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紫外线光固化电泳涂料

2018/11/27 18:08:11

Vol 138No 14
16・化 工 新 型 材 料
N EW CH EMICAL MA TERIAL S 第38卷第4期2010年4月

作者简介:柳宇航(1986-),男,硕士,研究方向为功能高分子材料。联系人:王振
             紫外光固化阴极电泳涂料研究进展
柳宇航 孙 宁3
(五邑大学化学与环境工程系,江门529020)
摘 要 介绍了UV 固化阴极电泳涂料的优良特性及其应用前景,综述了国内外关于UV 固化阴极电泳涂料的研究进展,其中包括基体树脂、光引发剂和涂装固化工艺的近期研究状况,并对今后UV 固化阴极电泳涂料研究过程中的热点问题以及未来的研究趋势作了展望。

关键词 阴极电泳涂料,紫外光固化,水性涂料
Progress in UV curable cathodic electrophoretic coatings
Liu Yuhang  Sun Ning
(Depart ment of Chemical &Environmental Engineering ,Wuyi University ,Jiangmen 529020)
Abstract  The characterizations and f uture applications of UV curable cathodic electrophoretic coatings were intro 2
duced.The recent development of UV curable cathodic electrophoretic coatings was reviewed ,including the matrix resin ,photoinitiator and coating 2curing process.The hot topics and the f uture trends in the f uture research were also briefly de 2scribed.

