自20世纪60年代以来，涂料已经在工业环境中进行了紫外线固化。图形行业是最早采用这种技术的行业之一，在卡片上涂上高光涂层。今天，有许多工业应用，利用UV固化作为干燥或聚合其涂料或油墨的方法。只是在过去的五年左右，商业UV固化已经走出了工厂，进入了现场。地坪涂料是现场uv固化涂料的主要应用领域之一。如今，用于混凝土、木材、乙烯基和瓷砖的地坪涂料都处于某种商业化阶段。本文将介绍紫外光固化的基本原理，并给出紫外光固化材料的结构性能关系。还将提供几种紫外光固化混凝土涂料的起始配方。
UV固化基础知识
优势紫外线固化又称辐射固化或能量固化。它利用电磁光谱的紫外(UV)部分，200 - 400纳米(图1)，物理干燥或固化涂料。(涂层实际上在固化过程中聚合或分子量增加。)为了在工业规模上做到这一点，发射紫外线的灯取代了烘箱，干燥过程在几分之一秒内完成。固化速度快不是UV固化的唯一好处。与传统干燥机制相比，干燥的物理空间和能量要求也大大降低。由于uv固化涂料是100%固体，VOCs和HAPs的含量也很低，一般小于5%的VOC含量。由于溶剂通常不用于紫外线固化系统，吸入和可燃性危害基本上不存在。
UV光(hn)必须被涂层吸收，以便固化或聚合发生。这一步由光引发剂(PI)完成，其反应形成自由基(PI˙)。然后，这些自由基与涂层中的双键(通常是丙烯酸酯双键，图2)反应，在起始步骤中形成新的自由基(PIR˙)。传播步骤通过附加丙烯酸酯双键(R2)的链式反应使涂层分子量增加。随着分子量的增加，涂层变得不那么流动或流动，并开始凝固。链转移步骤通过终止一个链式反应，转移自由基开始一个新的链式反应来控制分子量的增加。终止步骤结束所有反应，停止分子质量的增加。图3显示了自由基链式聚合过程中的这些不同步骤。
在自由基聚合过程中，由于丙烯酸酯分子中含有多个双键，涂层发生交联。分子中丙烯酸酯双键的数量称为丙烯酸酯官能团。例如，如果一个分子含有两个丙烯酸酯双键，它就是双官能团。涂层的交联程度表明聚合物网络相互连接的紧密程度。这种交联密度影响涂层的性能。交联度更高的涂层会更坚硬，耐化学腐蚀;交联少的涂层会柔软。涂料配方中每个双键的重量可以预测交联密度，从而预测涂料的性能。表1说明了这个概念。每个双键的重量是通过配方的平均分子量除以涂层的平均功能来计算的。 (It should be noted that this is only a predictive tool, and that factors other than crosslink density also affect coating properties.)
治愈速度
固化速度是获得所需涂层性能的线速度。所需的涂层性能可以根据涂层的最终用途而变化。对于套印清漆，这可能是10-20 MEK两次摩擦。对于木地板涂层，这可能是200+ MEK的双重摩擦和邵氏D硬度70。对于食品包装涂料，这可能是小于50 ppb的迁移水平。在大多数情况下，涂料中的丙烯酸酯双键不会被完全消耗。消耗80-90%是典型的，因为涂层的玻璃化限制了自由基在反应后期的流动性。由于配方中的大多数成分上都有多个丙烯酸酯双键，这些消耗率并不一定表明原材料不是聚合物网络的一部分。
如前一节所述，固化速度受配方中每个双键的重量的影响。每个双键的质量越低(或每个分子丙烯酸酯双键越多)，固化速度越快。治疗速度也受到氧抑制现象的影响。分子氧是一种非常活泼的物质，它能与光引发剂和聚合物自由基反应生成过氧自由基，从而减缓自由基链式反应。严重的氧抑制表现为涂层顶部的一层薄薄的未聚合(液体)材料。较不严重的结果是涂层性能降低，如硬度和耐化学性降低。
氧抑制可以通过几种方式减轻。使用惰性气氛，如氮气，从固化过程中去除氧气。与氧基过氧自由基相比，较高的UV灯强度和较高的光引发剂水平会增加光引发剂和聚合物自由基的浓度，从而降低氧抑制量。光引发剂的吸收波长较短尤其有用。最后，胺增效剂可以添加到配方消耗氧气，从而降低其影响。
