能想像一個(gè)行業(yè)已經(jīng)保持連續(xù)35年的增長(zhǎng)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(jì)數(shù)據(jù)，北美市場(chǎng)上UV/EB產(chǎn)品增長(zhǎng)每年都超過(guò)了7%。

　　推動(dòng)這種增長(zhǎng)的動(dòng)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(yīng)商已能提供更多新型原材料。這些新型材料使配方設(shè)計(jì)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(jìn)一步拓寬了使用范圍。

　　兩個(gè)因素是推動(dòng)UV固化涂料增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

　　·環(huán)境-由于固含量最高可達(dá)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(diǎn)要求縮短固化時(shí)間、可自動(dòng)操作、縮短訂貨到交貨時(shí)間、減少?gòu)U料、廢棄物及其再利用和實(shí)現(xiàn)即時(shí)供貨。

　　這些因素結(jié)合起來(lái)為這一行業(yè)創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)。現(xiàn)在已經(jīng)是展望前景和充分利用這一機(jī)遇的大好時(shí)機(jī)了。

　　涂料組成

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

　　樹(shù)脂

　　樹(shù)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(duì)較高相對(duì)分子質(zhì)量的合成樹(shù)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(yǔ)“基料”有時(shí)可以和樹(shù)脂替換使用，但準(zhǔn)確的說(shuō)，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(lái)，使涂膜作為一個(gè)整體材料加以應(yīng)用。

　　基料提供了：

　　·對(duì)底材的附著力;

　　·包裹住顏料并使其相互分離，防止團(tuán)簇;

　　·流動(dòng)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(xué)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(xué)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(cè)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(guó)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(wú)機(jī)顏料、有機(jī)顏料和金屬顏料。

　　助劑

　　涂料配方中含有化學(xué)助劑，提供獨(dú)特的性能并起改進(jìn)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(dòng)控制劑、光澤改進(jìn)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(shù)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(dòng)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(dòng)性，UV涂料配制時(shí)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(xué)反應(yīng)。在這種自由基反應(yīng)過(guò)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(lèi)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(jī)溶劑中的合成熱塑性成膜聚合物，通過(guò)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(yīng)類(lèi)型的典型品種。

　　·化學(xué)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(shù)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(yīng)，導(dǎo)致骨架聚合物和交聯(lián)劑反應(yīng)，交聯(lián)形成涂膜。

　　·乳膠型成膜物-與揮發(fā)性漆類(lèi)似，這類(lèi)涂料是通過(guò)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(diǎn)是相同的，通過(guò)固化，溶劑或水揮發(fā)，樹(shù)脂、添加劑和顏料保留，涂層固含量可認(rèn)為是100%。這一過(guò)程闡述如圖1所示1。

　　圖1 固化過(guò)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(shí)，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(jìn)劑或催化劑，通常條件下不引發(fā)反應(yīng)，但暴露于UV光下會(huì)引發(fā)反應(yīng)。吸收UV光線(xiàn)后會(huì)在數(shù)秒內(nèi)在化學(xué)基團(tuán)中觸發(fā)自由基反應(yīng)形成交聯(lián)(固化)。{mafacms:page}

　　具體而言，這種化學(xué)過(guò)程(鏈反應(yīng))是由單體和齊聚物形成聚合物。UV固化可以具有UV光線(xiàn)的密閉小室中進(jìn)行。必須采用密閉小室，因?yàn)檠醯拇嬖跁?huì)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(jià)較高，常采用特定的配方來(lái)克服固化過(guò)程中氧的影響。現(xiàn)在，UV體系已很少必須使用密閉小室。

　　關(guān)于涂層的收縮，熱固性涂料是以聚氨酯和/或三聚氰胺樹(shù)脂交聯(lián)，它們共反應(yīng)只產(chǎn)生約1%的收縮。相比之下，UV涂料中自由基聚合反應(yīng)產(chǎn)生約20%的收縮。在配方設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮對(duì)收縮加以補(bǔ)償。

