一种紫外线固化的滤油器。
在过去，三维零件上涂层的紫外线(UV)固化对配方商和最终用户都提出了挑战。同样的情况也适用于不透明的彩色涂料。当金属基板加入到混合材料中时，就会遇到另一种程度的复杂性。如何克服这些挑战?
配方和应用是密切相关的。涂层的最终要求——附着力、光泽度、不透明度和耐候性——是决定哪些原材料可以成功使用的关键。应用方法也会影响原材料的选择。例如，喷涂涂料不会使用与滚涂涂料相同的原材料，这仅仅是因为应用每种涂料所需的粘度不同。有这么多的可能性，一个公式从哪里开始呢?从结尾开始，再往回走。本文关注的是一种不透明的白色涂层，喷涂于100%非挥发性材料(NVM)，能够粘附不锈钢，高光泽(60°>85)和最小的风化(6至9个月)。
每种喷涂方法的典型转移效率。实际转移效率将根据部件样式、喷涂设置、喷涂风格和其他因素而有所不同。
应用程序的方法
有许多方法可以将UV固化涂层应用到基材上，包括喷涂、滚压、浸渍、流动、凹印和真空涂层。零件几何形状、生产面积和涂层的固体含量只是影响应用方法的几个参数。由于感兴趣的涂层将被喷涂，其他的应用方法将不涉及。粘度和流变性是成功喷涂涂层的关键因素。涂层必须具有足够低的粘度，以便在撞击基材之前能够适当雾化，但它也必须具有允许其快速恢复而不会跑下部分或凹陷的流变性。这种平衡既可以在配方中实现，也可以在应用过程中通过物理手段操纵涂层。降低涂层粘度的最快方法是用有机溶剂切割。但是，如果使用溶剂，则必须添加单独的处理步骤，以确保在UV固化之前将其去除。这一步骤将占用生产场地，需要额外的资本投资，并通过增加整个过程时间来降低吞吐量。所讨论的涂层不含溶剂，因此将使用其他方法来确保其处于适当的喷涂粘度。
高粘性涂层只需在应用前加热涂层即可进行喷涂改性。加热是降低粘度的有效方法;但是，必须均匀涂抹，不能过度涂抹，以保持涂层的完整性。每种配方各不相同，但一般来说，紫外线固化涂料不应在120至140°F(49至60°C)以上加热较长时间。没有绝对的粘度可以提供最好的性能;最佳性能将根据涂层的触变性、零件几何形状和其他加工变量而变化。然而，粘度会影响使用哪种喷涂方法。常规喷枪、大容量低压(HVLP)喷枪、空气辅助无气枪和旋转雾化装置都可以成功使用，但有些配方更适合特定的应用类型。
常规喷枪
传统喷枪使用最简单，使用时间最长。简单地说，涂层是通过喷枪喷嘴绘制的。压缩空气被引入并包围涂层，将其分解成细小的液滴。然后这些液滴被推进到基底上。一旦它们接触到基材，它们就会一起流动，形成一个光滑、连续的涂层。低粘度涂料(22秒Zahn 1到25秒Zahn 2)应该很好地与传统喷枪配合使用。
HVLP枪支
HVLP枪与传统喷枪相似，不同之处在于它们的雾化压力较低。由于降低了过喷量，较传统喷枪具有更高的传递效率，也将大大减少传统喷枪所见的涂层“云”。在某些情况下，与传统喷枪相比，HVLP枪可以增加橘皮。常规枪械的粘度范围也适用于此。
聚焦vs.非聚焦反射器。
与传统和HVLP枪相比，空气辅助无空气枪可以实现更好的雾化。雾化空气压力较低，但流体压力较高(200至1200 psi)。空气辅助的无气传输效率也更高，这将使涂层比传统和HVLP枪更快地在零件上构建。如果需要更高的薄膜结构，空气辅助无气枪可能是一个更好的选择。具有28秒粘度的涂料Zahn 3喷涂良好与此设置。
旋转雾化
旋转雾化装置的工作原理不同:不是使用空气雾化涂层，而是使用离心力。转速越快，雾化越细。旋转雾化可以将涂层分解成更细的颗粒，这允许在较低的薄膜构建中更平滑地铺设。旋转雾化也适用于高粘度涂料。在Zahn 3上，粘度高达45秒的涂料已经在商业环境中使用旋转雾化器成功喷涂。
静电学
对于金属部件，静电喷涂是一个自然的选择。在喷涂过程中加入静电剂可以提高传输效率。然而，根据零件的几何形状，静电可能会带来更多的问题。如果零件有很深的凹进区域，带电的涂层颗粒不会转移到凹进区域，而是由于法拉第笼而在侧壁上积累。这种积累将导致零件上的薄膜形成不均匀，并在最厚的区域潜在运行。
表1列出了每种喷雾方法的典型转移效率。这些只是指导原则，不应被视为绝对值。实际转移效率将根据部件样式、喷涂设置、喷涂风格和其他因素而有所不同。
