第三節　UV固化金屬涂料

在人類社會漫長的發展史上，金屬材料的出現很大程度上推動了人類物質文明的進步和發展。然而大多金屬材料均存在易腐蝕問題，從而大大縮減了使用年限，給人們帶來巨大的經濟損失。據統計，全世界每年因腐蝕造成的經濟損失約為7000億美元，約為地震、水災、臺風等自然災害總和的6倍，占各國國民生產總值的2%～4%。金屬表面涂層的主要作用是有效防止腐蝕、化學損傷和機械降解，經過涂料涂裝后既美觀又可以保護金屬表面。為此，發展金屬表面涂料，減少金屬表面腐蝕所帶來的損失是非常必要的。隨著世界各國經濟建設的高速發展，在建筑、交通運輸、石化、水電等眾多領域都出現了快速增長，從而帶動了對相關配套產品需求的飛速增長，而其中金屬涂料產業更是獲得了極大的發展。

目前工業用的金屬涂料多以溶劑型為主，但在涂裝中會釋放大量有機溶劑，環境污染嚴重。UV固化技術由于其環保、低能耗、固化速度快等特點，將其應用到金屬涂料領域，具有重要的現實意義，能大大提高產品涂裝的效率、降低成本和對環境的污染等。目前，市場上UV固化涂料大多用于金屬標牌裝飾、金屬飾板制造、彩涂鋼板、印鐵制罐、易拉罐加工、鋁合金門窗保護及鋼管臨時保護等方面。

預涂覆金屬（PCM），是涂有耐腐蝕、耐化學性、耐紫外線、柔韌性好等涂料的金屬產品。PCM預先在涂裝生產線上涂裝生產板材或卷材，然后在其他工廠加工組裝成家用電器、建材等產品。通過直接使用PCM，電器和建材等工廠就可以消除由于油漆涂裝過程中溶劑揮發引起的損害工人身體健康和污染空氣等危害，而且還可以提高產品生產率，因此PCM的使用越來越廣泛。通過紫外光固化的PCM被稱為UV-PCM。UV-PCM應用了綠色環保的紫外光固化技術，從根本上解決了溶劑型金屬涂料涂裝過程中大量排放VOCs的問題。

但是，由于輥涂、噴涂、浸涂、旋涂和流動涂覆等涂裝工藝的限制，目前不可避免地在UV-PCM生產過程中會使用有機溶劑或反應性稀釋劑。據統計，市場上用于UV-PCM生產的紫外光固化涂料基本含30%～60%（質量分數）溶劑或活性稀釋劑，減少這些溶劑和稀釋劑用量的一個途徑就是開發低黏度低聚物體系。Choi等以脂環族異氰酸酯、2-羥丙基丙烯酸酯和羥基己內酯丙烯酸酯為原料，合成了低黏度聚氨酯丙烯酸酯（LPUA）。在25℃下LPUA的黏度為20000mPa·s，具有良好的涂裝性能。再配合不同濃度的樹枝狀丙烯酸酯（DA）作為反應性稀釋劑，制備了LPUA-DAs涂料，用于金屬板涂層，可得到高硬度UV固化涂層。由于樹枝狀丙烯酸酯具有較高的反應活性，當其添加量為20%（質量分數）時，涂層深沖成型性比其他試樣差，當LPUA-DAs涂料中添加10%（質量分數）樹枝狀丙烯酸酯時，涂層各項性能優異。

不銹鋼是目前工業應用最重要的工程金屬材料之一，其使用率持續以每年約5%的速度增長。不銹鋼合金被加工成線圈、薄板、板、條、線和管，用于炊具、餐具、五金件、手術器械、工業設備，以及汽車和航空航天結構合金和大型建筑的建筑材料等。但在使用中，點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕仍然是不銹鋼的一個嚴重問題。雖然不銹鋼廣泛應用于食品加工和醫療器械行業，但細菌和有機殘留物在其表面很容易吸附（生物黏附），并且還會釋放鉻、鐵和鎳等過渡金屬離子。因此，為防止生物黏附和金屬離子的不良釋放，對表面改性的技術要求越來越高。此外，金屬表面的外觀和裝飾涂層在各種應用中也很重要。一般情況下在涂裝UV固化涂料前，金屬表面就已經生成了一層氧化膜，降低了金屬表面能，大大影響UV固化涂料的附著力。丙烯酸聚氨酯材料可以將聚氨酯的高耐磨性、韌性和撕裂強度等性能與聚丙烯酸酯的高光學性能和耐候性等性能結合起來。Choi等用異佛爾酮二異氰酸酯、聚己內酯三醇、丙烯酸2-羥乙基酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯和丙烯酸（AA），制備紫外光固化聚氨酯-丙烯酸酯-丙烯酸（PU-co-AA）薄膜。通過提高AA的含量，薄膜的黏附力可以從0提高到31kgf/cm2（1kgf=9.8N）（表3.12）。

表3.12　UV固化PU-co-AA薄膜的附著力、剝離強度和接觸角數據

鋁合金因其獨特的性能，如均衡的重量與強度比、高斷裂韌性和低成本而廣泛應用于航空工業，但是這種合金更容易發生局部腐蝕。為了保護合金基板免受腐蝕，通常的方法是疊層處理。六價鉻酸鹽化合物通常作為鹽存在于第一表面處理層（陽極氧化或轉化膜）中，除了頂部有機層（頂部涂層）外還作為第二層中的顏料（底漆）。六價鉻可以很好地防止金屬腐蝕，但是它是一種有毒、致癌、致突變和對環境有害的物質。通過UV技術可以很好地解決這一問題，如直接將液膜（二環氧單體，正烷基三甲氧基硅烷預聚體和二芳基碘六氟磷酸鹽）涂裝在金屬（沒有表面處理層）表面，用紫外線照射實現環氧單體交聯，同時催化有機硅氧烷快速縮合交聯形成硅氧烷網絡，最后在金屬表面形成13μm厚的有機-無機復合薄膜（圖3.4）。這一過程無需溶劑甚至水，能夠很好地取代表面處理和底漆。利用該方法制備的金屬涂層經過2000h的鹽霧測試，沒有發生化學腐蝕。

圖3.4　通過光酸催化溶膠凝膠和環氧樹脂開環聚合形成兩個非共價結合網絡原理圖

金屬涂料參考配方見表3.13、表3.14。

表3.13　耐腐蝕金屬涂料

表3.14　鋁鋼涂料