K ey w ords 
cathodic electrophoretic coating ,UV 2curing ,water 2based coating ,development   电泳涂料因具有漆膜均匀、硬度高、透明性好、低污染和节能等优点,而广泛应用于五金零部件和家电等的涂装,在汽车生产中更是独占鳌头。阳极电泳涂料在应用领域有一定的发展,但相比之下阴极电泳涂料改性或掺杂后具有更优异的防腐能力、更高的泳透力、不溶解被涂物和电泳槽液稳定等特点,而备受关注[123]。
目前阴极电泳涂料的固化方式以热固化为主,固化温度一般在140~180℃,而对于很多带有塑料或橡胶的金属零部件以及热敏性材料而言,高温热固化涂料就无法达到其要求,解决的方法之一就是在涂料固化上研发低温固化工艺
[4]
紫外光(UV )固化是利用涂膜树脂在紫外光照射下发生聚合架桥反应,在低温的条件下短时间内就能完成的固化工艺。由于UV 固化技术完全符合“3E ”原则[5],即:节约能源(Ener 2
gy ),生态环境保护(Ecology ),经济(Economy ),因而在短时间
内得到较快发展。
UV 固化电泳涂料[6]具有光固化性能,同时结合电泳涂装
技术,因此,它既能满足产品进行电泳涂装的加工要求,又能解决涂装材料受涂膜固化温度的影响问题。集UV 固化与电泳涂装两优点于一身的UV 固化阴极电泳涂料有着极大的应用发展前景。
1 UV 固化阴极电泳涂料基体树脂的研究
UV 固化阴极电泳涂料中,基体树脂的结构不仅影响着体系黏度和泳透率,而且影响到光固化反应活性,而这些都是进行电泳涂装及光固化工艺所要考虑的因素,同时也是成膜后漆膜各方性能优劣的重要依据[728]。目前,国内外研究的紫外光固化阴极电泳涂料基体树脂主要集中在丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂和聚氨酯丙烯酸树脂这三类。
111 丙烯酸树脂
丙烯酸树脂涂膜耐候性好,光泽度高,而且综合性价比高,因而科学研究及实际应用价值高。Masao Fukuda 等[9]利用多种丙烯酸单体合成了具有多丙烯酰基官能团的丙烯酸树脂,电泳涂装UV 固化后的漆膜硬度高,表面光泽。
申屠宝卿等[10211]通过自由基共聚合得到丙烯酸树脂,然后用甲基丙烯酸异氰酸乙酯(MOI )对其改性,合成了带有N ,
N 2二甲胺基的光固化阴极电泳漆基体树脂。实验发现,树脂
分子链上引入甲基丙烯酸2N ,N 2二甲胺乙酯(DMA EMA )后,其水分散有较大改善,稳定性提高。
刘仁等[12]以甲基丙烯酸二甲胺乙酯(DMA EMA )、甲基丙烯酸羟乙酯(H EMA )等单体制备得到阳离子型丙烯酸树脂,再利用含异氰酸根的不饱和单体对其进行接枝改性,合成的UV 固化阴极电泳涂料耐酸碱性能优异。
1.2 环氧丙烯酸树脂
环氧类阴极电泳树脂具有化学稳定性好、漆膜附着力强及优良的电绝缘性等特性,因而研究应用广泛。Kim Y B 等[13]利用甲基丙烯酸酯(MAA )和环氧氨基酯(EA )等共聚,以季戊四醇三丙烯酸酯(PETA )进行改性,制得了具有多官能度的改性环氧树脂,研究证明该树脂交联固化后具有优异的
4期柳宇航等:紫外光固化阴极电泳涂料研究进展
抗溶剂性。
安丰磊等[14]利用丙烯酸2β2羟乙酯(H EA)对异氰酸酯(TDI)半封闭,制得含异氰酸根的不饱和单体,并接枝到酸化胺化环氧树脂(E2552NR3)上,得到具有多官能度的水性感光极佳的UV固化阴极电泳漆膜,在后续的研究中[15],发现该新型阴极电泳涂料具有良好的水溶性和稳定性。
113 聚氨酯丙烯酸树脂
聚氨酯涂料具有优良的耐磨性和优异的耐化学药品性等优点而获得广泛应用,其中水性聚氨酯由于绿色环保,更是目前涂料界的研究热点[16]。
杨洪[17]采用带叔胺基的丙烯酸酯类单体共聚得含叔胺基树脂,并通过早前研究[18]的光稳定性良好的异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)与甲基丙烯酸2β2羟乙酯(H EA)的半加成物对丙烯酸树脂改性,得到具有良好附着力和柔韧性的基体树脂,涂装固化后漆膜无黄变、耐老化性能好,作为户外涂料使用具有很大的优势。
之后,杨洪等[19]利用丙烯酸酯类单体聚合并改性得到了具有侧链羟基的聚合并改性得到了具有侧链羟基的聚氨酯丙烯酸树脂,并研究了共聚反应的影响因素,发现复合型催化剂具有更好的催化作用,所得的聚氨酯丙烯酸酯光固化阴极电泳漆综合性能良好。
2 UV固化阴极电泳涂料中光引发剂的研究光引发剂是UV固化系列涂料中重要组成成分之一,在UV固化阴极电泳涂料中,光引发剂应该具有良好的油溶性,电泳涂装中光引发剂必须与基体树脂高度相容,同时为确保在UV固化前的闪蒸过程中没有光引发剂的损失,它也要具有较低的挥发度和良好的热稳定性。近年来对其研究的报道也较多,新型的光引发剂提高了自身引发性能,同时也改善了漆膜的相关性能[20]。
211 小分子类光引发剂
小分子光引发剂研究深入,价廉易得,符合一般的性能要求,因而在UV固化阴极电泳涂料中应用较多,但为了得到性能更好、应用更广泛的光引发剂,研究开发新的光引发剂的工作仍在继续。

 为提高光引发效率,J ung2Dae Cho等[21]在光引发剂体系中添加了光敏剂2,42二乙基硫杂蒽酮(DETX),在实验研究中发现,新型的复合光引发剂可大幅降低光聚合反应的活化能,从而缩短固化时间,同时固化交联度提高。
Tamabe J等[22]利用多种化合物合成了一类肟酯小分子,用于光聚合反应中,研究发现其具有良好的热稳定性及油溶性,同时便于贮存,光固化反应效率高。
2.2 高分子光引发剂
高分子化的光引发剂是近几年研究发展起来的,它即克服了小分子型的光引发剂在保存过程中容易挥发和迁移的缺点,同时增加在UV固化阴极电泳涂料中的油溶性,是光引发剂的未来发展趋势之一。
Hyun2Sung Do等[23]用42(42氯苯甲酰基)苯甲酸222(丙烯酰氧)乙基酯(P236)等单体合成了高分子光引发剂,大幅提高光引发剂的油溶性,后续研究表明,高分子化的光引发剂克服了小分子光引发剂残留迁移致使漆膜泛黄和老化的弊病,同时光引发剂高分子化,提高了其热稳定性,降低挥发,从而减少了环境污染。
Wei J un等[24]用3,52二氨基242氯二苯甲酮(DACBP)和苯酚合成了一种新型光引发剂DA PBP,然后利用DA PBP分别合成了不带有叔胺基侧链的高分子光引发剂PUSO和带有叔胺基侧链的高分子光引发剂PUSOA。研究中用电子自旋共振光谱(ESR)和聚氨酯丙烯酸光聚合反应平行对比实验进行表征,发现PUSOA活化效率最高,光聚合交联度最高。
3 UV固化电泳涂料的涂装固化工艺研究最终漆膜的性能,不仅受到涂料组成成分的制约,而且受到涂料涂装固化工艺的影响,这一点在电泳涂料中尤为突出[25]。UV固化阴极电泳涂料相比于一般的阴极电泳涂料和一般的UV固化涂料,在工艺参数及工艺流程上都有不同之处。

