辐射固化元件| 2013-02-08 | PCI杂志

腐蚀是一种材料逐渐磨损的过程，通常是通过化学作用。金属腐蚀是一种自然的氧化过程，会导致不良后果，即生锈。例子很常见——从海洋、结构和建筑应用，到住宅围栏和汽车。我们不断地受到它的影响，从表面到严重。

2002年美国联邦公路管理局的一项研究表明，耐腐蚀性差的成本是巨大的。如图1所示，该研究确定美国腐蚀的估计直接成本为惊人的2760亿美元，约占美国国内生产总值的3.1%。交通运输和公用事业部门受到的影响最大。

现代涂料

目前在防腐涂料中采用了许多化学物质和固化机理。这些范围从醇酸和环氧酯涂层，烘烤或空气干燥，以促进交联。也使用溶剂型两部分涂料，采用聚氨酯或基于乙烯基，丙烯酸或苯乙烯组合的乳胶。

该行业一直在向更环保的水性成分发展，包括水性醇酸、环氧酯、聚酯和聚氨酯。基于乙烯基、聚酯或环氧酯组成的高固体或粉末涂料也是有利的替代品。图2提供了2004年工业部门中使用的化学物质的细目。

图3显示了通过使用挥发性有机化合物替代品向“绿色”技术发展的趋势。2022世界杯八强水位分析在2000年和2005年由国家油漆和涂料协会进行的调查中，直接用于金属的水性涂料从13%上升到35%。同样的调查显示，基于丙烯酸酯单体和低聚物的100%固体涂料的增长。

耐腐蚀金属涂层中的UV/ eb固化产品

目前直接对金属防腐涂料的用途包括那些应用于管道和油管，围栏，线圈库存和金属桶。这些涂料也用于刚性包装应用，它们可以保护2片和3片饮料罐上的油墨，并在加工、运输和处理过程中为罐头提供环境保护。之前引用的调查表明，基于紫外线/电子束(UV/EB)可固化丙烯酸酯化学物质的耐腐蚀绿色涂料可能有巨大的增长机会。

目标和耐腐蚀试验方案

为了更好地了解由各种类型的丙烯酸酯单体和低聚物配制的涂料的防腐性能，启动了一个长期项目。这是通过涂覆冷轧钢板(CRS)并将其置于受控的腐蚀环境中来实现的。ASTM B117协议将涂层标本置于盐雾/雾气氛中，适用于此目的。实验方案表明，盐雾/雾的NaCl溶液为5%，pH为6.5 ~ 7.2，温度为35℃。在Q-Lab公司的Q-Fog室中对4x8英寸CRS衬底进行盐雾/雾处理。

样品制备

测试的每个单体和寡聚物都含有5.0%的光引发剂(Darocur^®1173)。除非另有说明，薄膜厚度为1.0 mil。样品使用两个汞弧光灯(400 w/in)进行固化，产生1600 mJ/cm的电流²UV Power Puck辐射计测量的总紫外线能量。根据ASTM B117协议，测试板暴露21天，然后进行视觉检查，并给出从1到5的主观评分，5是最好的。最初的研究分别集中在整齐的低聚物和单体上。随后，对低聚物和单体的共混物进行了评估，以努力使性能最大化。如果粘度过高，则制作50%的丙酮混合物以方便处理，并在固化前闪掉。

低聚物的评估

低聚物测试系列由不同的骨架结构组成，包括环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯和丙烯酸酯。图4显示了基于ASTM B117测试协议的这些结构的排名。在这一轮测试中，双酚A芳香族环氧丙烯酸酯CN120被用作对照，并获得了2级。尽管具有疏水性，聚丙烯酸丁二烯CN307的性能非常差(1级)。聚酯低聚物表现类似。表现最好的是丙烯酸丙烯酸低聚物CN820(3级)。

采用脂肪族(ALUA)和芳香族(ARUA)聚氨酯丙烯酸酯低聚物配制的涂料具有更好的耐腐蚀性。图5显示了聚氨酯丙烯酸酯基涂料的腐蚀结果，进一步区分为主要多元醇，即聚酯、聚醚或聚碳酸酯。一般来说，芳香型聚氨酯比脂肪族聚氨酯更有优势。然而，研究表明，基于聚酯或聚碳酸酯多元醇的脂肪族聚氨酯具有显著的耐腐蚀性。特别值得注意的是试板试件CN9030(图5中的UA8)。

图6说明了各种低聚物化学成分的相对防腐作用。

单体评价

对常用单体的测试表明，与低聚物相比，它们具有更低的防腐蚀能力——可能是由于分子量显著降低。这种性能差异也可能与功能有关。SR506和SR531为单官能，交联密度低，易受水分侵蚀。相比之下，SR351和SR295的功能性更高，使得固化后的薄膜太脆，导致附着力差，表面开裂。然而，单体通常是涂料配方的必要成分，图7中的数据表明，由于固化膜性能的平衡，双功能单体似乎提供了更多的保护(图7中的M3)。三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯(SR833S)表现出最佳的耐腐蚀性，其ASTM B117评级为2。

