彭曉瑞 張占寬 陳明貴

隨著國家對環(huán)保要求的提高和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，紫外光固化涂料從20世紀(jì)60年代開發(fā)至今，成為廣受關(guān)注的一種環(huán)保節(jié)能型涂料，其固化速度快，較少使用揮發(fā)性溶劑，環(huán)保性好，高效節(jié)能，且固化過程可自動化操作，適合連續(xù)化生產(chǎn)等，故在木材裝飾、金屬裝飾、印刷行業(yè)、光纖包覆、皮革等領(lǐng)域一直保持快速增長勢頭[1-2]。目前，對木器紫外光（UV）固化涂料的研究多是針對UV涂料的工藝進(jìn)展和發(fā)展趨勢[3]，UV涂料的單體、預(yù)聚物及光引發(fā)劑的研制和配方研發(fā)[4]，UV涂料表面涂飾的固化速度以及部分針對紫外光（UV）固化涂料固化后的耐黃變、耐候性能等[5]，而明確對漆膜性能具體影響因素的研究相對較少[6]。而事實(shí)上，影響木器UV涂料漆膜性能的因素有很多，如UV涂料游離單體、預(yù)聚物及光引發(fā)劑選擇，UV固化工藝參數(shù)差異等[7-9]。筆者在前期調(diào)研與預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，紫外光（UV）輻射能量對漆膜硬度和漆膜附著力等性能會產(chǎn)生較大影響，而目前，對此的研究還相對較少。

另外，筆者在前期對于UV輻射能量對紫外光（UV）固化涂料中有機(jī)揮發(fā)物含量影響的研究中已得出，不同紫外光UV輻射能量下，其揮發(fā)物含量有較大差別。筆者選用輻射能量250、450、650 mJ/cm2和850 mJ/cm2分別對不同漆膜厚度下紫外光固化涂料漆膜硬度和附著力進(jìn)行測試，以探討驗(yàn)證不同輻射能量下的木器紫外光（UV）固化涂料的漆膜性能，研究UV輻射能量對紫外光固化涂料漆膜性能的影響及所對應(yīng)的揮發(fā)物含量情況，確定較優(yōu)的適合工業(yè)化生產(chǎn)的輻射能量，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

基材：尺寸為400 mm×300 mm×5 mm的硬楓木單板2塊，表面平整、光滑，無節(jié)疤、蟲眼等缺陷。

紫外光（UV）固化底漆：由江蘇海田技術(shù)有限公司生產(chǎn)提供，底漆攪拌后呈現(xiàn)均勻狀態(tài)，細(xì)度50 μm，漆膜外觀平整，固含量≥97%，涂料黏度：30～40 s（涂4杯，25℃）。其配比所使用單體為TPGDA，光引發(fā)劑為1173。

1.2 儀器和設(shè)備

30、60、90 μm厚刮漆器；天津QHQ型漆膜鉛筆劃痕硬度儀；中華鉛筆（6B～6H）；QFH漆膜劃格器(含膠帶)，劃格器有2種規(guī)格間距的多刃切割刀(分別為1 mm和2 mm間距，1 mm間距切割刀用于涂膜厚度為30 μm的試件，2 mm間距切割刀用于涂膜厚度為60 μm和90 μm的試件；多刃切割刀工作齒間寬度為50～100 μm)；恒溫恒濕箱；軟毛刷；放大鏡。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝 為模擬常見實(shí)際生產(chǎn)工藝，采用刮漆器分別將紫外光（UV）固化底漆刮覆于楓木試件表面，形成涂膜厚度30、60、90 μm；結(jié)合現(xiàn)有紫外光固化涂料輻射固化時(shí)常用UV燈能量參數(shù)實(shí)際情況，在相同固化照射高度和時(shí)間下（輻射高度為100 mm，固化時(shí)間 為10 s），選 取250、450、650 mJ/cm2和850 mJ/cm2等四種UV輻射能量，分別對紫外光固化底漆進(jìn)行固化；在溫度為（23±2） ℃、相對濕度為（50±5）%的恒溫恒濕箱中陳放24 h后進(jìn)行漆膜硬度和附著力的性能檢測。

