如硬度、柔韌性、耐久性、重涂性、耐磨性和耐沖擊性、耐水、UV、耐化學和防腐性等。

    溶劑/水

    液態(tài)的溶劑或水使基料的黏度降至可施工程度，然后其揮發(fā)形成涂膜。溶劑測量值即VOCs，要受EPA控制。一些溶劑如丙酮不屬于EPA控制范圍，在美國大多數(shù)州不作為VOC,允許排放。

    顏料

    顏料是固體粒子,提供顏色和光澤控制,不溶于基料中。常用顏料的包括：無機顏料、有機顏料和金屬顏料。

    助劑

    涂料配方中含有化學助劑，提供獨特的性能并起改進涂料性能作用。常用的助劑包括催化劑、防粘連劑、消泡劑、流動控制劑、光澤改進劑（提高或降低）、貯存穩(wěn)定劑、UV屏蔽劑、分散劑和防銹劑等。

    熱固化與輻射固化

    UV固化涂料配方中，可以將樹脂、溶劑和催化劑用齊聚物、單體和光引發(fā)劑取代。

    齊聚物提供涂料以粘連性、顏料包裹、流動和物理性能。和溶劑一樣，單體也降低黏度，但也提供一些其他與齊聚物相似的性能，即柔韌性和交聯(lián)。

    大多數(shù)情況下添加單體可以將黏度降至一定程度，可以適用于輥涂或旋轉(zhuǎn)霧化噴涂等高效涂裝方法。為了更便于施工或更好的流動性，UV涂料配制時可以加入溶劑或水，使固含量低于100%。從而可以使用傳統(tǒng)方法或HVLP噴槍涂裝。

    光引發(fā)劑作為催化劑引發(fā)化學反應。在這種自由基反應過程中，單體和齊聚物轉(zhuǎn)變成聚合物，發(fā)生交聯(lián)。

    固化

    UV固化涂料和溶劑型/水性涂料主要不同之處是它們用不同類型的聚合物和不同的固化方式。溶劑或水性聚合物的不同在于它們的成膜方式。

    ·揮發(fā)性漆-是一種基于溶于有機溶劑中的合成熱塑性成膜聚合物，通過溶劑的揮發(fā)形成涂膜。

    ·自氧化-聚合物含碳碳雙鍵，可以將氧分子引入雙鍵中形成交聯(lián)的涂膜。醇酸是這種反應類型的典型品種。

    ·化學交聯(lián)-這種情況下，體系含一種以上的聚合物。一種是骨架聚合物如醇酸或丙烯酸，另一種是交聯(lián)樹脂，如三聚氰胺。加熱和加入催化劑（自催化或外加催化劑）可以促使反應，導致骨架聚合物和交聯(lián)劑反應，交聯(lián)形成涂膜。

    ·乳膠型成膜物-與揮發(fā)性漆類似，這類涂料是通過水（及可能存在的成膜助劑）的揮發(fā)，使聚合物粒子聚集形成涂膜。乳液通常是丙烯酸，但也可使用聚酯、聚氨酯、醇酸和環(huán)氧。

    所有這些聚合物及其固化方法在有一點是相同的，通過固化，溶劑或水揮發(fā)，樹脂、添加劑和顏料保留，涂層固含量可認為是100%。這一過程闡述如圖1所示1。

圖1 固化過程示意圖

    相比之下，UV固化涂料采用了不同的形成固化涂膜的方式。暴露于紫外光下時，在數(shù)秒內(nèi)自由基固化成膜物交聯(lián)成膜。這些組合物通常是100%固含量，但也可加有5-50%的溶劑或水（如圖2所示）。

圖2 自由基固化

    輻射固化

    輻射固化涂料含各種促進劑或催化劑，通常條件下不引發(fā)反應，但暴露于UV光下會引發(fā)反應。吸收UV光線后會在數(shù)秒內(nèi)在化學基團中觸發(fā)自由基反應形成交聯(lián)（固化）。

    具體而言，這種化學過程（鏈反應）是由單體和齊聚物形成聚合物。UV固化可以具有UV光線的密閉小室中進行。必須采用密閉小室，因為氧的存在會抑制自由基引發(fā)體系固化。氧必須用氮或其他惰性氣體替換。由于密閉小室的代價較高，常采用特定的配方來克服固化過程中氧的影響。現(xiàn)在，UV體系已很少必須使用密閉小室。

