第三節　水性光固化涂料的涂裝技術與應用

（一）水性光固化體系的干燥過程

水性光固化體系要能夠與油性體系一樣應用于現代化生產，必須可以快速干燥，以適應流水線等生產效率較高場合的需要。水性體系的干燥速度受干燥溫度、膜厚、空氣濕度、配方黏度、孔隙率等因素的影響，是個較為復雜的過程。目前，水性光固化體系干燥過程的研究手段主要是稱重法和紅外光譜法。稱重法方便直接，適用于各種厚度的涂膜，對高溫物體的稱重需要用熱平衡，對少量水的稱重精度不高；紅外光譜法通過檢測干燥過程中水的羥基紅外吸收峰（3500cm-1，2120cm-1）的變化來估算水的含量和變化，溫度較高（80℃）時仍然可以正常操作。紅外輻射除水效率較高，可以大大縮短干燥時間。對于吸附性基材，如木材和紙張，可以吸收部分水分，水性光固化體系用在這樣吸收性基材上的干燥過程變得更簡短。閃蒸可以減少固化前涂膜的水分，但是這個過程需要能量、空間和特殊的生產線設計。電沉積可以減少水含量，80%的水在電滲透過程中被除去，電沉積膜在紅外燈輻照下6min內即可完全干燥，比同條件下涂膜干燥時間短很多。

（二）水性光固化涂料的附著力問題

附著力問題是水性光固化涂料的涂覆和成膜過程中的一個工藝難題，尤其是涂料主體樹脂與不同基材之間附著力的好壞，往往決定了一種水性光固化涂料應用的成敗。例如BOPP、OPP、PET等難粘膜基材，至今仍困擾著技術人員。

改善附著力的主要方法有：降低涂料的表面張力，提高對基材的潤濕性，從而增強涂層附著力；提高基材的表面能；在基材中引入極性基團，增強化學鍵相互作用；對表面張力較低的基材預先進行等離子體處理；在涂料配方中添加合適的潤濕流平助劑；通過合理選擇低聚物和稀釋單體，控制固化工藝，盡可能減小收縮應力。例如，采用分子量較大的樹脂比分子量較小的樹脂更易釋放收縮應力，緩沖外應力，更易獲得高附著力。

（三）改善水性光固化涂料耐磨性

改善水性光固化涂料耐磨性的措施有以下幾種：

①選用高硬度、高韌性的主體樹脂；

②選擇有利的光固化工藝（高光強、惰性氣氛）；

③添加有助于克服表面氧阻聚的助劑（活性胺）；

④添加耐磨無機填料（二氧化硅粉、氧化鋁粉、納米無機填料等）；

⑤助劑（偶聯劑、硬質蠟、含氟表面活性劑、改性聚硅氧烷助劑等）。

在木器涂料中，單官能團稀釋劑有利于增加涂膜的柔韌性，緩解固化中的起皺現象，增加附著力，稀釋能力強；但有一定的揮發性，刺激性大。常用的有丙烯酰嗎啉、乙烯基吡咯烷酮、羥乙基丙烯酰胺、丙烯酸羥乙酯等。多官能團稀釋劑每個分子中包含至少兩個丙烯酸基團，不僅用作稀釋劑，而且在固化時還起交聯劑的作用，對涂膜的性能有重要影響。增加稀釋劑的官能度會加速固化過程，提高交聯密度，增加涂膜硬度，但柔韌性下降。在涂料配方中加入少量的含氟表面活性劑，能顯著提高涂膜的疏水性，改善耐化學性和耐劃傷性。

（四）水性光固化體系的固化過程

水性光固化體系固化前就已經可以指觸，親水基團的羧基含量越高，固化前涂膜的硬度越大，而油性體系固化前還是黏稠的液體。光引發劑、溫度、紫外光源、氧氣、光敏樹脂結構等因素對固化均有一定程度的影響。光聚合反應動力學（Reaction Kinetics of Photopolymerization）是光固化過程的主要研究內容。

目前研究光固化過程的手段主要有：抽提法、紅外光譜法、拉曼顯微鏡（Raman microscopy）法、Photo-DSC等。紅外光譜法可以表征雙鍵的濃度，實時紅外光譜（Real Time FTIR Spectroscopy）廣泛應用在檢測雙鍵的濃度和研究光聚合動力學上。顯微共焦拉曼顯微鏡（Micro-Confocal Raman Microscopy，WCRM）既可以得到振動光譜的化學信息，又可以發揮共焦顯微鏡的空間能力，顯示不同深度的固化情況，雖檢測時間較長，但對于研究氧阻聚、深層固化和顏料等添加物的分布很有幫助。Photo-DSC是在DSC上加一個紫外光源，在紫外燈的輻照下在線檢測光聚合放熱，通過放熱峰的位置和大小來確定光引發的時間和雙鍵聚合的量，可直接計算出聚合速率和轉化率，是一種研究光固化動力學的好方法。

光引發劑種類和濃度對體系固化速度均有影響。光引發劑的吸收峰與光源輻射波段匹配得好，光引發劑就可以更有效地吸收UV輻射的能量。固化速率與光引發劑的濃度有關，在較低的引發劑濃度范圍內，聚合速率隨光引發劑濃度的增加而增大。

氧氣可以與自由基反應生成過氧化物，從而中止聚合反應。因此，氧氣對自由基聚合有阻聚作用，導致反應速率變慢和固化程度變低。另外，氧對光固化過程的影響還跟涂膜的厚度有關，涂膜越厚表層和底層的固化差別越大。

