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紫外光固化粉末涂料技术_3
钢结构防火涂料施工和成品保护

紫外光固化粉末涂料技术_3

日期:2020-04-19 20:45点击数:

  紫外光固化粉末涂料技术

  王德中 上海申真企业发展公司

  紫外光固化粉末涂装技术是由粉末涂装和紫外光固化二大技术综合而成的新技术。它的种种技术优势使它的应用范围超过了以往的热固性和热塑性粉末涂料。可以说是该领域中可产业化的新兴材料。

  1 开发历史

  从1990年初开始,欧洲报道了数项与紫外光固化粉末涂料有关的公开专利技术。到1995年其中的一

  部分获得了批准,这类专利技术的显著特点是:

  (1) 从涂料到涂层的无溶剂化,无VOC排放;

  (2) 涂料的使用范围扩大,实现了热敏材料的粉末涂装;

  (3) 涂料的固化时间缩短,能源节省。

  促使这种环保型新技术最早实现商业化的公司是:

  ?UV光固化粉末涂料——瑞典赫伯茨公司(HERBERT),现为杜邦粉末涂料公司;

  ?UV光固化粉末涂料加工设备——瑞典TRIAB公司;

  ?UV光固化涂装及制品经营——英国的STILEXO公司。

  紫外光固化粉末涂料技术应用最为成熟的是中密度纤维板(MDF)的表面涂装,这是比液体涂料更具优越性的环保型涂装技术。

  1.1 各国UV固化粉末涂料的应用

  英国STILEXO公司装备了TRIAB公司的UV—IR双重固化装置,并采用杜邦公司的粉末涂料涂装中密度纤维板。这种粉末喷涂的中密度纤维板主要用于家具、音响、办公用品等的制造。

  1998年英国的Baldor电子公司完成了电动机光固化粉末涂料涂装生产线的调试工作,一年后投入正式生产,电动机内部的许多配线材料都是受热易变形的材料,采用紫外光固化粉末涂料是解决这一问题的有效途径。

  1999年Voleo公司对汽车本身底漆二道浆和汽车散热器的涂装进行了技术改造,均改用UV固化粉末涂料进行涂装,取得了良好的效果。对于衬覆有橡胶材料的汽车散热器而言,采用UV固化粉末涂装是非常有利的,避免了橡胶材料的受热破坏。

  1.2 应用领域的拓展

  从理论上来讲UV固化粉末涂料的应用领域与UV固化液体涂料基本相同。从2000年的市场情况来看,塑料表面的UV固化粉末涂装很有前途。英国的Polyflor公司已用UV 固化粉末涂料涂装聚氯乙烯地板。这种粉末喷涂的聚氯乙烯地板具有以下使用性能:

  ?日光长期照射不褪色;

  ?地板洗涤剂用量减少40%;

  ?表面硬度显著提高。

  2 UV固化粉末涂料的涂层特性

  由紫外光照射引发交联反应形成的涂层具有以下的物理性能、化学性能和经济性能。

  2.1 物理性能

  ?表面硬度提高(铅笔硬度可以达到4H);

  ?耐磨强度提高(1㎏负荷下耐磨200次);

  ?涂膜的抗张强度提高;

  ?气泡减少。

  2.2 化学性能

  ?耐有机溶剂(在甲乙酮中不溶);

  ?耐沾污。

  2.3 经济性能

  ?涂装时粉末损失少;

  ?对环境影响小(无VOC释放);

  ?涂膜固化能耗低;

  ?固化设备占地少;

  ?固化时间短;

  ?可进行三维立体涂装。

  表1 UV固化粉末涂料的性能比较

  水性涂料 溶剂型涂料 普通粉末涂料 UV固化液体涂料 UV 固化粉末涂料

  环境问题(VOC) 无 有 TGIC有毒 无 无

  能源消耗 常温固化 常温干燥 180℃(大) 紫外线(小) 红外线+紫外线(中)