    關于涂層的收縮，熱固性涂料是以聚氨酯和/或三聚氰胺樹脂交聯(lián)，它們共反應只產(chǎn)生約1%的收縮。相比之下，UV涂料中自由基聚合反應產(chǎn)生約20%的收縮。在配方設計時，必須考慮對收縮加以補償。

    UV涂料中，促進劑或催化劑稱為光引發(fā)劑。為使固化進行完全，UV光必須能活化或“看見”所有光引發(fā)劑。結(jié)果，這導致UV涂料干膜厚度會受限制（約1密耳），特別是含有顏料時，它們可以影響UV固化。顏料分子會吸收和反射或屏蔽UV光，使其不能與一部分光引劑接觸。

    如預料的，因為其吸收光波的特性，黑色及深色涂料最難固化。較淺、較亮的顏料，通常更易固化。

    UV光能量的下降與光源與受光表面之間的距離的平方成反比。從而，UV光源應該盡可能與涂裝件保持較近的距離。由于這一原因，UV固化在平整表面上更易進行。但是，使用高度拋光的拋光面反射器，通過光源的合理放置和/或底材（物件）的旋轉(zhuǎn)可以使特定的三維物件成功地進行UV涂裝，如自行車架和手工工具。

    UV固化在數(shù)秒中進行，形成致密的涂膜�？焖俟袒�還減少了在表面上沾附外來粒子，并可以盡可能減少對底材的加熱，這對熱敏性底材非常有利。

    能量源

    波長

    用于固化的UV光波長范圍240-450nm。在這段波長范圍內(nèi)需要使用光引發(fā)劑來引發(fā)聚合。通�？梢岳�用三種不同的光源得到三種不同的波長范圍。240-320nm（UVB和UVC）是由“H”燈得到，這是一種汞(Hg)摻雜燈，其釋放出的波長較短，主要促使表面固化。這些燈通常用于不含顏料的透明UV涂料。

    320-400nm(UVA)是使用“D”燈得到。這是一種鐵(Fe)摻雜燈，其釋放中等波長光。400-450nm是由“V”燈得到，這是一種鎵(Ga)摻雜燈，其釋放出更長的波長，可以滲透到涂膜表面以下，直至底材�？商峁┝藘�(yōu)異的附著力，要對含有顏料的涂料的完全固化時必須使用。

    UV燈

    UV燈是可控的發(fā)射裝置，其產(chǎn)生電磁能量，釋放出紅外和可見光以及紫外線輻射。UV燈的主要類型有(a)電極（中壓汞弧燈）和(b)非電極（微波能量）。其他適用的UV燈包括低壓汞弧燈（熒光）和高壓氙弧燈（雙電極型）和激光器，它是非電極型。

    參數(shù)測量

    每種UV固化涂料說明書都應包含一些參數(shù)，以便于確定涂覆于表面時的輻射量及適宜的時間2。關鍵參數(shù)如下。

    1.輻射量，watts/cm2。這個參數(shù)用于指示所需的光或UV燈輸出強度；輻射量越大，固化深度越大。

    2.2.輻射波長，nm范圍（或UVB、UVC、UVA和UVV波段）。這個參數(shù)有助于確定最佳的固化燈類型（H、D或V燈）。這種波長也影響組合物中光引發(fā)劑的選用及其吸收。

    3.時間，s或ft/min。組合物固化所需時間將決定燈的構(gòu)成。靜態(tài)固化時間定義以秒計，以部件傳送形式進行的動態(tài)固化，定義為ft/min。

    4.能量，J/cm2。能量用于測量輻射量和時間。邏輯上講，涂層受到的光照強度和時間將對固化有很大的影響。通常，涂裝線操作者采用一種名為輻射計的裝置測量監(jiān)控生產(chǎn)過程。

    輻射計

    為有效固化UV體系，三個因素很重要：輻射、能量和波長。這些可以用輻射計測量，其大小約為現(xiàn)在所用手機的約二倍。這種裝置可以安裝在傳送帶上或固定在物件上，傳送穿過UV光，測量暴露于部件（涂層）的UV光，其值通�？梢詮腖ED顯示屏上讀出。確定了滿意的UV條件后，這種儀器可以用于量化優(yōu)選暴露條件，保證重復性和再現(xiàn)性。