　　UV涂料中，促進(jìn)劑或催化劑稱(chēng)為光引發(fā)劑。為使固化進(jìn)行完全，UV光必須能活化或“看見(jiàn)”所有光引發(fā)劑。結(jié)果，這導(dǎo)致UV涂料干膜厚度會(huì)受限制(約1密耳)，特別是含有顏料時(shí)，它們可以影響UV固化。顏料分子會(huì)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(yù)料的，因?yàn)槠湮展獠ǖ奶匦裕谏吧钌苛献铍y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(yīng)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(jìn)行。但是，使用高度拋光的拋光面反射器，通過(guò)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(jìn)行UV涂裝，如自行車(chē)架和手工工具。

　　UV固化在數(shù)秒中進(jìn)行，形成致密的涂膜。快速固化還減少了在表面上沾附外來(lái)粒子，并可以盡可能減少對(duì)底材的加熱，這對(duì)熱敏性底材非常有利。

　　能量源

　　波長(zhǎng)

　　用于固化的UV光波長(zhǎng)范圍240-450nm。在這段波長(zhǎng)范圍內(nèi)需要使用光引發(fā)劑來(lái)引發(fā)聚合。通常可以利用三種不同的光源得到三種不同的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)光。400-450nm是由“V”燈得到，這是一種鎵(Ga)摻雜燈，其釋放出更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，可以滲透到涂膜表面以下，直至底材。可提供了優(yōu)異的附著力，要對(duì)含有顏料的涂料的完全固化時(shí)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(jiàn)光以及紫外線(xiàn)輻射。UV燈的主要類(lèi)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(cè)量

　　每種UV固化涂料說(shuō)明書(shū)都應(yīng)包含一些參數(shù)，以便于確定涂覆于表面時(shí)的輻射量及適宜的時(shí)間2。關(guān)鍵參數(shù)如下。

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

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

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

　　4.能量，J/cm2。能量用于測(cè)量輻射量和時(shí)間。邏輯上講，涂層受到的光照強(qiáng)度和時(shí)間將對(duì)固化有很大的影響。通常，涂裝線(xiàn)操作者采用一種名為輻射計(jì)的裝置測(cè)量監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程。

　　輻射計(jì)

　　為有效固化UV體系，三個(gè)因素很重要：輻射、能量和波長(zhǎng)。這些可以用輻射計(jì)測(cè)量，其大小約為現(xiàn)在所用手機(jī)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(guò)UV光，測(cè)量暴露于部件(涂層)的UV光，其值通常可以從LED顯示屏上讀出。確定了滿(mǎn)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(fù)性和再現(xiàn)性。

　　UV涂裝的優(yōu)點(diǎn)

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

　　投入資金少

　　這是因?yàn)橐韵聨讉€(gè)因素：

　　·無(wú)需固化爐;

　　·需要架高的傳送長(zhǎng)度更短;

　　·裝卸涂裝好的部件所占地方更小;

　　·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(zhǎng)×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(fèi)用為6,000美元，相比之下，UV體系只需600美元。

　　強(qiáng)烈推薦在涂裝區(qū)后和固化燈前設(shè)計(jì)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(shí)間有利于100%固含量的涂料流動(dòng)，在使用固含量低于100%的(水性或溶劑性)UV涂料時(shí)也是必須的。在系統(tǒng)設(shè)置好后再重新設(shè)計(jì)安裝IR燈會(huì)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。可以盡可能減少對(duì)底材的升溫要求，可以在固化后迅速使用涂裝好的部件。

　　運(yùn)行成本降低

　　液態(tài)UV涂料的主要優(yōu)點(diǎn)是去除了代價(jià)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(shí)與熱烘爐相比，UV燈每年的運(yùn)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(fēng)機(jī)來(lái)達(dá)到指定的生產(chǎn)能力。而達(dá)到同樣的產(chǎn)能，對(duì)四個(gè)UV燈，需消耗總量?jī)H需72kW/hr。

　　圖3所示為典型的每年的運(yùn)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(shí)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(yùn)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(jìn)行校正操作，提高了涂裝系統(tǒng)效率。{mafacms:page}

