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光固化技术的提升与未来趋势

  转自:胶粘剂行业资讯

  光(UV)固化技术是一种高效、环保、节能、优质的面向21世纪的新技术,广泛应用于涂料、胶黏剂、油墨、光电子等领域。自1946年美国Inmont公司取得第一个UV固化油墨专利、1968年德国Bayer公司开发了第一代UV固化木器涂料以来,光固化涂料在全球获得迅速发展。近几十年来,一大批新型、高效的光引发剂、树脂、单体和先进的UV光源被应用于UV固化,促进了UV固化涂料工业的发展。

  光固化技术不断进步

   光固化技术是指以光为能源,通过光照使光引发剂分解产生自由基或离子等活性种,这些活性种引发单体聚合,使之由液体快速转化为固体聚合物的技术,由于其能耗低(为热聚合的1/5到1/10)、速度快(几秒至几十秒完成聚合过程)、无污染(没有溶剂挥发)等优点而被称为绿色技术。

   目前中国已成为光聚合材料的最大应用国之一,在该领域的发展备受国际关注。在环境污染越来越严重的今天,发展无污染环保光聚合技术显得十分重要。据统计,全球每年向大气释放的碳氢化合物约为2000万吨,大部分是涂料中的有机溶剂。在涂料制造过程中排放到大气中的有机溶剂为涂料生产量的2%,在涂料的使用过程中挥发的有机溶剂为涂料量的50%~80%。为了降低污染排放,UV固化涂料正在逐渐取代传统的热固化涂料和溶剂型涂料。

   随着光固化技术的不断进步,其应用领域也将逐步拓宽。早期光固化技术主要是在涂料方面,因为当时还无法解决光在有色体系中的渗透和吸收问题。但随着光引发剂的发展以及光源功率的提高,光固化技术逐渐可以适应不同油墨体系的需求,光固化油墨获得了迅速发展。近年来光固化技术的不断进步,使其可以向其他领域渗透。由于基础研究的进步,对光固化基础机理的理解更为深入,而社会环境的变迁也会对光固化技术提出新的要求,光固化技术得以创新发展。

  光固化涂料应用越来越广泛

  UV固化涂料包括:

  光固化竹木涂料:作为金沙唯一官方娱乐场国的一个特色产品,竹家具和竹地板等制品目前多采用UV固化涂料。国内各种地板UV涂装的比例非常高,是UV涂料的重要用途之一。

  光固化纸张涂料:作为最早使用的UV涂料品种之一,UV纸张上光涂料在各种印刷品中都有应用,尤其是广告及刊物封面,目前仍然是较大的UV涂料品种。

  光固化塑料涂料:塑料制品为了美观及耐性要求,都需进行涂装,UV塑料涂料的种类很多,要求差异大,但多以装饰为主,最为常见的UV塑料涂料是各种家电、手机等的外壳。

  光固化真空镀膜涂料:为增加包装的质感,目前最常见的方法是将塑料通过真空蒸镀进行金属化处理,这一过程中需要用到UV底漆、面漆等产品,其主要用途是化妆品包装。

  光固化金属涂料:金属的UV涂料包括UV防锈底漆、UV固化金属临时保护涂料、金属UV装饰涂料、金属UV表面保护涂料等。

  光固化光纤涂料:光纤的生产从底到面需要经过4~5次涂装,目前几乎全部用光固化的方式完成,UV光纤涂料也是光固化应用最为成功的例子,其光固化速度可到3000米/分钟。

  光固化保形涂料:对于户外产品,尤其是电子产品,需要经受风吹雨淋等自然环境变化的考验,为了保证产品的长期正常使用,需要对电器等进行保护,UV保形涂料就是针对这一应用开发的,旨在延长电器的使用寿命和使用稳定性。

  光固化玻璃涂料:玻璃自身的装饰性很差,如果需要玻璃产生彩色效果,就需要进行涂装,UV玻璃涂料应运而生,该类产品对耐老化、耐酸碱的要求高,是一款高端UV产品。

  光固化陶瓷涂料:陶瓷为了增加其美观性,需要进行表面涂装,目前应用于陶瓷的UV涂料主要有陶瓷喷墨涂料、陶瓷花纸涂料等。

  光固化石材涂料:天然石材会有各种缺陷,为了提高其美观度,需对石材进行修饰,光固化石材涂料的主要目的就是修复天然石材的缺陷,对强度、色泽、耐磨、耐老化的要求高。

  光固化皮革涂料:UV皮革涂料有两大类,一是UV皮革离型涂料,用于人造皮革花纹纸的制备,其用量非常大;另一类是皮革的装饰涂料,改变天然或人造皮革的外观,增强其装饰性。

