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辐射固化-表面固化新技术


     辐射固化的基本含义就是利用紫外光(UV)或电子束为能源,引发具有化学活性的液体配方,在基体表面实现快速反应的固化过程。

  UV/EB固化的工业应用为材料表面固化提供了一种先进的加工手段。这种固化技术不同于传统技术(例如热固化)的最大优点在于辐射固化采用高效能源-紫外光或电子束作为引发手段,快速实现涂层固化。

1. 紫外光与电子束
   紫外光与电子束都可看成辐射大家族的成员,不同的是紫外光是一种电磁辐射,而电子束却是经加速的高能电子流。
   辐射固化常用的100~380nm紫外光区又细分为UV-C(100~280nm)、UV-B(280~315nm)和UV-A(315~380nm)。辐射固化采用的紫外光源一般是经电能激发的紫外灯。
   电子束也是一种辐射,它是一批经过加速的电子流,粒子能量远高于紫外光,可使空气电离,故高能电子束又可称为电离辐射。电子束固化一般不需光引发剂,可直接引发化学反应,而且对物质的穿透力也比紫外光大得多。产生电子束的装置称为电子加速器。辐射固化采用的一种扫描型的电子加速器,其基本原理与家庭使用的电视机十分类似。在电视机中经加速的电子流扫描电视荧光屏取得视觉信息,辐射固化中电子加速器的电子束对基材表面扫描从而实现固化加工。

2. 辐射固化- 一项系统工程
   辐射固化是在现有科学技术的基础上发展起来的一门新技术,因此可以看作是多种技术共同结构形成的综合体,包括辐射源(UV和EB)、原料、单体和齐聚物、光引发剂、各种助剂(如颜料、添加剂)、化学配方(涂料、油墨、黏合剂等)、基材与涂布装置等。辐射固化只有通过这些技术要素的合理配置才能发挥其固有的生命力。事实上,这些技术要素在辐射固化的产业进程中已形成了相互依赖的市场链,共同保证市场竞争力,因此辐射固化的本身是一项系统工程。

3.'3E原则'推动辐射固化发展
   任何高新技术的确立和发展,现在看来都须遵循'3E原则',概莫能免,因此'3E原则'是辐射固化赖以生存和发展的根基和原动力。所谓'3E'就是指能源(Energy)、生态(Ecology)和经济(Economy)。
(1)能源 辐射固化饿额能量消耗只需保证活性化学配方在辐射引发下发生聚合交联反应,不必对基材进行加热,因此UV固化的能耗仅为常规溶剂型涂料和油墨固化的1/5,EB固化能耗更小,仅为常规固化的1/100。
(2)生态 辐射固化所采用的活性化学配方不含(或少含)挥发性溶剂,属于零排放(或低排放)技术,有利于环境保护。此外,辐射固化所用基础能源为电源,无燃油然气,也无二氧化碳产生。因此辐射固化常被誉为'绿色技术'。
(3)经济 辐射固化装置紧凑,加工速度快,场地空间小,生产效率高。因此工艺本身有助于提高产品性能,降低原材料消耗,这一切从经济成本上提高了技术本身的竞争能力。
除此之外,辐射固化较之于传统的固化技术尚有自身的特点,例如室温固化,有利于热敏材料的加工;固化配方可按需求调节,有利于提高工艺的适应性,保证产品性能(如硬度、柔性、光泽、耐候性等);辐射固化易于实现流水作业,自动化程度高。
辐射固化特有的技术优势不仅满足'3E原则'的要求,而且在产业化进程中持续保持对传统固化的市场竞争力,使辐射固化自20世纪60年代以来一直呈高速增长势头:目前紧急发达国家(如美国、日本以及欧洲各国)每年增长率约为10%,发展中国家的增长速度更快,中国的平均年增长率可达25% 。
据估计,目前全球UV/EB固化的化学原料和配方的市场占有额仅为工业涂料(油墨、涂料与黏合剂)总销售额的3%,因此辐射固化发展前景看好。
在辐射固化中占统治地位的是紫外光固化(约90%),电子束固化由于加速器装置一次性投资较高,至今所占比重仍然很小(约10%)。

4. 辐射固化产品举例
   目前辐射固化产品已渗入到工业生产与日常生活的方方面面,几乎无所不在,这里仅举出一些典型的例子。
(1) 涂层 光盘、光纤、磁带、磁卡、高档物品袋、照相胶片、杂志封皮、真空金属塑
料、易拉罐、家具贴面、层压板、墙壁嵌板、乙烯地砖与瓦面、电镀金属管及皮革装饰等;
(2) 油墨 平版胶印、凸版印刷、柔版印刷、凹版印刷和丝网印刷等;
(3) 黏合剂 汽车前灯、压敏标签和移画印花、电子器件封装与包壳、医用塑件装配等;
(4) 电子器件 印刷线路板敷形涂覆、抗蚀剂、阻焊剂、字符油墨、抗光干膜、保护涂层等;
(5) 其他 印刷板、医用器件、牙科充填物、化妆品盒、眼镜片、高尔夫球、奖杯、滑雪板、摩托雪橇、广告标牌等涂层固化或装饰,以及三维立体光铸加工。


5. 辐射固化的化学体系
   具有反应活性的化学配方内容构成了辐射固化的化学体系,一般包括齐聚物、单体、光引发剂、助剂等成分。
   齐聚物在辐射固化配方中起着极其重要的作用,它决定了涂料、油墨、黏合剂或其他基料在辐射固化后的整体性能。齐聚物是专门指一类具有不饱和双键结构的高分子聚合物,可进一步发生反应,扩展成为交联固化体,故也称预聚物。大多数齐聚物都是不同类型丙稀酸树脂,分子量一般不大。
   单体是有机合成材料最基本的单元,在辐射固化中单瘫主要是用作稀释剂以降低化学体系的黏度。UV/EB固化单体一般为活性稀释剂,不仅可调节配方黏度,而且分子结构含有一个或多个双键,称作单官能团活性单体或多官能团活性单体。这种活性单体可与齐聚物或其他单体发生反应,参与辐射固化过程,而且由于不含挥发性物质,故不会对大气造成污染。
   光引发剂在紫外光的作用下产生自由基和阳离子。这两种粒子在化学体系中都是高能活性基团,有利于引发单体、齐聚物和聚合物的不饱和双键的交联固化。值得指出的是,EB固化不需要光引发剂,因为电子本身就能引发化学体系的交联反应。
   助剂在辐射固化中虽然并不直接参与固化过程,然而其作用不可忽视。最常用的助剂是稳定剂,主要用于防止配方用料在贮存时出现凝胶化现象,或防止配方体系在暗光条件下自动固化。此外,其他一些助剂,包括颜料、染料、消光剂、消泡剂、流平剂、附着力促进剂等在改善最终固化性能中也发挥着各自不同的作用。

6. 发展趋势
   辐射固化虽然在全球取得了长足的进展,然而其产业化进程并不尽如人意,主要的原因在于许多技术成果尚处于中试和实验室研究阶段。
   首先,辐射固化的主要发展方向是在传统制造业中继续发挥优势,同时向汽车与建筑装饰市场-全球最大的涂料市场进军,这就要求辐射固化产品性能达到户外长期耐候性的标准。
   辐射固化另一发展方向是向新兴的信息产业进军,具体地说就是在光导介质、信息系统和远程通讯领域占领阵地。这是一个全心领域,正是UV/EB技术施展自身强势的广阔天地。

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