1.3.2 性能測試 實(shí)驗(yàn)共2組試件，一組試件需根據(jù)GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》國家標(biāo)準(zhǔn)中對漆膜硬度的要求[10]，檢測紫外光固化涂料的漆膜硬度，每個輻射條件下3塊，幅面300 mm×500 mm（可供3個涂膜厚度刮覆），共12塊，結(jié)果取平均值；另一組試件根據(jù)GB/T 9286—1998《色漆和清漆－漆膜的劃格試驗(yàn)》要求中對漆膜附著力的測試方法，對紫外光固化涂料在楓木單板表面的漆膜附著力進(jìn)行檢測[11]，同樣幅面300 mm×500 mm的楓木板取12塊，每個輻射條件下3塊，按漆膜從劃格區(qū)域底材上脫落的面積多少評定，分0～5級，0級最好，5級最差。每個試件需切割3組，每組之間邊緣距離應(yīng)大于5 mm，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外光輻射能量對木器紫外光固化涂料漆膜硬度的影響

不同紫外光輻射能量下，紫外光固化底漆漆膜硬度情況見圖1。

圖1 UV輻射能量對木器紫外光固化涂料漆膜硬度的影響Fig.1 Effect of UV radiation energy on film hardness of wood UV painting

紫外光（UV）固化底漆在250 ～650 mJ/cm2紫外光能量照射下，隨著UV輻射能量的增大，其漆膜硬度呈不斷增大趨勢，從3B增大到HB，漆膜表面質(zhì)量不斷提高，表明紫外光固化涂料的光引發(fā)劑和單體經(jīng)輻照時(shí)，隨著輻射能量增加，在聚合固化反應(yīng)過程中，其光引發(fā)劑誘發(fā)化學(xué)鍵的斷裂、分子鏈增長、轉(zhuǎn)移等反應(yīng)充分，從而使漆膜逐漸達(dá)到較充分聚合固化，漆膜硬度增大。當(dāng)輻射能量為650 ～850 mJ/cm2時(shí)，UV漆膜硬度呈現(xiàn)降低趨勢，主要與紫外光輻射強(qiáng)度過大，漆膜固化快，漆膜內(nèi)部收縮率大，造成漆膜脆性大，表面硬度反而下降有關(guān)。且輻射能量對紫外光固化涂料漆膜硬度的影響與漆膜厚度也有一定關(guān)系。當(dāng)輻射能量為450～650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化底漆的漆膜硬度增幅相對小于輻射能量為250 ～450 mJ/cm2，表明輻射能量為250 mJ/cm2時(shí)，UV涂料分子內(nèi)部的光引發(fā)劑未能達(dá)到能量轉(zhuǎn)化點(diǎn)，對于化學(xué)鍵的斷裂及分子鏈的反應(yīng)促成較弱，固化速度較慢，此時(shí)不同涂膜厚度條件下，僅僅達(dá)到了表層的微弱固化而使其漆膜硬度相對較差，輻射能量到達(dá)450 mJ/cm2時(shí)，能量相對較大且穩(wěn)定接近紫外光固化涂料可固化能量，因此其涂膜表面硬度相對較大，此時(shí)涂膜厚度為60 μm，漆膜硬度相對最大，主要由于漆膜過薄時(shí)，在輻射能量不變情況下，紫外光容易到達(dá)涂層底部，固化速度較快且充分，但漆膜相對較薄，基體剛性相對較差，涂膜硬度相對較小，而涂膜厚度相對較厚為90 μm時(shí)，紫外光輻射能量還不足以強(qiáng)到使其充分固化到漆膜底層，因此漆膜硬度相對小于60 μm。當(dāng)輻射能量為450～650 mJ/cm2時(shí)，隨著輻射能量繼續(xù)增加，紫外光固化底漆反應(yīng)固化速度增幅相對減小，漆膜硬度變化相對較小，且涂膜厚度為60 μm和90 μm時(shí)的漆膜硬度相同，表明輻射能量為650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化涂料固化所需的能量值已相對穩(wěn)定且充足，其在較厚的漆膜厚度下，亦能使漆膜的底層、中間層乃至表層行成完全固化，固化速度相對加快，漆膜整體硬度大。而當(dāng)輻射能量增至850 mJ/cm2時(shí)，不同涂膜厚度下的漆膜硬度均有所減小，且厚度為90 μm的硬度相對小于30 μm和60 μm，此時(shí)輻射能量過大，造成漆膜過度固化而使表層變脆，因此硬度有所降低。在相同紫外光劑量的固化條件下，固化速度和漆膜硬度隨紫外光輻照強(qiáng)度的增加而增大，一般而言，當(dāng)輻射能量為650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化涂料固化速度加快，光引發(fā)劑能量使用合理有效，表面硬度增加顯著。

2.2 紫外光輻射能量對木器紫外光固化涂料漆膜附著力的影響

圖2 UV輻射能量對木器紫外光固化涂料漆膜附著力的影響Fig.2 Effect of UV radiation energy on film adhesion of wood UV painting