氧抑制主要是一种表面固化现象，溶解氧消耗快，不容易补充。涂层的穿透或深层固化受到其他问题的影响，通常表现为缺乏或降低附着力和降低耐溶剂性。为了缓解固化问题，使用了吸收较长波长的光引发剂。光引发剂的浓度通常应降低，以通过固化。(UV光不能完全被涂层表面吸收，这可能发生在高水平的光引发剂。)
光引发剂的组合，吸收不同的波长，经常被用来克服许多这些色素吸收问题。对于每种配方，应评估不同类型和组合的光引发剂，并对光引发剂浓度进行阶梯研究，以优化涂层的固化。
紫外光固化原料
丙烯酸酯低聚物丙烯酸酯原料主要有两类:低聚物和单体。低聚物也称为预聚物，通常分子量高(500-5000)。它们提供了大部分的整体涂层性能。低聚物的选择对涂层的硬度、耐磨性、耐划伤性、耐化学溶剂性、柔韧性和韧性等性能有很大的影响。每个低聚物分子(丙烯酸酯功能)的丙烯酸酯双键数量在2-6之间变化。低聚物按其化学骨架分为三大类:环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯和聚酯丙烯酸酯。
环氧丙烯酸酯提供的涂料是坚硬的，耐化学和耐温度，有光泽，快速固化。基于环氧丙烯酸酯的涂料由于其芳香性而不能很好地耐候性。这种低聚物通常粘度最高，成本最低，而且几乎总是双官能团。图8显示了最常用的环氧丙烯酸酯。
聚氨酯丙烯酸酯提供涂层韧性和耐磨性。它们的硬度和柔韧性不同，这取决于它们的组成和丙烯酸酯的功能(2-6)。聚氨酯丙烯酸酯是中等到高粘度，并提供涂料与中等固化速度。脂肪族聚氨酯丙烯酸酯为涂料提供了最佳的耐候性。
表2相对总结了不同种类的寡聚物的性质。这是一个一般的总结，可能会有很大的偏差，这取决于具体的寡聚物。
丙烯酸酯单体
由于低聚物的分子量高，它们的粘度很高，通常需要单体作为稀释剂来获得所需的应用粘度。单体也被称为活性稀释剂，因为它们含有双键，并在自由基聚合过程中反应成为聚合物的一部分。由于单体成为涂层的一部分，涂层的柔韧性或硬度会受到单体选择的影响。它们的分子量和粘度一般都很低。它们的丙烯酸酯功能从1-6不等，通常按功能分类。
单功能单体每个分子含有一个丙烯酸酯双键。它们是粘度最低的单体，也是低聚物的最佳降粘度剂。单功能单体降低了交联密度，使涂层具有更好的基材附着力。由于它们只有一个丙烯酸酯双键，它们降低了配方的固化速度，并可能导致未反应的单体是潜在的可提取的。
三功能和高功能单体通常粘度较高，在降低低聚物粘度方面效果不佳。它们增加涂层的固化速度，但也会使涂层变脆。增加交联密度通常可以提高硬度，耐磨性和抗划伤性，以及耐化学和溶剂性。
健康与安全
丙烯酸酯功能性原料无毒，室温挥发性极低。因此，吸入危害很低，一般不需要进行呼吸保护。丙烯酸酯可能会刺激皮肤和眼睛，因此需要安全眼镜和手套等保护措施。此外，可能需要防止暴露在紫外线下，并为暴露的皮肤区域提供有色安全眼镜和防晒霜。
光固化涂料
涂料基础知识uv固化涂料必须包含几种基本材料才能进行有效的固化或聚合。还需要额外的材料来获得所需的涂层美观。涂层金字塔通常用于演示这些材料的使用(图10)。金字塔底部的材料通常比金字塔顶部的材料包含更多的配方。金字塔的底部含有低聚物，如前所述，低聚物提供了涂层的大部分性能。金字塔上的下一个是单体，主要用于获得所需的应用粘度。添加剂用于提高涂层性能和/或改变涂层外观。与传统涂料一样，这些添加剂可以是平平剂、填料、润湿/平整剂、消泡剂或助滑剂。颜料也可以添加到配方中以达到颜色或特殊效果。光引发剂需要吸收紫外线并形成自由基。
uv固化混凝土涂料的粘度必须很低，约为150 cP，以便在涂层厚度为1-7 mils时释放空气。这种低粘度要求限制了配方中低聚物的选择和/或浓度。单体的选择也变得更加重要，因为配方将包含大量稀释单体。应使用光引发剂组合，以确保表面固化和穿透固化。流动剂、流平剂和润湿剂以及消泡剂可能是涂层美观所必需的。见表4的通用起点配方的紫外线固化涂料的混凝土。