    UV涂裝的優(yōu)點

    有關投資于UV涂裝線，收集信息和數(shù)據(jù)時，需考慮其下列優(yōu)點。

    投入資金少

    這是因為以下幾個因素：

    ·無需固化爐；

    ·需要架高的傳送長度更短；

    ·裝卸涂裝好的部件所占地方更��；

    ·體系占地面積更小。

    UV固化系統(tǒng)通常只需要傳統(tǒng)的熱烘爐占地面積的1/10。傳統(tǒng)的熱烘爐一般需要100英尺長×10英尺寬，占地面積1,000平方英尺以上。假定保守地以0.50美元/平方英尺/月估算，1,000平方英尺的熱烘爐每年房屋租賃費用為6,000美元，相比之下，UV體系只需600美元。

    強烈推薦在涂裝區(qū)后和固化燈前設計安裝紅外（IR）燈區(qū)，占地10×20英尺。在某些情況下，加熱和閃干時間有利于100%固含量的涂料流動，在使用固含量低于100%的（水性或溶劑性）UV涂料時也是必須的。在系統(tǒng)設置好后再重新設計安裝IR燈會提高成本。

    適用于熱敏底材

    由于暴露于UV燈下通常只需數(shù)秒鐘，這種體系非常適用于不能承受高溫的底材�？梢员M可能減少對底材的升溫要求，可以在固化后迅速使用涂裝好的部件。

    運行成本降低

    液態(tài)UV涂料的主要優(yōu)點是去除了代價較高的熱固化器或烘爐。在液體UV體系中，烘爐以一小簇UV固化燈取代。安裝這些燈的成本通常是安裝大容量熱固化器或烘爐的一半。同時與熱烘爐相比，UV燈每年的運行成本可以顯著降低。

    例如，大型空氣烘爐消耗約1MBTU/hr，需要較大的風機來達到指定的生產(chǎn)能力。而達到同樣的產(chǎn)能，對四個UV燈，需消耗總量僅需72kW/hr。

    圖3所示為典型的每年的運行成本。最快速固化的UV工藝減少了濕膜暴露于外界環(huán)境的時間。這減少了粒子污染涂層的可能性，減少了不合格品和廢料的產(chǎn)生。

圖3 運行成本/年

    此外，一些缺陷可能在涂層完全固化后才顯現(xiàn)。由于UV體系固化速度快，缺陷可以迅速觀察到并進行校正操作，提高了涂裝系統(tǒng)效率。

    傳送系統(tǒng)的長度與其成本直接成正比。傳送系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的熱烘爐會產(chǎn)生由于潤滑劑快速損耗引起的加速磨損，并導致過度負荷和裝置磨耗。全球涂料網(wǎng)了解到，以100英尺的熱烘爐為例，涂裝線固化部分傳送保養(yǎng)成本平均8,000美元/年。而使用10英尺的4個燈時，傳送保養(yǎng)成本約為400美元/年。圖4闡述了取代后的傳送鏈成本。

圖4 傳送環(huán)節(jié)替代比較

    生產(chǎn)力提高

    固化時間傳統(tǒng)的熱烘爐最高可達數(shù)小時，而UV涂料通常為數(shù)秒，從而各個工件的涂裝時間可以大大縮短。這可及時調(diào)整以適應客戶的要求，提供更好的交貨產(chǎn)品性能。更快的循環(huán)周期也可以直接導致操作過程中工作量的減少（WIP），降低庫存和提高資金流動能力用于其他投資。

    由于UV涂料只有在暴露于高強度UV燈下才會固化，回收過噴物變得更方便，提高了使用率。

    減少了對環(huán)境的沖擊

    100%固含量的UV配方不含VOCs和HAPs。這對于適應排放要求是非常有利的。如果需要，非VOC類溶劑如丙酮，可以用于固含量低于100%的配方中。此外，涂料過濾物可以固化和作為垃圾處理，而無需進行費用高昂的危險廢品運輸和處理。圖5對這方面的成本對比進行了分析。