　　傳送系統(tǒng)的長(zhǎng)度與其成本直接成正比。傳送系統(tǒng)通過(guò)傳統(tǒng)的熱烘爐會(huì)產(chǎn)生由于潤(rùn)滑劑快速損耗引起的加速磨損，并導(dǎo)致過(guò)度負(fù)荷和裝置磨耗。以100英尺的熱烘爐為例，涂裝線(xiàn)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(gè)燈時(shí)，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(shí)間傳統(tǒng)的熱烘爐最高可達(dá)數(shù)小時(shí)，而UV涂料通常為數(shù)秒，從而各個(gè)工件的涂裝時(shí)間可以大大縮短。這可及時(shí)調(diào)整以適應(yīng)客戶(hù)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(dǎo)致操作過(guò)程中工作量的減少(WIP)，降低庫(kù)存和提高資金流動(dòng)能力用于其他投資。

　　由于UV涂料只有在暴露于高強(qiáng)度UV燈下才會(huì)固化，回收過(guò)噴物變得更方便，提高了使用率。

　　減少了對(duì)環(huán)境的沖擊

　　100%固含量的UV配方不含VOCs和HAPs。這對(duì)于適應(yīng)排放要求是非常有利的。如果需要，非VOC類(lèi)溶劑如丙酮，可以用于固含量低于100%的配方中。此外，涂料過(guò)濾物可以固化和作為垃圾處理，而無(wú)需進(jìn)行費(fèi)用高昂的危險(xiǎn)廢品運(yùn)輸和處理。圖5對(duì)這方面的成本對(duì)比進(jìn)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(fù)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(huà)藝術(shù)-有時(shí)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(hù)涂層以防止光纖彎曲和使用過(guò)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(shí)現(xiàn)所需的保護(hù)性能。

　　·光盤(pán)-也用于CD和DVD的保護(hù)涂層;

　　·膠粘劑-用于粘接各種底材;

　　·快速準(zhǔn)確打樣-這是新開(kāi)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(bǔ)、密封、壓印材料和快速準(zhǔn)確打樣的牙科用樹(shù)脂;

　　·復(fù)合材料/塑料件-用于汽車(chē)部件、真空金屬化、飛機(jī)部件、瓶子、自行車(chē)、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(lái)

　　預(yù)測(cè)北美UV涂料每年的增長(zhǎng)仍將持續(xù)保持5-10%。其推動(dòng)力在于：

　　·適應(yīng)環(huán)境要求(越來(lái)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(duì)金屬和塑料的附著力;

　　·汽車(chē)工業(yè)(塑料件);

　　·新技術(shù)(LED固化)。

　　繪畫(huà)藝術(shù)、木器、醫(yī)療/牙科、汽車(chē)、快速準(zhǔn)確打樣和LED固化市場(chǎng)預(yù)期在不久的將來(lái)將得到最快的增長(zhǎng)。

　　LED固化定義為更長(zhǎng)波長(zhǎng)(大于400nm，但范圍更窄)，由LED燈發(fā)出。它的一些優(yōu)點(diǎn)包括只需使用更低的能量，燈方便攜帶。由于使用的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，提高了安全性，與目前所用UV燈相比，降低了成本。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(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)引發(fā)自由基反應(yīng)，并仍能提供涂膜所需的性能。對(duì)這一技術(shù)的研究仍在進(jìn)行中。

　　結(jié)論

　　讓人看到希望的是，一些關(guān)于UV涂料的神秘性已消除，使得人們可以意識(shí)到UV體系可以為涂裝和涂裝產(chǎn)品帶來(lái)的一些潛在的優(yōu)點(diǎn)。一些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，包括：通過(guò)提高效率來(lái)降低運(yùn)行成本，適應(yīng)新的環(huán)保控制要求和可進(jìn)入一些新型市場(chǎng)。

　　隨著前15年來(lái)UV涂料應(yīng)用的實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng)，一種新型產(chǎn)品/技術(shù)已經(jīng)形成。回想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(jìn)步，性能的提高已成為可能;越來(lái)越多市場(chǎng)可以利用這一突破性成果，這主要是由于法規(guī)限制越來(lái)越嚴(yán)格。這也是為什么將本文標(biāo)題定為“UV涂料立足現(xiàn)狀展望未來(lái)”。

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