  固体含量,% 40~50 45~55 100 70~90 100

  涂布飞溅损失 大 大 可回收 回收较容易 可回收

  火灾、贮存问题 小 有 较小 有 较小

  干燥时间 长 长 20~30min 数分钟 数分钟

  涂料车间下脚料处理 有 有 可回收利用 可回收利用 可回收利用

  涂装方法 多层涂装 多层涂装 单层或多层 多层涂装 单层或多层

  涂装效率 低 低 较高 高 高

  换色 方便 方便 较困难 方便 较困难

  涂装热敏材料 可以 可以 不可以 可以 可以

  表1系统分析了水性涂料(包括乳液涂料)、有机溶剂型涂料、粉末涂料、UV固化液体涂料、UV 固化粉末涂料的各种经济指标及特性。表1数据说明,UV固化粉末涂料的综合性能较好。

  3 UV固化粉末涂料的化学组成

  UV光固化粉末涂料的组成见表2。

  表2 UV光固化粉末涂料的组成

  成分 色漆 清漆

  高分子预聚物 60%~65% 97%

  颜料(如TiO2) 10%

  体质颜料 20%~25%

  光敏剂 2.5% 2.5%

  脱泡剂 0.5% 0.5%

  流动促进剂 1%

  表2 中的树脂成分主要有以下几种类型:

  ?丙烯酸或甲基丙烯酸体系;

  ?环氧树脂体系;

  ?聚酯或聚酯环氧混合型体系;

  ?聚氨酯体系;

  ?乙烯醚类体系。

  今后期待着有机硅、有机氟等高性能聚合物体系的出现。

  UV固化粉末涂料的光固化速度受颜料成分的影响很大,例如采用二氧化钛配制白色UV固化粉末时,

  锐钛型和金红石型两种钛白由于紫外光吸收波长的不同会明显影响涂膜的固化过程。图1 是锐钛型和金红石型钛白粉的紫外光吸收谱图。

  图1 锐钛型和金红石型钛白的紫外线吸收谱图

  光引发剂和固化促进剂是UV固化粉末实现固化的重要保证,BAPO(双酰基氢氧化膦)、AHK(2—

  羟基酮)是新近推出的光引发剂和固化促进剂,使用效果很好。图2 表明了AHK、BAPO 的紫外线吸收谱图及化学结构。

  图2 光敏剂的化学结构及吸收光谱图

  4 UV固化粉末涂料的制备及成膜

  UV固化粉末涂料和普通粉末涂料的制备方法没有本质上的区别。只是应根据该体系原料的玻璃化温

  度、熔融指数适当地调整螺杆挤出机的温度和混炼时间。表3 对各种涂料的涂布方法和干燥方法进行了比较。

  表3 涂料的成膜方法比较

  涂料品种 涂布方法 干燥方法

  水性或乳液涂料

  有机溶剂型涂料 喷涂、辊涂

  刷涂、电泳浸涂 常温干燥、热风干燥、红外线干燥、真空干燥

  热固性粉末涂料

  热塑性粉末涂料 静电喷涂

  流化床涂装 红外线干燥

  热风炉干燥

  UV固化液体涂料 喷涂、辊涂、刷涂、浸涂 紫外线照射及UV-热风干燥

  UV固化粉末涂料的成膜方法如图3所示。

  图3. 紫外线固化粉末涂料的成膜过程

  表4列出了数种涂料的涂装效率。由表4可以看出UV固化粉末涂料具有高效,节省场地的优势。

  表4 各种涂料的涂膜干燥性能比较

  涂料品种

  固化条件 纤维素涂料 水性丙烯酸涂料 热固化粉末涂料 UV粉末涂料

  加热干燥 60℃×2min 60℃×10min 180℃×15min 100℃×1~3min

  保温 60℃×2min 60℃×15~20min 180℃×20min UV照射30s

  冷却时间 35℃×2min 30℃×10min 35℃×10min 35℃×1~2min

  流水线全长 30m 60~100m 175m 15~35m

  UV固化粉末涂料的加热熔融工艺(红外线照射)条件如下:

  ?流水线速度:0.5~2m/min;

  ?流水线长度:195cm;

  ?辐射强度:32kW/㎡;

  ?加热炉全长:2m。

  典型的红外加热装置全长2m,配置有5根红外灯管,不同底材(如中密度纤维板、铁板等)所要求的

  表面加热温度是不同的(见表5)。

  表5 UV固化粉末涂料的加热熔融条件

  流水线进口 出口

  红外灯管区域(温度,℃) 1 2 3 4 5

  灯管表面温度,℃ 400 400 300 200 150

  底材表面温度(MDF),℃ 55 90 90 85 80

  底材表面温度(铁板),℃ 50 105 125 130 123

  UV固化粉末的紫外光固化工艺条件如下:

