營 飛，王木立，顧 斌，馬智俊，張東陽 （中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州 213016）

0 引言

真空鍍膜技術，即物理氣相沉積技術，是一種新穎的材料合成與加工技術，它通過將金屬或金屬化合物膜層（20～100 nm）移植到各類基材表面，賦予制品金屬外觀、高附加值以及優(yōu)異的耐磨性等綜合性能［1］。隨著塑料裝飾鍍膜的發(fā)展和塑料代金屬制品的不斷開發(fā)，真空鍍膜技術更多地應用于塑料金屬化制品中，如汽車聚光燈反射罩、汽車裝飾零件、手機外殼、燈具零件、化妝品盒及日用小商品等［2-4］。鍍膜層材料有金屬單質，也有合金，由于鋁具有熔點低、蒸發(fā)溫度低、光反射率高、氣體阻隔性好、成本低等優(yōu)點，目前在真空鍍膜技術中的應用最為廣泛［5］。常見的鍍膜基材有ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）、PET（聚對苯二甲酸類塑料）、PS（聚苯乙烯）、BMC（團狀模塑料）等，由于這些基材的表面能和耐熱性各不相同，因此對涂膜的附著力和耐熱性的要求也各不相同［6］。

真空鍍膜技術的基本工藝流程為：基材前處理→涂底漆→真空鍍膜→涂面漆［7］，其中，底漆也被稱作真空鍍膜涂料。真空鍍膜材料的結構示意圖如圖1所示。

圖1 真空鍍膜材料的結構示意圖Figure 1 Structure diagram of vacuum deposition material

早期的真空鍍膜涂料主要采用烘烤固化涂料，其施工時間長、工藝復雜，目前真空鍍膜涂料均采用紫外光固化（UV）涂料［8］。UV涂料具有固化速度快、節(jié)能環(huán)保的特點，其在真空鍍膜中的主要作用有：（1）封閉塑料基材，防止真空鍍膜時塑料基材中的揮發(fā)性雜質逸出影響鍍膜質量；（2）使底材光滑平整，鍍膜后呈現(xiàn)良好的鏡面效果；（3）在塑料基材和鍍膜層之間提供良好的附著力；（4）熱緩沖作用，保護基材免遭熱致變形［9］。

當前市場上的UV真空鍍膜涂料以溶劑型UV涂料為主。隨著國家環(huán)保法規(guī)日益嚴格，溶劑型涂料在未來會受到越來越多的制約，因此開發(fā)水性UV真空鍍膜涂料迫在眉睫。

本研究首先合成了具有高雙鍵密度的水性聚氨酯丙烯酸酯分散體（WPUA）及帶有雙鍵結構的高相對分子質量水性純丙烯酸酯分散體（WPA），然后通過復配多官能度丙烯酸酯單體、光引發(fā)劑等，制得水性真空鍍膜UV涂料，分析了各原料組成對涂膜性能及鍍膜性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、聚碳酸酯二元醇（PCDL）、二羥甲基丙酸（DMPA）、1、4-丁二醇（BDO）、三羥甲基丙烷（TMP），工業(yè)級，萬華化學；丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、丙烯酸正丁酯（BA）、丙烯酸縮水甘油酯（GMA），工業(yè)級，日本觸媒；季戊四醇三丙烯酸酯（PET3A）、三乙氧基三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMP3EOTA）、九乙氧基三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMP9EOTA）、十五乙氧基三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMP15EOTA），工業(yè)級，長興化學；光引發(fā)劑Irgacure 2959、Irgacure 500，工業(yè)級，德國巴斯夫；二月桂酸二丁基錫（DBTDL）、三乙胺、過氧化苯甲酰（BPO）、對羥基苯甲醚（MEHQ）、三苯基膦，化學純，阿拉丁試劑；丙酮、丙二醇甲醚，工業(yè)級，市售。

1.2 WPUA的合成

在帶有攪拌和加熱裝置的反應瓶中加入計量的IPDI、PCDL和DBTDL，加熱升溫至60 ℃反應，采用二正丁胺-鹽酸滴定法測定反應體系中的—NCO含量，直至—NCO含量不再變化時依次加入計量的DMPA、BDO和TMP，升溫至70 ℃反應，直至反應體系中—NCO含量不再變化時加入計量的PET3A和MEHQ，升溫至80 ℃反應，直至—NCO含量基本為零，降溫至50 ℃，加入適量丙酮降低體系黏度，并加入三乙胺中和反應液。在高速攪拌下，將去離子水緩慢滴加至反應瓶中，乳化分散后減壓蒸餾抽除丙酮，待冷卻后過濾出料，得到產物WPUA。

1.3 WPA的合成

在帶有攪拌、加熱和回流裝置的反應瓶中加入部分丙二醇甲醚，升溫至回流溫度，在2.5 h內將計量的AA、MMA、HEMA、BA、BPO的混合溶液緩慢滴加入反應瓶中，滴加完畢后保溫0.5 h，補加少量的BPO，繼續(xù)在回流溫度下反應2 h。加入計量的三苯基膦和GMA，在110 ℃下保溫反應，直至反應體系的酸值降至5 mgKOH/g。降溫至50 ℃，加入三乙胺中和反應液。在高速攪拌下，將去離子水緩慢滴加至反應瓶中，乳化分散后過濾出料，得到產物WPA。

