新一代UV涂料消光剂2015-03-01 | PCI Magazine

在过去的10年里，涂层材料在成本效率、优化周期和VOC排放方面的需求发生了显著的变化。工业已经提供了几种解决方案，以满足当今对新型涂层材料的需求。辐射固化涂料具有周期短、挥发性有机物减少、薄膜性能优良等优点。这项技术为制造商提供了为几乎每个应用领域配制高通用涂料的可能性。

与传统涂料(即水性1-pack或2-pack系统)相比，辐射固化涂料在配方和固化方面有不同的挑战。许多这些挑战是由固化机制造成的。

制定拼接的透明外套可能是一个极其困难的挑战。在100%固体涂料的情况下，在目标应用方法的可接受粘度、目标光泽度和期望的膜性能(如耐划伤、硬度、耐化学物质等)之间找到平衡是非常复杂的。

消光机理

为了更好地理解100% uv的消光涂料，我们需要看看经典的消光工艺，并将其与传统的含挥发性有机化合物的涂料进行比较。

由于溶剂挥发，传统涂层具有更好的定向性，在干燥时，最终倾向于将消光剂“集中”在涂层表面附近。在挥发性有机化合物蒸发期间，涂膜开始收缩。根据配方中固体体积的不同，这种收缩可以从湿膜体积的30%到60%不等。与此相比，100% uv涂料的膜收缩从3%到8%，这取决于涂料中使用的树脂和单体。

在100% uv涂料的情况下，挥发性溶剂的缺乏会导致各种问题的配方。在降低树脂粘度时，特别是在消光剂用量较高的情况下，使用低粘度单体是不可避免的。当这些单体与树脂交联时，它们也会影响最终膜的性能。通常，当最终涂层的目标光泽度降低时，需要额外的单体来获得可接受的粘度。这可能导致薄膜性能下降，流动和流平问题，反应性降低和其他问题。另外，由于挥发性溶剂固有的稀释特性，溶剂型体系可以克服这一问题。

另一个重要因素是固化速度或凝胶时间。传统涂料的开放时间通常为5到30分钟，而紫外线固化过程只需几秒。毫无疑问，UV涂料中较短的固化时间会阻碍消光剂的充分定向/漂浮，这反过来又会降低添加剂的有效性。其结果是大大降低了消光剂的效率，这种效率通常由较高的添加剂用量来补偿。

本文考虑比较不同的经典消光剂(二氧化硅和蜡基)与新的方法消光紫外光固化涂料。主要的重点是比较不同的抠图技术(商业可用产品和实验产品)，并显示不同产品类型的个人优势和弱点。2022世界杯八强水位分析

经典的抠图方法

粒子表面结构

降低涂层光泽的传统方法是使用固体哑光剂。一般来说，这些消光剂是二氧化硅或蜡粉。在许多应用中，二氧化硅因其更高的效率而受到青睐。使用经典的二氧化硅或蜡作为消光剂，在最后的胶片中利用粒子进行光散射。在这种方法中，消光剂颗粒导致不定向反射光线的结构化涂层表面。最终表面可以在细晶粒结构和纹理效应之间变化，并受消光剂的粒度、孔隙度和化学性质的影响。

实现抠图的新方法

放弃传统的基于粒子的消光方法意味着寻找在涂层膜中有效散射光的替代机制。我们将重点讨论两种实现光散射的新方法。

内部的光散射

为了获得低光泽值，有必要散射光从膜的间隙区域反射。然而，大多数抠图方法主要集中在散射光在涂层表面。在透明涂层的情况下，大量的可见光将通过涂层膜，并将被基板吸收和反射。通过在涂层膜内创建光散射结构(即晶体结构)，穿透薄膜的光将会散射，结果，薄膜看起来是哑光的。用这种新的消光添加剂，消光性能是通过在固化过程中控制结晶实现的。这种新型的添加剂技术是基于一种丙烯酸功能载体与一种特殊的聚合物固相之间的协同作用。用激光显微镜观察涂层内部可以看到内部的光散射行为。在涂层内部，类似于游泳池中的焦散的折射模式变得可见。这些结构中的每一个都对应于薄膜中的一个晶体边界。由于晶体与光的相互作用，薄膜变得哑光(图1)。

表面结构(无颗粒)

通过影响辐射固化涂层的表面固化，最终的薄膜可以被迫形成一个结构严密的层。这种高度“褶皱”的表面散射入射光，这可能导致非常低的光泽值。

一般来说，这种效果可以通过使用特殊的固化设备如“准分子”设备与特殊配方的涂料相结合来获得。本文不讨论这种加工设备，而是重点讨论实现类似结构模式的另一种方法。基本上，在固化过程中，结构效应可以通过影响涂层的表面流动来产生。在使用化学的情况下，单个颗粒导致涂层从颗粒中流动。这种流动过程与涂层在固化过程中极性的变化有关，极性变化会产生微尺度波。

研究概述

本研究比较了上述几种抠图工艺的优缺点。重点在于:

消光剂的效率各不相同
使用水平。
不同膜厚下消光效果的稳定性。
与各种低聚物的相容性。

为了进行这些具体的比较，我们使用了表1中的材料。由于高重现性和易用性，所有应用测试都是在对比图上进行的。薄膜厚度在不同的段中分别标明。

所有显微图片均使用KEYENCE VK-X210激光扫描显微镜。共聚焦激光扫描显微镜适用于分析表面结构效应在非常高的分辨率。此外，该技术还能够以虚拟的方式观察涂层膜，以确定涂层的内部光散射行为。