  ?固化炉全长:155cm;

  ?流水线速度 1~5m/min;

  ?功率: 80~160w/cm;

  ?紫外灯波长:320~420nm。

  为了使紫外光能穿透60~100μm厚的涂层实现涂膜的完全固化,应采用能发射较长波长的紫外灯,这种灯制造时灯管中封入了镓和汞。脉冲式紫外光的辐射波长范围宽,辐射强度平均,而且透过率高。

  5 UV固化粉末涂料的技术进展

  传统的中压汞灯以及金属卤灯应用于粉末涂料的UV固化工艺存在着如下问题:

  ?对50~100μm厚涂层的光穿透性差;

  ?对高颜料填充的UV固化粉末涂料固化不足;

  ?黑色或高含量二氧化钛、黄色颜料的UV粉末涂料在短波紫外光范围内不能固化;

  ?对于三维立体涂装的底材而言,涂膜的UV光固化困难。

  大型被涂工件在涂装UV粉末涂料时需采用大功率的固化装置,这在实际操作中难以实现。 新近开发的脉冲式紫外光固化技术是解决上述问题的有效手段,使用Xenon灯能使含有白色颜料的UV 粉末涂料在30s内完全固化,透明UV粉末涂料则在15s内完成固化过程,表6为新型脉冲式紫外光辐射装置的性能比较。

  表6 脉冲式紫外光灯的功能比较

  功能 脉冲发光型 电极发光型 无电极发光型

  点灯时间 瞬间 5min以上 2~3 min

  输出稳定所需时间 无 长,数分钟 短,几秒钟

  紫外线发光功率 40~53%,可自由设计 低,17% 高,36.5%

  灯管封入气体 Xenon 汞,金属卤化物 汞,金属卤化物,其它

  灯管形状的选择 自由设计

  棒型、园型、三角型、螺旋型等 棒形和球形 棒形和球形

  波长变化 无 有 无

  使用寿命 1000h 1000h 封入气体达3000h

  对被照射物的热影响 3000mJ/cm2

  照射面温度50℃以下 1500mJ/cm2

  照射面温度120℃以上 1500mJ/cm2

  照射面温度75℃以上

  装置的应用 多种用途可聚光也可以水平放置 单一用途,灯呈水平状态 单一用途

  灯呈水平状态

  装置的要求 灯管冷却装置一体化 灯管冷却需另置排气装置 灯管冷却需另置排气装置

  灯管发光装置 轻量化,搬运方便 数种机械 数种机械,15㎏以上

  电源装置 轻量化,15~20㎏ 50㎏以上 30~80㎏

  破损灯管的处理 按一般玻璃废弃 按危险品(水银)处理 按危险品(水银)处理

  生产商 美国 Xenon公司 日本电池(株)

  东芝(株) 美国联合企业公司

  从表6可以看出,新型脉冲式紫外光辐射装置具有以下特点:

  ?辐射波长在300~1000nm范围,辐射强度分布平均,因此对光引发剂的选择范围宽;

  ?短波(在300nm附近)紫外光适宜于透明粉末涂料的固化;

  ?长波(在400nm附近)紫外光适宜于着色UV粉末涂料的固化;

  脉冲式灯管的功率高达1×105 W,能在短时间内(100万分之2秒)实现规定的能量输出,因此辐射能可以穿透厚膜使之完全固化。图4~7是脉冲式UV灯与普通UV灯的辐射光谱图。

  图4. 脉冲紫外光灯发射光谱。

  图5. 普通金属卤化物灯的发射光谱。

  图6. 大功率表面金属卤化物灯的发射光谱。

  6 结论

  UV粉末涂料是一种零VOC的新型粉末涂料,适用于热敏底材的涂装,具有节能高效的特点。UV粉

  末涂料作为全新的涂装材料正在广泛地为客户所认同,市场前景十分乐观。

  参考文献

  1) K. Buysen KsaKa K. Yamamoto: Red Tech Japan 2000 symposium (予稿集 M15~9)

  2) C. Zune K. Buysens: Eur Coat. J (5) J18 21~30(2000)

  3) MDF Industry Year book (1999)

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