1.4 水性UV真空鍍膜涂料的制備

1.4.1 涂料配方

水性UV真空鍍膜涂料的配方見表1。

表1 水性UV真空鍍膜涂料的配方Table 1 Formulation of waterborne UV coatings for vacuum coating

1.4.2 鍍膜工件制備及性能評價

水性UV真空鍍膜工件的制備和相關性能的測試評價工藝流程如圖2所示。

圖2 水性UV真空鍍膜工件的制備及性能評價流程圖Figure 2 Preparation and performance evaluation of waterborne UV-curable vacuum coating workpiece

采用傅里葉紅外光譜（FT-IR）對WPUA和WPA的結構進行表征。

涂料黏度：參照GB/T 2794—2013，采用旋轉黏度計，在25 ℃下進行測試。

涂料貯存穩(wěn)定性：參照GB/T 6753.3—1986，在25 ℃下避光貯存6個月，觀察涂料狀態(tài)是否有變化，是否出現(xiàn)黏度增大、沉淀分相等現(xiàn)象。

涂膜的干燥性：參照GB/T 1728—1979，以涂膜指觸法表干所需紫外光能量為單位，每固化1次涂膜表面接收的能量約為200 mJ/cm2。

涂膜鉛筆硬度：參照GB/T 6739—2006進行測試。

涂膜附著力：參照GB/T 9286—1998，分別測試涂膜對PC基材的附著力以及涂膜與鍍鋁層的附著力，根據百格剝落情況分為6個等級，0級為最優(yōu)，5級為最差。

涂膜耐水煮性：參照GB/T 1733—1993，在馬口鐵板表面制備涂膜，封邊后置于80 ℃蒸餾水中浸泡2 h，觀察涂膜表面是否出現(xiàn)失光、變色、起皺、鼓泡、脫落等現(xiàn)象。

涂膜耐熱性：參照GB/T 1735—2009，在PC基材表面制備涂膜，并真空鍍鋁，在120 ℃下連續(xù)烘烤工件2 h，觀察鍍鋁層是否出現(xiàn)發(fā)彩、發(fā)污、鼓泡、開裂等現(xiàn)象。

2 結果與討論

2.1 水性UV樹脂的紅外表征

圖3為自制的兩款水性UV樹脂的紅外譜圖。從圖3a中可以看出，位于3 364 cm-1處的吸收峰是N—H的伸縮振動吸收峰；2 954 cm-1、2 902 cm-1處的吸收峰是C—H（—CH3、—CH2）的伸縮振動吸收峰；1 727 cm-1處是C=O的伸縮振動吸收峰；1 193 cm-1和1 064 cm-1處是C—O—C的伸縮振動吸收峰；1 635 cm-1處的吸收峰是C=C的伸縮振動吸收峰；在2 270 cm-1處并未出現(xiàn)—NCO的特征吸收峰，說明—NCO基團已經反應完全。從圖3b中可以看出，2 927 cm-1和2 874 cm-1處的吸收峰是C—H（—CH3、—CH2）的伸縮振動吸收峰。丙烯酸酯類單體的特征吸收峰體現(xiàn)在1 728 cm-1處的C=O的伸縮振動吸收峰，以及1 179 cm-1和1 072 cm-1處的C—O—C的伸縮振動吸收峰。1 631 cm-1處為C=C的伸縮振動吸收峰，說明C=C雙鍵已接枝到樹脂結構當中。

圖3 水性UV樹脂的紅外譜圖Figure 3 The infrared spectrum of waterborne UV-curable resin

2.2 水性UV真空鍍膜涂料的主要性能

水性UV真空鍍膜涂料的主要性能測試結果如表2所示。

表2 水性UV真空鍍膜涂料的主要性能測試結果Table 2 Test results of main properties of waterborne UV-curable vacuum coating paint

2.3 WPUA對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響

作為水性UV真空鍍膜涂料的主要成膜物質，本研究通過引入多官能度單體PET3A封端WPUA，使其具有較高的官能度，這對提高涂膜交聯(lián)密度，增強涂膜機械性能和耐熱性能具有重要作用。WPUA添加量對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響見表3。

從表3中可以看出，隨著WPUA在涂料中添加量的增加，涂膜干燥所需的能量降低，涂膜硬度提高、耐水性和耐熱性均良好。但值得注意的是，WPUA存在兩方面問題：第一，當其添加量過高時，涂膜對基材的附著力開始下降，這可能是由于WPUA的相對分子質量相對較低，雙鍵密度高，導致涂膜收縮應力過高，附著力變差；第二，耐熱前后涂膜與鍍鋁層的附著力差異很大，隨著WPUA添加量的增加，耐熱后涂膜與鍍鋁層的附著力出現(xiàn)嚴重下降。這可能是由于聚氨酯丙烯酸酯本身極性不強，與鍍鋁層的附著力難以達到最佳，受熱后鍍鋁層和涂膜層同時出現(xiàn)熱膨脹，由于涂膜偏硬，與鋁的熱膨脹系數不同，因此鋁層趨向于從涂膜表面剝離出來，附著力下降。