光強與固化速度也有很大關系。有研究發現，聚合速度跟光強的平方根成正比。光強越大，聚合速度越快。

溫度對固化速度也有影響。溫度升高，體系黏度下降，光引發劑分解產生的初始自由基和樹脂易于擴散，自由基聚合反應速率常數增大。因此，光固化速度和凝膠含量也隨之增大。

（五）水性光固化涂料的涂裝技術

水性涂料是環保型綠色涂料，采用水性涂料替代溶劑型涂料是工業涂裝低VOCs化的主要措施。如僅用水性底色漆（WBBC）替代溶劑型底色漆（SBBC）就可削減VOCs排放量達80%以上。采用水性涂裝體系（水性中涂漆/水性底色漆/溶劑型清漆）替代現行溶劑型涂裝體系后，削減VOCs的效果更加顯著。

光固化設備中主要是光源：高壓汞燈、含鹵素汞燈和UV-LED，其次是傳送、干燥通風裝置，我國很多大中型燈源企業都能進行大批量生產。紫外光固化涂裝設備除固化設備外，其他與傳統涂料沒有太大區別，常規的噴涂、輥涂、淋涂和浸涂設備都可以采用。因此涂裝行業改用水性光固化涂料，技術改造費用不高。

水性光固化涂料兼具傳統光固化涂料及水性涂料的優點，近年來快速成長，特別是在歐美國家和地區，已經在家具廠普遍使用。

（1）開放、半開放系列的涂裝

對于表面涂膜物化性能要求非常高的涂裝，以辦公臺面為例，一般工藝為：水性底擦色→噴涂水性UV底漆（一道或二道）→水性UV面色→噴涂水性UV面漆。由于臺面一般需要較高的硬度、非常好的耐劃傷性和耐化學性等性能，這樣從底到面都是水性光固化工藝，既保證了涂裝需求的開放效果（可根據需求，噴涂一道或二道底漆），又能達到光固化涂裝的性能（一般用于該工藝的水性UV涂膜硬度能達到3H）。對于一些適合輥涂涂裝的板式家具，如果全部用傳統型UV輥涂很難達到開放涂裝效果，不是基材導管填滿就是基材導管沒涂料。

針對以上缺點，一個折中的涂裝工藝為：水性底擦色→輥涂傳統型UV底涂→水性UV面色→噴涂水性UV面漆。該工藝的優點在于：首先，底下先輥一道薄薄的溶劑型UV底漆，這樣既可以封固基材的毛刺，又不會填死導管，面上噴涂水性UV面漆，使得整體涂裝既有開放效果，又具有涂裝的保護作用，噴涂的水性UV面漆比輥涂的溶劑型UV涂料有更好的手感和光澤穩定性。該工藝充分考慮了涂裝效果、效率和成本，不足的地方就是只能適用于板式家具，但在開放的板式木門的涂裝上具有非常好的應用前景。

（2）全封閉涂裝工藝

水性光固化涂料同傳統的水性涂料一樣，一般最高的施工固含量在40%左右，所以在用水性涂料做全封閉涂裝效果時，一般基材要選擇淺導管，如樟木、櫻桃木等木材，同開放的涂裝工藝設定一樣，對不同的需求，有不同的工藝。相對于溶劑型UV涂料，水性UV涂料的配方體系能更好地消光，消光粉有充分的時間排布均勻，且成膜后涂膜的柔韌與硬度有良好的平衡，不會出現附著力不良等問題。

目前市面上的水性光敏樹脂制得的涂膜表面硬度最高可以達到3H，抗劃傷等物理性能完全滿足家具、木地板等需求。這里介紹一個使用案例，全封閉工藝采用“水油結合”的辦法，具體工藝為：溶劑型UV膩子→淋涂溶劑型UV底漆→水性UV修色→噴涂水性UV面漆。從該工藝看，淋涂的溶劑型UV底涂提供了出色的填充性和硬度，噴涂水性UV面漆提供了良好的表面效果，而且溶劑型、水性UV涂料之間有良好的層間附著力。該工藝充分發揮了溶劑型、水性光固化涂料的優勢，這也是以后家具涂裝的一個方向。水性光固化涂料的應用領域主要有以下幾方面。

①紙張上光油：這是水性光固化涂料最早應用的領域之一，包括水性UV底油和水性UV上光油，用水稀釋避免了溶劑及活性稀釋劑對人體的傷害，實現了低VOCs排放，同時易于紙張的回收再加工。因此，水性光固化涂料/油墨，在該領域具有廣闊的市場前景。目前我國已有商業化產品可供使用。

②木器涂料：水性光固化涂料在木材和木器涂飾上有較高的應用價值，特別在膠合板和成型木器的涂裝上比較有優勢。選用低固含量的清漆，有優異的木紋展現性，可增加木質的美感。已有商業化水性光固化涂料成功用于木器涂裝。

③柔性印刷油墨：水性光固化油墨解決了傳統光固化油墨墨層太厚，影響疊印的問題。普通的溶劑型油墨或溶劑型光固化油墨在印刷過程中，由于溶劑的揮發，油墨黏度變大造成堵網，從而使精細網點丟失，色彩失真。全固含光固化油墨四色疊印時，在印品上墨層會很厚，后疊上的油墨流動會影響疊印效果。水性光固化油墨干燥固化后墨層變薄，便于四色疊印。

水性光固化油墨可以表現出很細的網點，實現高質量印刷，得到高質量的印品。水性光固化油墨在高質量印刷領域應用廣泛。