低聚物的选择对混凝土涂层性能的影响采用表4中给出的实际起点配方进行评估。环氧丙烯酸酯(EA)、聚氨酯丙烯酸酯(UA)和聚酯丙烯酸酯(PEA 1和PEA 2)被评价为低聚物。这些低聚物具有低粘度和对混凝土涂料有益的特性。测定了涂层的固化速度、光泽度、附着力、硬度、柔韧性、耐化学性和耐磨性等各项性能。然后将这些涂层性能与低聚物的结构元素相关联。
实验的细节
材料光滑的混凝土块(4 x 6 x 1英寸)从Patio concrete Products, Inc.获得，并在涂层之前先湿擦，然后干擦以清洁表面。低聚物、单体和光引发剂从氰特工业公司获得，并在收到时使用。添加剂从汽巴和空气产品公司获得，并使用收到的添加剂。
涂层使用来自HID Ultraviolet, LLC.的实验室固化装置进行固化，该装置由一个移动固化装置(Bulldog 15-3000)组成，配有每英寸250瓦的中压连续波氙灯。它安装在具有可变带速(Dynomometer)的输送系统上，以方便实验室工作。固化装置使用国际光技术公司的390带辐射计进行校准。2022世界杯八强水位分析
程序
使用Instron 4467模型测定了含有4% 2-羟基-2-甲基-1-苯基丙烷作为光引发剂的低聚物在6- 7mils厚的uv固化薄膜上的拉伸性能。
除用于涂层性能的低聚物和消泡剂外，表4所示的所有组分都在搅拌下混合制备了涂层。在65°C下加热过夜以降低粘度的低聚物，然后在搅拌下加入，然后加入消泡剂。所得配方的粘度在25°C下使用Brookfield DV-II +粘度计测量，该粘度计配有#21主轴。UA和PEA 2配方的粘度通过添加7%的降粘单体进行调整，EA配方的粘度通过添加5%进行调整。然后用上述相同的方法测量最终粘度。
用#25 Meyer绕线棒将涂层涂在混凝土块上，以获得5-7密尔的涂层厚度，用Gardco湿膜规测量。
然后，涂料在不同的曝光(mJ/cm2)下固化，对应于不同的行走速度(英尺每分钟，fpm)。用木舌刀片确定的获得无火星表面所需的最小暴露量记录为固化速度。固化速度下的涂层性能测定如表5所示。此外，所有涂层都在919 mJ/cm2 (20 fpm)下固化，以比较相同固化速度下的涂层性能。
结果
低聚物的拉伸性能如表6所示，其应力-应变特性如图11所示。涂层性能如表7所示。
讨论
从表6和图11所示的应力-应变性能可以看出，环氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯比两种聚酯丙烯酸酯更坚韧。环氧丙烯酸酯已被改性为比标准双酚基环氧丙烯酸酯更灵活，这反映在它的拉伸性能不同于典型的环氧丙烯酸酯性能。聚氨酯丙烯酸酯显示出其低聚物类所期望的韧性。两种聚酯丙烯酸酯也显示出预期的结果。
相对耐候性和低聚物成本见表9。如果混凝土涂层将暴露在阳光下，并要求良好的耐候性，聚氨酯丙烯酸酯是低聚物的选择，尽管成本较高。这两种聚酯丙烯酸酯可用于对耐候性的需求不是极端的领域，并且比聚氨酯丙烯酸酯的成本更好。环氧丙烯酸酯应只用于耐候性不受关注的区域。
结论
对三种低聚物在混凝土涂料中的应用进行了评价。混凝土涂料的低粘度要求最大限度地减少了低聚物选择对最终性能的影响，所有低聚物类都能提供具有高光泽和良好的耐化学和耐溶剂性的涂料。然而，豌豆在合理的固化速度下确实提供了更好的硬度，同时在耐候性和成本上有很好的妥协。PEA 1提供了最佳的性能组合:固化速度，附着力，硬度，耐候性和成本。确认
作者要感谢吉姆·史密斯，库尔特·威拉德和安吉拉·卡马克，所有氰特工业公司，他们在涂层的制备和评估方面的协助。
这篇论文是在2009年2月2日于内华达州拉斯维加斯举行的FSCT 2009涂料系列进展:“涂料”混凝土世界上发表的。
举报辱骂性评论