本文讨论的涂层可以使用这些技术中的任何一种进行喷涂。粘度足够低，可以用常规或HVLP喷枪喷洒;然而，干膜厚度(DFT)将在2.2 - 2.6密耳左右，以获得平滑、连续的薄膜。如果使用空气辅助无气雾化或旋转雾化，这种最小润湿膜形成范围可以降低到1.6到2.0密耳。涂层被应用到基材上后，它将保持液态，直到暴露在紫外线能量下。这一过程称为固化。
标准汞蒸气紫外光谱。
固化
UV固化是一个视线过程——如果涂层没有接收到UV能量，就不会固化。为了成功地固化3-D部件，必须放置UV灯以允许能量照射涂层。在某些情况下，灯的放置必须非常有创意，以确保没有阴影区域暴露不足。请记住，灯与零件的距离可以在固化效率上产生巨大的差异;离灯泡越远，紫外线强度下降得越厉害。灯可以对焦或失焦(见图1，第24页)。如果灯与零件的距离大于灯的焦点，最好将灯运行在焦点外，以确保涂层表面的最佳紫外线强度。应进行适当的辐射测量，以确保达到最佳的紫外线能量。
用于固化UV涂料的两种主要类型的灯是电弧和微波。这些术语指的是灯泡供电的方式。电弧系统依靠电流来激发灯泡内的气体分子。微波灯泡是由微波能量刺激气体分子提供动力的。微波系统被认为是“瞬间启动”，而电弧系统最初需要几分钟才能达到最佳操作条件。这两种技术之间的其他区别是灯泡的尺寸、灯泡寿命和产生的热量。2022世界杯八强水位分析然而，一旦系统开始运行，每个系统发出的紫外线能量几乎没有差别。
掺铁灯泡的紫外光谱。
微波系统的灯泡一般是6英寸长，但也可以达到10英寸，而弧光灯可以使用更长的灯泡。如果需要用微波系统固化较大的零件，可以交错使用多个灯泡来创建与弧光灯系统相同的固化区域。
热产生
一般来说，电弧灯将产生更多的红外(IR)能量比微波系统，但空气或水冷套可以用来消散从电弧系统发出的热量。如果正在运行的部件是热敏的，微波系统可能是一个更好的选择。然而，热不是金属基板的主要问题，除非零件在固化后必须立即处理或零件含有易燃材料。
灯泡寿命
电弧灯泡一般在1500至3000小时后需要更换。记住，这些灯泡会从末端烧到中间。微波炉灯泡的寿命较长，一般在8000小时左右才需要更换。这两个系统都需要定期维护(反射器和灯泡清洗和旋转)，以确保适当的紫外线输出。
掺镓灯泡的紫外光谱。
紫外光谱分为四个区域:UVA (320 ~ 390 nm)、UVB (280 ~ 320 nm)、UVC (250 ~ 280 nm)和UVV (395 ~ 445 nm)。对于大多数透明的uv固化涂料，UVA和UVB是能量的关键区域。普通的汞蒸汽灯泡将充分覆盖这些区域，并将与大多数uv固化涂料一起工作(见图2)。然而，添加颜料或增加薄膜结构的涂料可能需要掺杂灯泡，除了灯泡中的汞之外，还含有另一种金属(通常是铁或镓)。这些金属的存在使灯泡的寿命减少了15%到20%，但改变了紫外线能谱，以提供更高的固化强度(见图3和图4)。掺杂铁的灯泡在UVA区域具有更大的强度，而掺杂镓的灯泡在UVV区域具有更大的强度。微波灯和弧光灯都可以使用掺杂灯泡
对于厚于2mils的白色涂层，掺镓灯泡和普通水银灯泡可以提供最佳的固化深度，并具有良好的表面固化平衡。黑色和深蓝色涂层可能受益于掺铁灯泡组合。由于掺杂灯泡提供了深度固化，它应该在水银灯泡之前使用。不同光引发剂和颜料的配方可能需要不同的灯布置。
吸收二氧化钛的水银灯泡的紫外光谱。
配方
一旦为处理设置了基本规则，就可以开始制定了。根据所讨论的样品涂层的要求-高光泽，100% NVM和有限的风化-几种原材料的选择将被淘汰。低聚物
在配方中首先要选择低聚物。uv固化涂料可以通过自由基和阳离子两种机理进行固化。许多金属涂层使用阳离子机制，因为遇到的收缩率较低，这通常提供更好的金属附着力。由于阳离子固化涂料没有很大的风化特性，我们将重点研究一种自由基配方。
自由基配方是以丙烯酸酯化学为基础的。所述低聚物可以是聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯或丙烯酸酯。每一组都有积极的属性:聚氨酯耐候性好，环氧树脂固化快，聚酯湿颜料好，丙烯酸提高附着力。根据这些一般描述，这些家族中的任何一个都可以用来配制金属应用的涂层。必须进行广泛的筛选，以找到适合应用的最佳低聚物。在大多数配方中，化学混合物可以优化性能特征。
掺镓灯泡的紫外光谱与二氧化钛吸收。
