第一節　水性光固化涂料的發展歷史、機遇與挑戰

一、水性光固化涂料的發展歷史

活性稀釋劑和揮發性有機物對人體的傷害和環境污染問題，已成為光固化行業難以逾越的技術屏障，因而限制了它的應用與發展。為此，一種新的固化體系——水性光固化體系應運而生。水性光固化體系結合了傳統的光固化技術、水性涂料和水性油墨的優點，以其環保的優勢得到了人們的關注，現已成為光固化技術領域一個非常活躍的分支。水性光固化涂料從發展歷史看，可以分為四個階段。

第一代水性光固化涂料——外乳化型：早期出現的水性光固化樹脂多為外加乳化劑類型，使用的是不可聚合的普通乳化劑，在高剪切力的作用下將油性光敏樹脂分散在水中。由于這種體系的低聚物（樹脂）一般沒有親水鏈段或基團，與水的親和性較差，而主要由乳化劑提供與水的親和能力。乳化劑由親水基團和親油基團組成，親油基團一般為長鏈烷烴，與樹脂液滴混溶；而親水基團分布在液滴外面，形成親水層。這些乳液的固含量相對較高，但對pH值變化和剪切力非常敏感。20世紀70年代后期，出現了可聚合型的乳液體系，這種乳液體系固含量相對較高（可超過60%），乳化劑的用量比例也較大（約10%），但使用時無氣味。

第二代水性光固化涂料——非離子自乳化型：為了避免外加乳化劑對涂膜性能的危害，將聚乙二醇結構鏈段嵌入聚合物分子鏈結構中，制成可自乳化的光固化樹脂。由于分子鏈上帶有親水基團，在光固化后也不會被消除，該類涂膜的耐水性、耐化學性較差。

第三代水性光固化涂料——水分散體系混合型：將水性光固化低聚物/樹脂與其他水分散體系（多為丙烯酸分散體系）混合，固化組分穩定在非光固化丙烯酸組分的水相中。相對于第一代水性光固化涂料，可將乳化劑換成大分子乳化劑，這可使涂膜在固化后，固化膜中小分子含量下降，耐水性增強。但是整個體系中含有的有效固含量較低，這類產品的交聯密度不高，耐化學性較傳統的光固化產品差。

第四代水性光固化涂料——離子穩定的自乳化型：將含離子基團（通常為羧基或胺基）的化合物設計在光固化體系主體樹脂的主鏈或側鏈上，然后經過中和乳化，使之獲得更好的水溶性。這種類型的產品具有較好的乳液性質，對剪切力較穩定，形成的乳膠粒較小，儲存期較長。這種類型的光敏樹脂由于不需要乳化劑，具有優良的涂膜性能，成為目前研究最多的一種新型水性光固化涂料。

由于水性光固化體系的突出優點，近幾年來已成為非常活躍的研究和開發領域，吸引了很多科研工作者和技術工程師的關注，人們對它的研究和認識也越來越深入，已在發達國家獲得了普遍認可和工業應用。但是，就在水性光固化體系快速研發與成長的二十年間，人們對它的疑惑和爭論也從未停止。

近年來，市場上開始接受水性光固化涂料產品，其市場需求量和新技術研發與日俱增，其主要應用在兩個方面：一是木器底漆UV涂料；二是印刷藝術。目前，水性光固化體系包括如下類型：①水溶型（water-soluble）；②水分散型（water-dispersible）；③乳液基型（latex-based）；④雜化混合型（hybrid）。

二、水性光固化涂料的機遇與挑戰

2019年11月13日，工信部發布的《木器涂料中有害物質限量》等8項化工行業強制性國家標準報批公示，其中5項涉及涂料、膠黏劑行業。新國標將對涂料、膠黏劑等行業的VOCs排放提出了更高的要求。其中GB 24408—2009和GB 18581—2009分別對建筑用外墻涂料和室內裝飾裝修材料中有害物質限量作出明確要求。歐盟裝飾涂料指令（2004/42/EC），美國綠色涂料標志要求（GS-11）對VOCs排放作出限制要求。相關的VOCs限量指標如表4.1和表4.2。

對比水性涂料與油性涂料可以看出：水性涂料VOCs含量遠低于油性涂料。近年來，隨著空氣環境質量的下降，人們環保意識逐漸提高，以及國家出臺環境保護的相關法律法規，油性涂料逐漸被禁止或減少使用，水性涂料逐漸被行業及用戶重視。水性光固化涂料結合了水性涂料和傳統光固化涂料的特點，具有環保性和高效性，成為涂料行業重要的發展方向。

與傳統油性光固化涂料相比，水性光固化涂料具有以下特點：①不必借助活性稀釋劑來調節黏度，可極大降低VOCs排放，解決毒性及刺激性等問題；②可用水或增稠劑方便地控制加工流變性，可用于噴涂；③可避免由于活性稀釋劑所引起的固化收縮，可用于非吸收性表面，如塑料的涂布；④可得到極薄的涂層；⑤設備、容器等易于清洗；⑥光固化前可指觸，可堆放和修理；⑦大大降低火災危害風險。除了上述優點外，水性光固化涂料還有一個很突出的優點，就是解決了傳統光固化涂料的硬度和柔韌性之間的矛盾。但水性光固化涂料也面臨著技術瓶頸與挑戰。與其他水性涂料體系一樣，水性光固化涂料存在的主要技術困難和問題是：①光固化前大多必須預干燥，不適用于現有的光固化設備；水的高蒸發熱（約40.6kJ/mol），使預干燥不僅耗能而且費時，對于鐵質基材還可能引起“瞬時銹蝕”問題。②水的高表面張力帶來一系列問題，如對基材（特別是低表面能者）和顏料的浸潤性差、易引起涂布不均等，雖然可加入共溶劑或表面活性劑解決，但又會造成污染以及起泡、針眼等問題。③固化膜的光澤低，耐水性和耐洗滌性較差。④體系的穩定性較差，對pH較為敏感。⑤水性體系較厚的涂層在烘烤過程的“爆泡”問題是成型工藝難以控制的質量問題。⑥水的凝固點比一般有機溶劑高，在運輸和儲藏過程中需要加入防凍劑。⑦水性光固化體系容易產生霉菌，需加入防霉劑，使配方復雜化。