不同使用水平的一般效率

涂料的固有粘度和整体配方成本当然是选择合适的消光剂的重要因素。反过来，在开发最终配方时，所选择的消光剂应显示出最大的效率，以保持添加率最低。

为了检验不同消光方法的效率水平，我们将上述的消光剂以不同的添加率加入到基于环氧树脂和聚酯丙烯酸酯的常见uv固化涂料体系中。在此测试中，消光剂的添加率在1%到15%之间变化(根据配方总重量提供;图2)。

消光剂一

即使在较低的加入率，内部光散射显示一个显著较低的光泽度相比，以粒子为基础的方法。有趣的是，在大约5%的添加率(基于TFW)下，抠图效率得到了优化。在达到这个“最大效率”之后，通过增加消光剂的级别，消光性能会变得更差(图3)。

这种现象与抠图方法本身有关。内部光散射是由薄膜中受控晶体形成引起的。通过增加消光剂的添加量，晶体数量增加，消光性能随之提高。然而，在给定的添加速率下，薄膜中的晶界密度达到最大值。在这个特定的体系中，最大密度达到5%的添加率。增加消光剂会迫使晶体边界重叠并破坏消光效果。反过来，光散射减少到足以增加光泽。

消光剂B

这种消光剂利用一种多用途的方法来减少最终胶片的光泽。光泽度显影与消光剂A相当，但整体效率更高。消光剂A和B之间的相似性与内部光散射有关。由于使用多种消光机制的多功能方法，在较高的添加率下，光泽的增加明显低于消光剂A。

由晶体叠加造成的性能损失可以通过表面结构得到补偿。图4显示，在1%的添加水平下，每个粒子周围都会形成微小的“陨石坑”。这种结构效应与固化过程中发生的流动和流平特性的不规则性有关。此外，每个粒子周围的涂层会移动，并在粒子中心留下一个小凹陷。这些洼地的大小大约是。直径20-30 μ m，深3-4 μ m。通过增加消光剂的量，纹理变得更接近，直到它开始相互连接并形成一个可与准分子模式相媲美的均匀结构。

消光剂C

基于粒子的方法导致一个几乎线性的抠图曲线。涂层中添加的二氧化硅越多，表面变得越粗糙。通过观察涂层表面的显微图片也可以看出这一点(图5)。此外，与用钝化剂B获得的结构相比，用二氧化硅获得的表面结构更“粗糙”，在高度剖面上的均匀性更少，更不规则。

不同膜厚下消光效果的稳定性

在紫外光固化涂料领域，膜厚是另一个重要的讨论话题。通常，消光效果在很大程度上取决于所用消光剂的粒径。一般来说，这意味着通过增加二氧化硅的粒径，消光效率会更好。这也意味着改变涂膜厚度可能会对整体的抠图程度产生重大影响。

本研究测试了薄膜厚度对不同消光机制效率的影响。这是通过在不同的膜厚度下应用相同的涂层进行的(图6)。

正如预期的那样，纯粒子法显示膜厚和光泽度之间几乎是线性相关的。超过用于评价的9 μ m二氧化硅的平均粒径，光泽度显著提高。

相反，当使用颗粒方法(即消光剂A和B)时，在所有测试的薄膜厚度上都表现出基本稳定的光泽度。一旦达到内部光散射所需的薄膜厚度，薄膜厚度的变化就无关紧要了。总之，这导致了一个非常一致的性能，在广泛的膜厚度范围。

各种低聚物的相容性试验

除制备效率外，广泛的相容性是消光添加剂的一个重要考虑因素。为了比较新的消光方法的效率，建立了包括几种不同丙烯酸低聚物的广泛测试系列。这些试验背后的主要想法是制定一个简单的涂层，并检查不同添加剂的有效性(图7)。

消光剂一

消光剂A的性能与所测低聚物的反应活性有关。由于内光散射是基于固化过程中发生的沉淀过程，因此整个消光机理受固化速度的影响，最重要的是凝胶时间。可以明显观察到，凝胶时间短的高反应体系限制了消光晶体的配位形成。

消光剂B

不同消光机制的组合产生了两个主要优势:(1)由于低聚物的反应性的影响有限，因而具有更广泛的兼容性;(2)比单纯利用内部机制或表面光散射机制具有更高的消光效率。然而，请注意，消光效果的很大一部分仍然与结构和晶体形成有关，而低聚物的反应性影响最终的消光性能。

消光剂C

硅在大多数测试的低聚物中表现出一致的性能。反应活性在一定程度上影响最终的消光性能，但与消光剂A和b相比不那么显著。在配方中，低聚物的润湿性和流动性能对二氧化硅颗粒的消光效率影响更大。此外，最终产生消光效果的表面粗糙度和光泽度通常是相同的。

结论

使用新的消光机制通常意味着改变配方的设置方式以获得最佳效果。本文讨论的替代消光剂为开发控制辐射固化涂料光散射性能的新方法提供了第一步。在辐射固化体系中，第一代和第二代产品与传统的消光剂(如二氧化硅)相比具有一些优势。此外，在给定的系统中，不同的抠图机制的组合可以展示出更优越的整体性能特征，尽管有时表面散射技术可以提供更一致和稳定的抠图结果，如果应用的粘度不是问题。

消光剂一

优点: