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    水性UV涂料固化機理及影響因素

    發表時間:2014/07/15

           摘要:水性UV涂料主要是由預聚物(水基光固化樹脂)、光引發劑、顏料、胺類物質、水、助溶劑和其它添加劑等配制而成。其干燥固化結合了UV光固化和水性涂料滲透蒸發二種干燥形式,具體說主要有兩種干燥方式:水性體系的預揮發干燥和紫外光固化。
      一、水性UV涂料的固化干燥機理

      水性UV涂料主要是由預聚物(水基光固化樹脂)、光引發劑、顏料、胺類物質、水、助溶劑和其它添加劑等配制而成。其干燥固化結合了UV光固化和水性涂料滲透蒸發二種干燥形式,具體說主要有兩種干燥方式:水性體系的預揮發干燥和紫外光固化。


      1.預揮發干燥機理

      預干燥是光固化之前必須有的一道工序,不進行預干燥將導致光固化的最終結果不理想。在水性UV涂料的制造過程中,水基光固化樹脂通過添加一種堿或者酸使其變成羧酸鹽才能溶于水,其中通過加氨水使其成鹽的反應可示為:R-COOH+NH→R-COO+NH(水溶性)反過來輸紙,在預干燥過程中發生的反應是:

      R-COO+NH→R-COOH(水不溶)+NH↑

      2.光固化成膜機理

      UV固化水性材料的固化是指在紫外光的照射下,光引發劑吸收紫外光的輻射能后分裂成自由基,引發預聚物發生聚合、交聯接枝反應,在很短的時間內固化成三維的網狀高分子聚合物,得到硬化膜發展史,實質是通過形成化學鍵實現化學干燥。其固化過程一般可分為四個階段:①光與光引發劑之間相互作用,它可能包括對光的吸收和光引發劑之間的相互作用;②光引發劑分子發生重排,形成自由基中間體;③自由基與齊聚物中的不飽和基團作用引發鏈或聚合反應;④聚合反應繼續,液態的組分轉變為固體聚合物。

      二、影響水性UV涂料固化干燥的因素

      影響水性UV涂料固化干燥的因素很多,本文只對其主要的影響因素進行討論總論,這些因素有以下幾方面:

      1.水性體系的預干燥對光固化的影響

      固化前的干燥條件對固化速度的影響很大,不干燥或干燥不完全時,固化速度較慢,且隨曝光時間的延長,膠凝率無明顯提高。這是因為過度包裝,盡管水對抑制氧的阻聚作用有一定的效果,但是這只能使墨膜表面迅速固化,只達到表干,而不能達到實干。由于體系內含有大量的水,體系在一定溫度下固化時標準及認證,隨著墨膜表面水分的迅速揮發,墨膜表面迅速固化,膜層里面的水則難以逸出,大量的水殘留在墨膜中,阻止了墨膜的進一步固化打樣,固化速度降低。另外,UV照射時的周圍溫度對UV涂料的固化有很大的影響。溫度越高,固化性越好。因此施行預熱的話,涂料的固化性會增強,附著性更好。

      2.水性UV固化樹脂對光固化的影響

      水性UV固化樹脂要進行自由基光固化軟包裝,這就要求樹脂分子必須帶有不飽和基團,在紫外光的照射下,分子中的不飽和基團互相交聯,由液態涂層變成固態涂層。通常采用引入丙烯?;?、甲基丙烯?;?、乙烯基醚或烯丙基的方法,使合成的樹脂具有不飽和基團認證,從而可以在合適的條件下進行固化,丙烯酸酯由于其反應活性高而經常被使用。對于自由基型紫外光固化體系,隨分子中雙鍵含量的增加,涂膜的交聯速度會增大,固化速度將加快。而且不同結構的樹脂對固化速度影響不同軟包裝,各種官能團的反應活性一般按以下順序升高:乙烯基醚<烯丙基<甲基丙烯?;?lt;丙烯?;?。因此一般以引入丙烯?;图谆;鶠橹?,使樹脂具有較快的固化速度。

      3.顏料對水性UV涂料光固化的影響

      作為水性UV固化涂料中非光敏性的組分,顏料與引發劑競爭吸收UV光,這在很大程度上影響到UV固化體系中體系的固化特點。由于顏料能夠吸收一部分輻射能量,這將會影響到光引發劑對于光的吸收設備維護與保養,并進而影響到能夠生成的自由基的濃度,結果會降低固化速度。各色顏料對不同波長的光線有不同的吸收率(透光率),顏料的吸收率越小,透光率越大,涂層的固化速度越快。炭黑的紫外線吸收能力較高出版,固化得最慢,白色顏料反光性強,也妨礙了固化。一般而言,對紫外光的吸收順序為:黑色>紫色>藍色>青色>綠色>黃色>紅色。

      相同的顏料的配比濃度不同,對墨膜固化速度的影響是不同的。隨著顏料用量的增加出版動態,墨膜的固化速率均有不同程度的下降。其中黃色顏料的用量對墨膜的固化速率影響最大,其次為紅色顏料、綠色顏料。由于黑色對紫外光的吸收率最大,使得黑墨的透光率最低,所以其用量的變化對墨膜的固化速率反而沒有明顯的影響。當顏料的用量過大時,墨膜表層的固化速率雖快曬版,但是表層的顏料吸收大量紫外光,降低了紫外光的透光率,影響深層墨膜的固化,導致了墨膜表層固化而底層不固化,易產生“皺皮”現象。

      4.光引發劑對水性UV光固化的影響

      光引發劑的作用是在其吸收紫外光能后排版,經分解產生自由基,從而引發體系中不飽和鍵聚合,交聯固化成一整體。光引發劑的性能是水性光固化體系能否順利聚合固化的關鍵。根據不同的引發劑有一個最大的吸收波長的原理,在選擇光固化引發劑的時候應該使得光引發劑的吸收紫外線的波長區正好在顏料非吸收區或是微吸收區(顏料有一個適于引發劑吸收的波長窗口),即顏料的最大透過的波長區應與自由基引發劑的吸收波長區能重合。另外光引發劑的吸收波峰應盡可能與光源發射的主波長相近。

      光引發劑必須具有與水性光固化體系一定的相溶性以及低的水蒸氣揮發度評獎,以使光引發劑得以發散,有利于得到滿意的固化效果。否則,在干燥的過程中,光引發劑會隨著水蒸氣一起揮發掉,降低引發劑的效率。不同的光引發劑煙草包裝,具有不同的吸收波長,它們的配合使用可充分吸收不同波長的紫外線,提高紫外光輻射量的吸收,從而大大加快墨膜的固化速率。所以可以通過多種光引發劑的配合使用,并調整各種光引發劑的配比以獲得固化速率快且性能優異的墨膜。體系中復合光引發劑的含量要適量顯影,過低不利于同顏料的吸收競爭;過高光線不能順利地進入涂層。涂料的固化速度開始時隨著復合光引發劑的增加而增加,但當復合光引發劑量增加到一定值時,再增加其含量,固化速度反而會下降。

      5.UV光源、輻照距離和光固化時間的影響

      UV光源輻射的是一個波段內的光,且各波長光的能量分布是不一樣的。其中波長為300nm~310nm模切燙印壓痕,360nm~390nm的光的能量分布是較好的,波長位于UV-A區域約360nm效果最佳。為使固化體系達到最佳的組合,UV光源的選擇既要考慮體系所含顏料的UV光的吸收特性,同時又要兼顧到引發劑的UV吸收特性。

      在水性UV涂料的干燥固化過程中,輻照距離和光固化時間也會對光固化產生影響。輻照距離越近秋山國際,光照越強,光引發劑生成自由基的速度越快,引起聚合的雙鍵數目越多,樹脂的交聯程度也就越高,墨膜的固化速度就越快金屬包裝,反之越慢。水性UV涂料的光固化還必須有一個合適的光固化時間,時間太短,涂料的固化不完全,當達到一個合適光固化時間時,固化膜的拉伸強度達到最大惠普,繼續增加光固化時間,固化膜的拉伸強度反而下降,并且固化樹脂出現黃變現象。


     

     

     

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