圖5 成本比較一覽

    施工方式和最終用途

    UV固化配方可以采用各種方法施工。包括輥涂、淋涂和幕涂、浸涂和噴涂，可以使用傳統(tǒng)的方法或HVLP噴槍。

    通常，UV固化材料可以用作涂料、油墨、膠黏劑和密封膠，用于金屬、塑料、木材、玻璃和復合材料。以下描述了一些主要的使用UV固化涂料的行業(yè)及一些產(chǎn)品。

    ·繪畫藝術(shù)-有時使用EB固化；產(chǎn)品包括篩網(wǎng)印刷、石版印刷、噴墨和罩印清漆；

    ·木器工業(yè)-產(chǎn)品包括棚架、櫥柜、家具和地板等；

    ·光纖-涂覆兩道UV保護涂層以防止光纖彎曲和使用過程中損壞。一道是硬外層（緩沖層）涂層，一道是柔軟的涂層（氣墊層），位于外層和纖維之間，用于實現(xiàn)所需的保護性能。

    ·光盤-也用于CD和DVD的保護涂層；

    ·膠粘劑-用于粘接各種底材；

    ·快速準確打樣-這是新開發(fā)的一種用途，使得在CAD系統(tǒng)中創(chuàng)造的3-維模型可以直接轉(zhuǎn)印成3-維功能模型。產(chǎn)品包括模塑澆注件、功能性產(chǎn)品模型（引擎多支管）、破壞的骨骼結(jié)構(gòu)（外科手術(shù)用）和牙齒（牙科用）；

    ·牙科用品-用于牙齒修補、密封、壓印材料和快速準確打樣的牙科用樹脂；

    ·復合材料/塑料件-用于汽車部件、真空金屬化、飛機部件、瓶子、自行車、化妝品、玻璃纖維和碳纖維；

    ·工業(yè)-產(chǎn)品包括手工工具、金屬罐、丙烷罐和電子電路板。

    UV涂料的未來

    預測北美UV涂料每年的增長仍將持續(xù)保持5-10%。其推動力在于：

    ·適應環(huán)境要求（越來越高的VOC限制）；

    ·更高的速度/生產(chǎn)能力；

    ·節(jié)能（降低成本）；

    ·性能提高；

    ·可使含顏料配方固化；

    ·提高對金屬和塑料的附著力；

    ·汽車工業(yè)（塑料件）；

    ·新技術(shù)（LED固化）。

    繪畫藝術(shù)、木器、醫(yī)療/牙科、汽車、快速準確打樣和LED固化市場預期在不久的將來將得到最快的增長。

    LED固化定義為更長波長（大于400nm，但范圍更窄），由LED燈發(fā)出。它的一些優(yōu)點包括只需使用更低的能量，燈方便攜帶。由于使用的波長更長，提高了安全性，與目前所用UV燈相比，降低了成本。全球涂料網(wǎng)了解到，其面臨的最大的挑戰(zhàn)在于找到合適的光引發(fā)劑，這種引發(fā)劑能在這種更長波長范圍內(nèi)引發(fā)自由基反應，并仍能提供涂膜所需的性能。對這一技術(shù)的研究仍在進行中。

    結(jié)論

    讓人看到希望的是，一些關于UV涂料的神秘性已消除，使得人們可以意識到UV體系可以為涂裝和涂裝產(chǎn)品帶來的一些潛在的優(yōu)點。一些優(yōu)點已經(jīng)實現(xiàn)，包括：通過提高效率來降低運行成本，適應新的環(huán)�？刂埔�求和可進入一些新型市場。

    隨著前15年來UV涂料應用的實質(zhì)性增長，一種新型產(chǎn)品/技術(shù)已經(jīng)形成�；叵�90年代初，水性液態(tài)涂料也曾經(jīng)面臨了這一相似的狀況。UV涂料已經(jīng)取得了很大的技術(shù)進步，性能的提高已成為可能；越來越多市場可以利用這一突破性成果，這主要是由于法規(guī)限制越來越嚴格。這也是為什么將本文標題定為“UV涂料立足現(xiàn)狀展望未來”。 更多資訊請登錄：全球涂料網(wǎng)http://m.srglobaltrade.com ）