  光固化汽车涂料:车灯从内到外都会用到光固化技术,灯碗、灯罩都需要通过光固化技术来进行涂装;汽车的内外饰中有大量部件用到光固化技术如仪表盘、后视镜、方向盘、档把手、轮毂、内饰条等;汽车的保险杆通过光固化技术制备,而表面涂装也是光聚合来完成;汽车的大量电子部件如车载显示器、中控板等的制备也需要用到光固化材料;而现在流行的车衣,其表面的耐老化涂层也是通过光固化技术来完成的;而汽车车身涂料已经实现了光固化;汽车的漆膜修复、玻璃破损修复等也会用到光固化技术。

  光固化水性涂料:为解决UV涂料喷涂需要添加溶剂而造成污染的问题,目前一个重要的方向是UV涂料的水性化,以水为溶剂来提高UV涂料的施工性能,目前国内外水性涂料都处于起步阶段。

  光固化粉末涂料:将普通粉末涂料与光固化技术结合,开发的光固化粉末涂料具有固化温度低、产品质量优异、应用面广的特点。该涂料在金沙唯一官方娱乐场国处于研发阶段,但国外已经产业化。

  光固化抗静电涂料:光固化抗静电涂料是在UV涂料中添加抗静电组分,来增加涂层抗静电能力的一种特殊涂料,虽然应用量不大,但有其特殊性。

  光固化阻燃涂料:光固化涂料有时需要阻燃的效果,因而可以通过添加特殊阻燃剂的方法来解决涂料的阻燃问题。虽然一些通用的阻燃剂可以应用到UV涂料中赋予其阻燃效果,但由于UV涂料的特殊性,比如透光要求等,UV阻燃涂料的阻燃剂还有其特殊结构要求。

  光固化氟碳涂料:氟碳涂料由于其良好的耐候性能被广泛应用,目前光固化氟碳涂料的应用也越来越普遍,关键是解决不同组分的互溶性问题,需从材料的结构设计开始,制备出符合使用要求的UV氟碳涂料原料。

  从原料和技术等方面提升光固化技术

  就光固化技术本身而言,为了保持其固有的优势,增强其竞争力,也需要不断对自身技术进行更新,从原材料、新技术等方面来不断进步,主要有以下几个方面:

  光固化表面改性  

  光固化技术由于光线传播的限制,不能渗透到材料内部,因而其应用主要是材料表面的化学反应。在通用材料表面应用方面,从普通的印刷上光到家装、建材、汽车内饰、户外保护,光固化技术也都在发挥其优势。对于一些特殊环境和对时间要求较高的应用,光固化技术有不可替代的地位,例如对学校、医院、室内卖场、车库等场地的装修。由于时间的限制,如学校需要利用短暂的假期完成返修、医院需要利用夜间休诊完成手术室的装修等,需要一种既快速又安全的技术来完成,光固化技术是最好的选择。另一方面由于光固化涂料没有溶剂排放,使得其安全性大大提高。

  光固化图案化

  光固化由于其时空可控性,可用于图形的制备及转移。光刻技术就是利用光固化技术时空可控的性质来实现的。通过光聚合技术,可以实现芯片、LCD显示、线路板制造的不同级别的光刻应用,将不同尺寸的图形转移到不同基材上,实现精密图形制作。当前,微电子部件体积越来越小,性能越来越高,一个重要的原因就是光刻技术越来越高,所得到的线条越来越小,使得微电子器件的小型化成为可能,而且能耗也越来越低。另外,光固化技术还可以用于微流道加工、三维图像制备、复杂结构加工等方面,这些精密的加工技术对光固化材料的要求非常高,他们的纯度完全不同于普通的油墨、涂料。

  光固化3D打印

  光固化由于其快速固化的特性,特别适用于快速加工成型,如3D打印等,可以实现复杂物件的快速成型。目前3D打印技术中,光固化3D 打印的应用最为广泛,例如以激光为光源的立体光刻技术是3D打印的基础,是第一代3D打印技术,利用激光作为光源进行快速扫面,实现三维图形的固定。目前光固化3D打印技术已经拓展出众多产品,光源也从最早的紫外光逐渐向可见光发展。