缓蚀颜料的影响

缓蚀颜料在涂料技术中的作用是众所周知的。然而，他们不是生而平等的。以SR833S为载体，对一系列颜料进行了单独和组合评价。如图8所示，专利颜料2，在5%的重量下，根据ASTM B117曝光达到了完美的5级。

涂层厚度的影响

可以想象，较厚的涂层可以增强防腐蚀能力。同样使用SR833S作为涂层介质，在测试面板上应用0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mil的薄膜厚度。此外，还制备了一个面板，其中应用了(2)1-mil涂层，每个涂层后都有一个固化周期。如图9所示，涂层的耐蚀性随着涂层厚度的增加而提高。然而，2-4 mil没有额外的好处。但有趣的是，(2)覆盖1 mil薄膜的标本明显更好。第二层有可能填补第一层的任何空隙或缺陷，从而提供更高质量的涂层。

耐候性测试

在高温下对抗盐雾的腐蚀影响是本项目最初的重点，但室外应用面临着额外的降解因素——即紫外线辐照度、温度和水分。Q紫外(QUV)加速风化试验强化了这些因素对涂层试样的影响。一个关键因素是灯泡的光谱输出。之所以使用UVA 340灯泡，是因为它的输出光约为340纳米，与阳光的输出光非常接近。QUV风化方案为60°C的紫外线辐射8小时，然后在40°C的暗冷凝4小时。

暴露在QUV仪器中的涂料随着时间的推移可能会变黄。根据ASTM E313-98，这种黄度指数(YI)最初每100小时测量一次，直到1000小时。

QUV测试板的制备和固化条件如下:聚氨酯丙烯酸酯低聚物与阻碍胺光稳定剂(HALS)和光吸收剂以及缓蚀颜料进行了“整齐”测试。光引发剂TPO为3%。底材为CRS，外涂/底漆和白色底漆。样品固化使用Fusion 600w /in V灯在空气中以25 fpm线速度固化，使用Fusion 600w /in H灯在N中以25 fpm线速度固化₂总能量为4.5 J/cm²这是用Power Puck测量的结果。薄膜厚度为25微米至35微米。

在之前的研究中，我们对最耐腐蚀的脂肪族聚氨酯低聚物(ALUA)进行了QUV测试，以建立基线(CN9030)。对该低聚物进行了纯(无添加剂)测试，添加了HALS和HALS与缓蚀颜料(CIP)的混合物。如图10所示，具有HALS的样品达到了一个YI，代表了比基线低聚物的显著改善。含有HALS/CIP混合物的标本显示出与单独含有HALS的标本相似的YI结果。本研究还包括了第二种“基线”低聚物——一种脂肪族聚氨酯低聚物(CN9001)，它在佛罗里达州的暴露中存活了7年。上述含有HALS和HALS/CIP混合物的样品与佛罗里达测试的低聚物性能相当。

先前的耐腐蚀研究表明，除了一些例外，芳香族聚氨酯丙烯酸酯低聚物(ARUAs)可能比alua具有性能优势。然而，众所周知，芳香低聚物更容易变黄。进行QUV测试，其中基线ARUA与包含HALS的ARUA和包含HALS的ALUA进行评估。结果如图11所示，与预期的一样——有HALS的ALUA优于有HALS的ARUA，而ARUA又优于基线ARUA。该实验还研究了“混合”低聚物化学反应的影响。标本最初涂有ARUA和HALS。固化后，应用一种基于ALUA的涂层进行固化。结果表明，在基于arua的配方上应用ALUA涂层可能是优化防腐和耐候性的可行方法。

结论与观察

市场趋势

用于防腐的化学物质差别很大，包括聚氨酯、丙烯酸和醇酸。环氧基涂料是最常见的。该行业正朝着绿色涂层技术发展。2022世界杯八强水位分析从2000年到2004年，溶剂型直接接触金属涂层的分布从84%下降到61%。在此期间，水性涂料从13%增加到35%。UV/ eb固化，100%固体涂料代表了直接到金属涂料市场的一个小但不断增长的部分。

腐蚀保护

基于芳香族骨架结构的UV/ eb固化涂料比脂肪族类似物具有更好的抗腐蚀性能。芳香族环氧丙烯酸酯为防腐涂料提供中档性能。在本研究中观察到聚氨酯丙烯酸酯低聚物提供了最好的防腐。虽然芳香族聚氨酯一般优于脂肪族，但基于骨架结构也有例外。合理选择和使用缓蚀颜料可以大大提高丙烯酸酯基防护涂料的性能。涂层的应用技术也会影响涂层的性能，例如，两层薄涂层比等效单层涂层更有效。