如圖2所示，當(dāng)紫外光輻射能量為250～650 mJ/cm2時(shí)，隨著UV輻射能量的增大，紫外光（UV）固化底漆漆膜附著力呈不斷增大趨勢，從5級增大到1級，漆膜表面質(zhì)量不斷提高。紫外光固化樹脂分子鏈末端一般為含有活性雙鍵的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)，可用來進(jìn)行架橋反應(yīng)達(dá)到固化效果，輻射能量可直接影響固化速度、架橋反應(yīng)效果等，從而導(dǎo)致其表面漆膜附著力有所不同。當(dāng)輻射能量為250～450 mJ/cm2時(shí)，隨著UV輻射能量增加，紫外光固化底漆的漆膜附著力均相對較差，僅涂膜厚度為90 μm時(shí)，略有提高，表明此輻射能量下，紫外光固化涂料不能實(shí)現(xiàn)完全固化，光引發(fā)劑未能使分子鏈末端的活性化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)架橋反應(yīng)充分，因此漆膜附著力無明顯提高。當(dāng)輻射能量為450～650 mJ/cm2時(shí)，隨著輻射能量增加，光引發(fā)劑誘發(fā)UV單體化學(xué)鍵的斷裂、分子鏈增長、轉(zhuǎn)移等反應(yīng)充分，從而使漆膜聚合固化趨于充分且穩(wěn)定，UV涂料的漆膜附著力增幅顯著，且以輻射能量650 mJ/cm2下的漆膜附著力最好。當(dāng)輻射能量為650 ～850 mJ/cm2時(shí)，UV涂料固化速度迅速，特別是表層漆膜收縮率相對較大，漆膜脆性相對增強(qiáng)，柔韌性較差，從而導(dǎo)致漆膜層間附著力降低。相同輻射能量下，表面漆膜附著力大小與漆膜厚度本身也有一定關(guān)系。一般而言，當(dāng)輻射能量為250 ～450 mJ/cm2時(shí)，不同涂膜厚度下其漆膜附著力變化不大，均相對較差，一般為5～4 級，輻射能量為450 ～650 mJ/cm2時(shí)，輻射能量一定條件下，厚度為30 μm的紫外光固化底漆漆膜附著力相對低于厚度為60 μm和9 0 μm，涂膜厚度為60 μm和90 μm時(shí)的漆膜附著力均可達(dá)到1級，輻射能量為650 ～850 mJ/cm2時(shí)，漆膜附著力有所下降，且輻射能量一定條件下，厚度為30 μm的紫外光固化底漆漆膜附著力略高于厚度為60 μm和90 μm 時(shí)的漆膜附著力，這與輻射能量過大，漆膜表層脆性增大，導(dǎo)致十字劃格漆膜剝離率相應(yīng)增高有關(guān)，此結(jié)論與輻射能量對表面硬度影響的結(jié)論基本一致。由此，當(dāng)輻射能量為650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化涂料的漆膜附著力相對最好，因此工廠實(shí)踐應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，可以此輻射能量參數(shù)指標(biāo)作為參考。

3 結(jié)論

1）UV輻射能量對紫外光固化涂料漆膜硬度和附著力均具有顯著影響，且與涂膜厚度有一定關(guān)系。一般而言，當(dāng)輻射能量為250 ～650 mJ/cm2時(shí)，隨著紫外光輻射能量的增加，紫外光固化涂料漆膜硬度和附著力均不斷增大，且以輻射能量為650 mJ/cm2時(shí)的性能最優(yōu)，其漆膜硬度可達(dá)HB，漆膜附著力可達(dá)1級，當(dāng)輻射能量為650 ～850 mJ/cm2時(shí)，由于能量高固化過度，造成漆膜硬度和附著力均有所下降。

2）在前期系列研究中得出，當(dāng)UV輻射能量為450 ～650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化底漆揮發(fā)物含量不斷減小，且減幅相對顯著。該實(shí)驗(yàn)中，此輻射能量條件下的紫外光固化涂料的漆膜硬度和附著力亦呈現(xiàn)不斷增大并趨于穩(wěn)定趨勢，故建議在UV漆實(shí)際生產(chǎn)中，將UV輻射能量設(shè)置為550～650 mJ/cm2。

3）該實(shí)驗(yàn)為UV輻射能量對紫外光固化涂料相關(guān)物理性能的補(bǔ)充研究，對紫外光固化涂料實(shí)際生產(chǎn)制作、工藝?yán)碚撗芯考跋嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定具有借鑒作用。

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