  光固化生物材料

  光固化技术在生物医药中的应用主要有口腔修复材料、骨修复、快速组织无线缝合、手术临床模拟模型、心脏手术固定、组织缺损修复、软组织水凝胶制备等。最早开发的光固化生物材料是光固化牙齿修复材料,目前正畸模型的光固化3D打印已广泛应用;光固化骨科材料主要是用于取代传统骨修复的不锈钢材料,既可以实现快速修复,又减少二次手术取出固定部件的痛苦;光固化心脏手术固定、组织缺损修复与光固化骨修复比较类似,只是部位不同,所用材料要求不同,比如心脏由于需要跳动,所以材料需要有弹性,而不像骨头那样是刚性的,而不同人体组织具有不同功能及结构,就需要修复的材料同样具有这种结构及功能,否则修复后的组织无法正常工作。无线缝合技术是利用光固化的技术,使病人的伤口快速修复,不需要进行缝合,而且这些光固化粘合剂还可以降解,不需要取出,因而可以减少病人的拆线过程,这对于在体内的手术十分重要,但是在临床上,光固化无线缝合面临众多的挑战。

  光固化本体材料

  随着光固化技术的进步,光聚合与其他技术结合的工艺已经开始应用,如光-热、光-潮气技术、前线光聚合、阳离子光聚合等。光固化已经开始从表面改性逐渐向本体材料转移,用于制备各种本体材料如光固化复合材料、光固化块体材料、光固化的汽车、飞机、航天器部件等。例如以光为动力驱动,首先实现材料表面的聚合,由于材料聚合时会放出大量的热量,当聚合释放的热量足够引发传统热聚合的时候,就不再需要光照,热聚合同样会产生热量进一步引发后续聚合。同样,利用光聚合实现材料表面聚合后,如果后续能够发生潮气聚合,空气中的水可以源源不断地渗透到材料中去,使潮气固化能够持续发生,直到所有材料聚合而停止,这样就可以用来制备厚度很大的材料。而对于光阳离子聚合,阳离子一旦产生,就将长期存活,这样就可以利用光先引发阳离子聚合,而对于光不能穿透到的部位,可以利用已经存在的阳离子,通过加热实现阳离子的继续固化。这些技术已经在汽车保险杠、汽车内饰件、航空部件、飞机部件的制作上得到应用,尤其是汽车轻量化提上日程后,碳纤维复合材料在汽车上的应用逐渐实现量产,光固化技术的应用也越来越多。

  光固化的其他潜在应用

  太阳能电池板在制备过程中会用到光固化技术如EVA隔膜的交联、太阳能表面的耐污涂装、有机太阳能电池的卷对卷光固化涂装等;

  风力发电叶片的制备已经可以实现光固化,而风力叶片的破损修复时,光固化是最简便、最有效、最经济的方法之一。

  除前面提到的汽车、飞机等光固化的应用外,光固化技术在高铁的内饰件、高铁复合材料、轮船的内饰材料方面也有大量的应用,如光固化防火内饰板用于高铁及邮轮、高铁整体卫生间的涂装等。

  光固化技术对破损道路进行维修,其性能与混凝土类似,能够实现30分钟快速完成,这样不会造成大面积交通堵塞。

  对于公路指示牌,由于长期暴露在复杂的环境中,既有高温、又有高湿,还有极低温度、风吹日晒,而且不宜经常更换,因此要求极高,国外已经用电子束(EB)固化技术对高速公路指示牌进行表面涂装,来达到耐老化、耐高温高湿、耐雨雪等目的。

  近年来,随着微电子制备技术的发展,光固化技术在光学膜方面的应用日趋成熟,从普通的硬化膜到增亮膜,从偏光膜到扩散膜的制备都有光固化的身影,而芯片制造的光刻胶更是十分关键。

  未来光固化技术趋势

  光固化的发展与其原料、设备、技术的进步密不可分,未来光固化的发展包括以下几方面:

  功能化树脂的开发

  将含有低表面能官能团的树脂用于耐污涂层,这些包括含硅、含氟结构单元,其硅氟结构能有效降低体系的表面能,从而起到耐污、自清洁的作用。

  光固化水性化树脂主要是含有阳离子、阴离子或非离子基团的树脂,其在水中可以溶解或分散,这样可以用水作为稀释剂,减少有机溶剂的应用,从而减少VOCs排放。目前水性UV树脂最大的问题是制备的涂层最终性能如抗水性、耐酸碱、耐溶剂、耐划伤性能不能满足需求。

  无机-有机杂化树脂用于高性能表面涂层的制备,可提高硬度及耐划伤能力,这些树脂主要是通过溶胶-凝胶法制备纳米无机粒子,使其均匀分散于有机相中,有机相提供聚合性能,无机粒子提供其他功能化。

