齐聚物、单体和光引发剂是光固配方的基本组成。UV 辐射固化的主要反应过程是由辐射引起光引发剂分解,生成的活性自由基引发单体/ 齐聚物聚合交联。因此,光引发剂的引发效率对配方的成本及光固化速率的影响致关重要。齐聚物组成了固化膜交联网状结构的骨架,它是产品理化性能的主要决定因素。多官能团单体一方面对组分起到稀释作用,提高可加工性能,另一方面对光固化体系的聚合速率影响很大。
1 齐聚物
齐聚物是光固化产品中比例最大的组分之一,是光固化配方的基料树脂,决定着固化后产品的基本性能(包括硬度、柔韧性、附着力、光学性能、耐老化等)。主要包括不饱和聚酯树脂、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯,以及丙烯酸化聚丙烯酸酯等。在20世纪30年代末期,不饱和聚酯树脂最早被开发用作光固化齐聚物。环氧丙烯酸酯是由商品环氧树脂和丙烯酸或甲基丙烯酸酯化而制得,是目前国内光固化产业内消耗量最大的一类光固化齐聚物。它的抗化学腐蚀性、强附着力、对颜料的良好润湿性,使其在纸张涂料、木器涂料、金属底漆方面得到广泛应用。
当前在UV 固化领域,主要是开发低粘度、高速固化、具有特殊功能性的齐聚物。开发低粘度齐聚物可减少配方中对皮肤有刺激作用的稀释单体用量;而特殊功能性齐聚物的开发主要是改善其物理、化学性能。除了传统的丙烯酸酯类齐聚物、环氧和乙烯基醚类化合物外,近年还开发了一些新型或功能性齐聚物。
1 . 1 环氧有机硅光敏齐聚物
由于聚硅氧烷具有良好的疏水性,低表面能及优良的抗紫外线能力,研究环氧聚硅氧烷光敏树脂的阳离子光固化,可望获得在无惰性气体保护条件下具有固化速度快、表面性能好、物理机械性能优良的上光、封装、涂层等材料,在电子、光纤通讯等高科技领域获得应用。具有高感光性含硅丙烯酸酯化合物ANS 和环氧有机硅光敏齐聚物,如图1 所示。
图1 环氧有机硅光敏齐聚物
图2 硅氧烷环氧树脂
1 . 2 水性齐聚物
水性齐聚物有聚醚丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、胺类丙烯酸酯、丙烯酸化丙烯酸酯等。这些齐聚物在固化前具有较强的吸水性,固化后又有较强的耐水性。也有非丙烯酸酯系列的齐聚物,如马来酸酯系列、乙烯醚系列齐聚物等。
1 . 3 混杂齐聚物
这种齐聚物是一端带有丙烯酸酯基团,另一端带有乙烯基或环氧基的可同时被自由基或阳离子引发聚合的齐聚物。这种杂混体系结合了丙烯酸酯和乙烯基醚的优点,避免了丙烯酸酯体系对皮肤的刺激性强、聚合时被氧阻聚的缺点。这种互穿聚合物网络的硬度高,模量高,透明度及耐划伤性好。
1 . 4 超枝化齐聚物
超枝化齐聚物是一类新型的聚合物,它具有球形或树枝状结构,表现出与线性聚合物不同的特性,如低熔点、低粘度、易溶解和高反应性等。
2 单体
在辐射固化组成中,单体起着重要的作用。单体除了可调节体系的粘度以外,还能影响到固化速度、聚合程度以及所生成的聚合物的应用性能。自由基固化工艺所使用的丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和苯乙烯具有较高的反应活性(丙烯酸酯> 甲基丙烯酸酯> 烯丙基> 乙烯基醚),工业上主要使用的是丙烯酸酯衍生物。阳离子聚合使用的环氧以及乙烯基醚等都是辐射固化配方中通常使用的单体。广泛用作阳离子固化单体的脂肪族环氧化合物与乙烯基醚单体相比,环氧单体的反应性较低,需要在UV 中停留更长的时间。为了提高活性,有人合成了一端具有丙烯酸酯基团或烯丙基团、另一端具有环氧基团的单体。
由于光引发剂会给涂层带来一些弊病并有一定的毒性,所以近年来无光引发剂的光固化体系的研究受到极大的关注,出现了如双环已基甲烷二异氰酸酯与含羟烷基乙烯基醚或含羟烷基马来酰亚胺衍生物的反应物;及环已基异氰酸酯与含羟烷基乙烯基苯醚或羟烷基马来酰亚胺衍生物的反应物。尽管无引发剂光聚合现在仍处于研究阶段,但它在食品包装、户外用UV 涂料和UV 粉末涂料方面有广阔的应用前景。