 

311 电泳涂装工艺
由于UV固化阴极电泳涂料中基体树脂的结构与一般阴极电泳涂料树脂不一样,因此在电泳涂装过程中,主要工艺参数(电泳电压和电泳时间)是有所不同的。
刘仁等[12]研究发现在固含量为10%的UV阴极电泳涂料工作液中,电泳电压80V,电泳时间90s时,得到膜厚18μm 外观及性能良好的漆膜,而在相同固含量的一般阴极电泳涂料中无法达到。
Kim Y B等[13]在电泳平行对比实验中发现,添加季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)聚结剂后,电泳沉积率比没加入的高,研究证实在阴极电泳涂料基体树脂中加入一电导率,增强泳透率。
安丰磊等[14]研究电泳涂装工艺中发现,电泳电压为80V,电泳时间为100s时,就能得到膜厚20μm、光滑平整的漆膜,与一般阴极电泳涂料实验对比,降低了能耗,提高了生产效率。

312 闪蒸工艺
UV固化阴极电泳涂料的电沉积膜在微观上是由含有一定水分的光固化胶体颗粒[26]组成的,电沉积膜的含水率对体系的流平性及光固化速率有着重要的影响。因此,在光固化之前需增加一道闪蒸除水工艺,从而进一步提高漆膜质量。
早期的研究[27]发现,闪蒸工艺中的温度及时间应把握得当:温度太高,漆膜树脂中的光引发剂会一定量的分解或挥发而损失;温度太低,则降低了除水速率,增加了工艺时间。同样,闪蒸时间太长,漆膜中水分蒸发过多,将影响固化后漆膜性能;时间太短,漆膜固化程度不够,影响漆膜使用寿命。并且,闪蒸过程同时也是电沉积膜上胶体颗粒间重新聚集流平的过程,这样将使得光引发剂能充分分散在漆膜中,电泳涂装后漆膜具有高效的固化活性,在UV固化过程中交联密集,成膜后漆膜光泽度好,硬度等性能优良[28]。
Katarina Johansson等[29]研究又发现在平行对比试验中漆膜的玻璃化温度(Tg)由于闪蒸工艺的不同发生了变化,进而影响最终的涂料性能。用红外线照射去漆膜中的水分也有相应报道[30],这种方法节约空间,简化工艺流程,但由于工业生产的多变性,这种方法仍有待研究。在UV固化阴极电泳

7
1

化工新型材料第38卷
涂料中,一般用以闪蒸工序,效果良好,但闪蒸工艺对漆膜影响的其他因素有待进一步的研究。
4 结 语
近年来,阴极电泳涂料的研究越来越多,不但追求低温固化和高性能化[31232],而且要注重环保及创新。与传统的热固化阴极电泳涂料相比,UV固化阴极电泳涂料不仅固化效率高、温度低,而且节能环保,是一种极具应用前景的水性涂料。

目前,UV固化阴极电泳涂料的研究尚处于基础阶段,在一些问题上仍需要进一步研究,如UV固化阴极电泳涂料所使用的基体树脂范围仍有局限,这将是今后研究的热点问题;适用于UV固化阴极电泳涂料的光引发剂的种类不多,现在虽然新型的光引发剂陆续在被研究开发,但仍处于实验室研究阶段,实际的工业生产应用有待进一步的研究;涂装固化过程对漆膜整体性能的影响及闪蒸工艺的实际应用问题尚需深入研究。
但可以肯定,随着UV固化阴极电泳涂料研究的不断深入,应用技术的不断创新,其应用领域也会不断扩大。

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