  近年由于3D打印、喷墨打印、无溶剂喷涂等光固化产品的发展,对低粘度树脂的需求逐年增加,超低黏度树脂的开发势在必行。由于现代光固化材料对固化涂层的性能要求越来越高,为提高材料性能,需要用高官能度的树脂来提高聚合物性能以提高材料性能,比较有优势的方案是用超支化聚酯等进行改性,合成可聚合树脂。

  以可再生资源为基础的树脂开发是目前发展的热点,如以天然油脂、天然糖类化合物、天然高分子、动植物提取物为基础的树脂的制备已经在进行大量的基础研究,一些产品如大豆油改性丙烯酸酯、糠醛树脂丙烯酸酯等已经产业化。

  光源的发展

  传统光固化以高压汞灯为光源,使用过程中会产生臭氧而污染环境、大量放热而导致能源浪费,且汞本身是有毒物质等,使得汞灯的应用受到限制,开发新型光源是当前的重大任务,节能、安全、高效的LED光源是有效的替代品。

  开发不同波长,尤其是波长处于300nm到365nm之间的LED光源是光固化技术的重大需求,光源的高效发光是节能的关键。对于长波长LED如385~405nm波长的产品,目前已很成熟,但问题是与这些波长相匹配的光引发剂目前还很少,使得其应用受到限制;另一方面,长波长LED光源还不能很好地解决材料表面固化的问题,因而需要开发短波长LED光源。但是,波长越短,光的能量越高,高能量会破坏有机分子使之分解,因而短波长LED的封装材料是目前的最大困难,如果能最终解决短波长LED的封装及其高能量,那将使得光固化技术的应用得到更大的发展,因为LED光源寿命长、成本低、能耗小,这些将十分有利于光固化技术的推广。

  光固化新技术  

  EB固化技术本质上讲也是光聚合技术,其差别是EB技术的波长更短,能量更高。目前EB已经在印刷油墨、表面涂装、不干胶、复合材料、离型膜、卷钢涂层等方面进行应用,其速度可达300 米/分钟,既节能又环保,具有良好的发展前景。EB固化技术在金沙唯一官方娱乐场国还处于起步阶段,但随着国产EB设备的成熟,该技术的应用将会得到推广。近几年EB固化在印刷方面的应用已经起步,因为EB固化印刷更节能、速度更高、产品质量更好。香烟的过滤嘴是一个直接与人体口腔接触的材料,因而其要求极高,既不能溶解于水,又不能有任何的化合物迁移出来,还不能有气味。但是,过滤嘴是一种纸,完全不耐水,需要在这种纸上涂装一层涂层,来实现耐水性、生物安全等性能,而EB固化涂层就是最好的选择之一。

   EB固化离型膜在金沙唯一官方娱乐场国也开始应用,主要是利用EB的高能量,使得材料能够高度交联,这样离型层中就不会有任何的小分子释放出来,保证离型膜的离型稳定性,尤其对于像光学膜这种高性能的膜材料,离型层中的任何污染都会使光学膜的性能降低而无法使用,因而EB离型膜主要用于高端产品。

   EB在卷钢涂层中的应用已经在国外实现量产,但在金沙唯一官方娱乐场国还处于起步阶段,其最大的优势是固化速度快,能大大提高生产效率,降低能耗,另外其产品的性能也非常优异,尤其是户外耐老化性能远远高于光固化涂层和传统的热固化涂层。无溶剂喷涂技术主要是为解决喷涂需要添加一定量的溶剂来进行稀释而造成溶剂污染这一问题而发展起来的。

  阳离子光聚合技术

  目前快速发展的自由基体系由于其自身的缺点,无法满足一些应用领域的要求,因而发展阳离子光聚合是有效的补充。如对高柔顺涂层,一般自由基光聚合由于材料自身的特性而无法实现,而光阳离子聚合以环氧为主体,可以较容易获得高柔性涂层。另外对金属基材的涂装,自由基光聚合体系由于其快速聚合及体积收缩的原因,涂层附着力较差,而采用阳离子光聚合,环氧在聚合过程中开环而引起体积的膨胀,可以大大提高涂层的附着力。

   光聚合技术的发展既与自身的技术进步相关,也与国家政策、其他领域的要求、其他行业的技术突破有关联,在金沙唯一官方娱乐场国严格的环保政策之下,溶剂排放受到限制,无污染的光聚合技术必将受到青睐。



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