3光引发剂
3 . 1 水性光引发剂
水性光固化系统由于不含挥发性有机溶剂以及对皮肤无刺激性、无臭、成本低、适合多种涂布方式等优点,成为备受注目的新型光固体系。因此水溶性光引发剂作为水性光固体系的主要成分,也随之受到重视。水性硫杂蒽酮类光引发剂是近年来光引发剂研究的热点,但该类引发剂水溶性越强并非光引发性能就越好。
含有丙烯酸酯官能团的水性可共聚型光引发剂,能够与配方中的树脂和反应性单体共聚,降低涂料或油墨中小分子的挥发对产品质量的影响,可用于食品和家具工业上。
3 . 2 阳离子光引发剂
阳离子光引发剂不受游离氧的干扰,在空气中快速而完全地引发聚合,可以引发乙烯基醚类、环氧类齐聚物和单体反应,具有引发速度快、内应力小、厚膜固化等优点。常用的阳离子光引发剂是以鎓盐为代表的引发剂,有效的鎓盐有:硫鎓盐、碘鎓盐、氮鎓盐、芳茂铁盐,其负离子对有[B(PhF5)4]- 、PF6-、SbF6- 、AsF6- 、BF6- 、BF6- 等,固化速度的大小取决于负离子的活性,研究发现其活性大小为SbF6->> AsF6- > PF6- > > BF4- 。Stuart 等研究表明[B(PhF5)4]- 的活性比SbF6- 更强,SbF6-具有一定的毒性,因此有被[B(PhF5)4]- 取代的趋势。
3 . 3 复合光引发剂
在阳离子引发剂中,加入自由基光引发剂或光敏染料进行增感。自由基光引发剂和光敏染料通过间接电子转移对鎓盐起增感作用,或者通过扩大鎓盐的共轭度,使其最大吸收峰发生红移。活性中心由二芳基鎓碘盐的Bronsted 酸成为了Lewis 酸,引发效果有很大提高,感度有很大程度下降,因此合适的自由基引发剂与阳离子引发剂混合使用,可提高阳离子光聚合的活性。
3 . 4 混杂光引发剂
苯基膦二苯甲酮,如:p,p - 双[(三苯基膦)亚甲基]二苯甲酮鎓盐(负离子可以是Br - 、PF6-、BF6-等)。在紫外光照射下既可生成自由基,又可生成阳离子,这类光引发剂称为分子内的自由基与阳离子光引发混杂体系。
图3 自由基阳离子混杂光引发剂
由于该类混杂体系同时可以克服氧气对自由基的阻聚作用及阳离子聚合对水的敏感性,提高涂膜的固化度和物化性能,因此,混杂引发体系的发展日益受到重视。
3 . 5 高分子光引发剂
在光固化体系中,光引发剂在光固化过程中往往不是完全耗尽的,未光解部分往往会迁移到涂层的表面,而使涂层泛黄、老化,影响产品的质量;另一方面,一些引发剂与体系不能相容或相容性不好,使其应用受到限制。为解决这些问题,光引发剂的高分子化引起人们的重视。相比于小分子量的引发剂,高分子化的光引发剂具有以下优点:(1)在聚合物链中能量迁移和分子间反应变得更加容易,而使高分子光引发剂具有更高的光活性;(2)通过与非活性基团共聚,调节并设计光敏基团间的距离,或改变光活性基团与主链间的距离,从而获得具有不同反应活性的光引发剂;(3)可以在同一高分子链引入不同的光活性基团,利用它们的协同作用来提高光敏性能;(4)光敏基团的高分子化,限制了光敏基团的迁移,从而防止了涂层的黄变及老化;(5)由于大多数光解碎片仍连接在高分子基体上,因此可以降低体系的气味和毒性。
4 助剂和改性树脂
UV 固化涂料和油墨在许多领域得到愈来愈多的应用,因此对涂料助剂和改性树脂也提出了新的要求,以确保更高的质量和性能。UV 可固化丙烯酸、烯醇、乙烯基醚改性的树脂可长期保持涂料表面的不粘性和平滑性,同时使可析出物的迁移降到最低程度。
4 . 1 用于UV 固化涂料的有机硅氧烷树脂
丙烯酸酯化、烯醇改性的聚硅氧烷硅烷分子链越长,其平滑性和不粘性也越强,同时相容性也越差;改性程度越高,其溶解性,相容性和可涂性越好;综合二者的优缺点,可合成综合性能较佳的改性硅氧烷。
4 . 2 用于UV 固化涂料的含氟树脂
由于氟化树脂具有特殊性能,如热稳定性和化学稳定性,低折射率和较低的表面能,故广泛应用在涂料中。在当前应用的许多氟化产品中,全氟聚醚结构在涂料中表现出十分优异的性能。