一旦获得了基本的粘附性，其余的性能必须得到解决。由于没有溶剂可以用来降低该涂层的喷涂粘度，所以必须使用活性稀释剂。活性稀释剂最好被描述为低分子量低聚物。正是由于这种较低的分子量，一些活性稀释剂可以引起皮肤刺激。并不是所有的活性稀释剂都被认为是刺激性的，但个体对每种稀释剂的反应不同，就像蜜蜂蜇伤过敏一样。任何时候都应遵循正确的处理程序。
添加剂
为了增强对金属的附着力，可以使用酸性附着力促进剂。虽然这些添加剂可以改善附着力，但必须注意确保它们与其余配方兼容。
流动添加剂用于改善涂层的流平性和外观。这些添加剂降低了固化涂层的表面能，因此如果直接在第一层上涂上另一层涂层，液体涂层将形成网状，而不是形成均匀的涂层。
颜料
必须添加颜料才能获得着色，但着色涂料增加了固化UV涂料的另一个难度。与热固化系统不同，颜料会干扰固化过程。当将灯泡输出的紫外线能量与白色颜料的吸光度进行比较时，这种效应就变得明显了(见图5)。在400nm以下，二氧化钛的吸收非常强，可以干扰水银灯泡的大部分能量输出。解决这个问题的一个简单方法是切换到掺杂灯泡(见图6)。由于掺镓灯泡在更长的波长(大于400nm)中发射更多的能量，对颜料的干扰就更少。
黑色涂料很难固化，因为它们吸收紫外线和红外能量。热形式的红外吸收可能是热敏性基底的一个问题;紫外线能量的吸收是一个有待解决的问题。颜料将与光引发剂竞争紫外线能量，这可能导致较慢的线速度，以获得足够的固化。当线速度较慢时，衬底会吸收更多的热量。
虽然黄色不吸收紫外线能量，但因为它们过滤了紫外线能量，所以很难治愈。这种过滤导致光引发剂效率较低，导致线速度较慢。
不透明所需的大量二氧化钛使白色涂料难以固化。颜料量将根据所需涂料的DFT和所需的不透明度而变化。对于需要低薄膜构建(10至20微米)的应用，配方中含有高达45%的二氧化钛并不罕见。更少的颜料需要更高的薄膜构建。
虽然这些颜色较难治愈，但也不是不可能。只要选择合适的灯泡和光引发剂，所有颜色都可以在UV系统中成功固化。
掺镓灯泡的紫外光谱与二氧化钛和光引发剂吸收。
在低聚物选择之后，也许最关键的配方选择是光引发剂(PI)。正是这个组件使紫外线固化成为可能。光引发剂既可用于表面固化，也可用于穿透固化。那些在较长的波长(>340 nm)吸收能量的更适合于着色涂层的穿透固化，因为与颜料和光引发剂的干扰较少(见图7)。
对于白色配方，光引发剂必须吸收较长的波长而不引起发黄。高效的光引发剂是可用的，但它们必须只在较深的颜色中使用，因为它们会对白色涂层的颜色产生负面影响。
在表面固化和穿透固化之间保持平衡是很重要的。如前所述，UV涂料通过视线固化。这意味着它们将从涂层表面固化到基材界面。通常，使用光引发剂包(两个或多个pi)在表面和衬底界面进行固化。如果表面固化太快，它会抑制允许穿透到基材的紫外线能量，导致褶皱或“捏”的外观。在严重的情况下，表面可能完全无粘，但下面的涂层将没有机会固化，并将保持湿润。这种效果是更常见的薄膜构建增加到4密耳或更大的范围。
选择合适的灯泡可以方便加工。如果首先使用在较长波长区域发射的掺镓灯泡，紫外线能量将被允许更深地渗透到涂层中。如果在掺镓灯泡之后再加上标准汞灯泡，波长较短的紫外线能量就可以在表面完成固化。这是一个典型的例子，配方和应用一起工作，以优化固化过程。
相反，如果使用的表面固化光引发剂量不足，涂层表面会有粘性(甚至潮湿)，光泽度会降低，但基材界面会固化。回到灯泡的选择，随着薄膜的增加，使用两种类型的灯泡变得更加重要。涂层越厚，紫外线能量穿透得越深，才能一直固化到基材上。在大于3密耳的白色涂层中，只有掺镓灯泡的表面很难固化。
表2显示了灯泡组合和薄膜结构之间的一些比较，以及对固化和白色涂层外观的影响。紫外线能量用Power Puck辐射计测量。尽管所有灯泡组合在DFT为2密耳时都有足够的固化反应，但仅使用标准汞灯泡或掺铁灯泡固化的灯泡的外观是不可接受的。
当涂层以5 mils DFT喷洒时，差异更大。根据固化反应和外观，掺镓灯泡和标准汞灯泡的组合是唯一能给出可接受的结果。掺镓灯泡本身不能提供足够的表面固化，而其他灯泡组合也不能将涂层一直固化到基材。
在涂装3-D部件时，在各种薄膜结构上的固化能力是至关重要的。喷涂凹陷或阴影区域可能会出现困难，在整个部分保持一致的薄膜构建。涂层在平坦、开阔的区域比在这些有问题的区域建立得更快。
灯泡的选择对白色涂层固化的影响。
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