綜合各項參數，WPUA的最佳添加量在60%～70%。

表3 WPUA添加量對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響Table 3 Effect of WPUA addition on properties of waterborne UV-curable vacuum coating paint

2.4 WPA對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響

WPA相對分子質量較高，呈梳狀結構，具有良好的附著特性，表4為WPA的添加量對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響。

表4 WPA的添加量對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響Table 4 Effect of WPA addition on properties of waterborne UV-curable vacuum coating paint

從表4中的數據可以看出，隨著WPA添加量的增加，水性UV真空鍍膜涂料的硬度和耐熱性均有所下降，耐水性也出現(xiàn)一定程度的下降。這可能是由于WPA自身Tg偏低，且雙鍵密度較低，導致交聯(lián)度不夠，隨其用量增加，涂膜機械性能下降。另一方面，WPA對涂膜的基材附著力和鍍膜附著力都有明顯的增強作用，主要表現(xiàn)在：隨著WPA在涂料中添加量的提高，耐熱后涂膜與鋁層的附著力增強。這可能是因為WPA偏軟，且含有羥基、羧基等極性基團，對提高金屬附著力有良好的促進作用。無論是經受真空鍍膜時的瞬時高溫還是耐熱試驗時的長時間高溫，鋁層都可以很好地與涂層形成“鉚固”結構，受熱膨脹時WPA呈現(xiàn)出較強的伸縮性，因此鋁層不易從涂層表面脫離，附著力得到有效提高。

綜合各項參數，WPA的最佳添加量為20%～25%。

2.5 多官能度丙烯酸酸酯單體對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響

為進一步提高涂料的交聯(lián)度和流平性，并考慮到體系的相容性，本研究選取了3種含有親水基團的多官能度活性單體，分別是三羥甲基丙烷三丙烯酸酯的3種乙氧基化衍生物，隨著乙氧基化程度的提高，它們的親水性也依次提高。表5為這3種單體對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響。

從表5中可以看出，單體的種類和添加量都對涂料的性能有不同程度的影響。對于TMP3EOTA而言，它對涂料最重要的影響在于貯存穩(wěn)定性下降，這可能是由于該單體親水性較差，與涂料中水性樹脂的相容性較差導致的。TMP15EOTA親水性最強，涂料穩(wěn)定性較好，但其對涂膜的耐水性、上鍍性和耐熱性均有不良影響。這可能是由于乙氧基鏈段偏軟，在受熱過程中存在于基材內的小分子增塑劑或單體揮發(fā)進入涂膜內部，造成涂膜變形，與鍍膜層發(fā)生相對移動，導致光線在鍍膜層表面折射后產生發(fā)彩現(xiàn)象。相對而言，TMP9EOTA的綜合性能較好，適量加入可以明顯提高涂膜的耐熱性、耐水性，并且不會影響涂料的貯存穩(wěn)定性。TMP9EOTA的添加量控制在10%～20%之間為宜，其添加量過高會導致涂膜附著力和耐水性下降。

2.6 光引發(fā)劑對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響

本研究選取了兩款水性UV涂料常用的液體型引發(fā)劑，分別是Irgacure 2959和Irgacure 500，其中2959含有羥基官能團，具有一定的親水性。表6為這兩種光引發(fā)劑對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響。表6數據表明，2959與500兩種光引發(fā)劑的引發(fā)效率基本一致。由于500中含有二苯甲酮，受紫外線照射裂解后容易產生醌式結構，因此涂膜外觀出現(xiàn)微黃現(xiàn)象。此外，2959中含有羥基結構，其親水性優(yōu)于500，與水性UV樹脂的相容性也要優(yōu)于500。綜上所述，本研究選用2959作為主體引發(fā)劑，其添加量控制在4%～5%。

表5 多官能度丙烯酸酯單體對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響Table 5 Effect of multifunctional acrylate monomer on properties of waterborne UV-curable vacuum coating paint

表6 光引發(fā)劑對水性UV真空鍍膜涂料性能的影響Table 6 Effect of photoinitiator on properties of waterborne UV-curable vacuum coating paint

3 結語

本研究合成了具有高交聯(lián)密度的水性聚氨酯丙烯酸酯分散體（WPUA）和高相對分子質量的水性純丙烯酸酯分散體（WPA），并復配多官能度丙烯酸酯單體、光引發(fā)劑等制得了水性光固化真空鍍膜涂料，研究了各組分對涂料及涂膜性能的影響，確定了最優(yōu)配方。試驗結果表明：WPUA具有較高的交聯(lián)密度，可以有效提高涂層的機械性能和耐熱性；WPA可以有效提高涂料對基材和鍍膜層的附著力。這種復配型水性UV涂料具有固化速度快、附著力優(yōu)異、耐熱性能好、上鍍性佳的特點，在真空鍍膜領域具有良好的適應性。