康森
PPG涂料（天津）有限公司 天津 300457
摘要：光固化水性涂料作为一种绿色环保的新型涂料，既响应环保号召，又满足人们对高品质生活的需求，近年来得到大力发展。光固化水性涂料要求树脂分子同时具备：1）树脂分子在紫外光的作用下，从液态转化为固态；2）树脂分子能够溶于水或以水作为分散介质，这就要求树脂分子中须含有一定数量的不饱和基团和强亲水基团。基于此，本文主要对水性光固化涂料研究进展进行分析探讨。
关键词：水性光固化涂料；研究进展
1、前言
传统的光固化涂料不能使用相对分子质量过高的低聚物作为主体树脂，同时要加入相对分子质量较低的活性稀释剂，因此难以兼顾硬度和柔韧性。而水性光固化涂料体系是水分散性树脂体系，其黏度与低聚物的相对分子质量无关，只与固含量有关，因而在涂料配方中可使用相对分子质量较高的低聚物，同时又不必加入低分子的活性稀释剂，从根本上解决了高硬度与高柔韧性之间的矛盾。
2、光固化水性涂料的分类和组成
光固化水性涂料的分类方法很多，常见的分类有如下几种：按其固化机理分类可分为自由基光固化体系和阳离子光固化体系两大类，按其使用的光引发剂可分为水溶性体系和水分散性体系两大类，还可以根据其固体含量高低[6]和是否含多官能团丙烯酸酯（MFAs）等来进行分类。
光固化水性涂料体系由水性UV树脂或预聚体、光引发剂、助剂和水组成。其中水性UV树脂或预聚体是体系中最重要的组分，预聚物的分子结构、相对分子质量、官能团密度、Tg等直接影响着涂膜的硬度、强度、黏附性、柔韧性、耐磨性、耐水性、耐候性、耐腐蚀性等综合性能，预聚物还对光固化速度有很大影响。目前，常见的水性UV树脂主要分为以下几类：水性不饱和聚酯、水性聚氨酯丙烯酸酯、水性环氧丙烯酸酯、水性聚酯丙烯酸酯、水性丙烯酸酯化聚丙烯酸酯。
2.1水性不饱和聚酯
水性不饱和聚酯是较早用于UV固化水性涂料的原料之一，其合成方法是通过传统的多元醇和多元酸缩聚反应得到，为使聚合物具有亲水性，通常在不饱和聚酯分子链上引入亲水基团，如聚乙二醇、偏苯三酸酐或均苯四酸酐等。水性不饱和聚酯涂料成本较低，但是其光固化速度较慢，综合性能不及其他水性光固化涂料，导致其应用受到局限。
2.2水性聚氨酯丙烯酸酯
水性聚氨酯丙烯酸酯（WPUA）涂料是目前应用最广泛的UV固化水性涂料之一，兼具聚氨酯和丙烯酸酯二者的优点，具有良好的柔韧性、抗冲击性、抗张强度、耐腐蚀性、耐磨性、耐候性、附着力及手感等综合性能，其最大的特点是可通过分子设计、控制软硬段比例、控制双键和亲水基团含量，来调节预聚物的综合性能。WPUA一般是以二异氰酸酯作为硬段、聚酯二元醇或聚醚二元醇作为软段、含亲水基团的二元醇（如二羟甲基丙酸）作为扩链剂、丙烯酸羟基酯作为封端剂，通过多步缩聚反应制得。研究者通过将双羟基丙烯酸酯（PEDA）接枝到聚氨酯侧链，再用单羟基丙烯酸羟乙酯（HEA）进行封端，得到了一种新型UV固化水性聚氨酯丙烯酸酯。这种方法大大提高了聚合物的双键含量，可方便地控制聚合物侧链及主链上的碳碳双键含量，进而控制固化膜的性能。测试表明：固化膜的热稳定性随碳碳双键含量的提高而提高。研究者通过原位聚合法制备出无溶剂型聚氨酯丙烯酸酯（PUA）复合乳液，并用氮丙啶对其进行改性，结果表明：氮丙啶与PUA分子链上的羧基发生开环反应，增大了分子的交联密度，改性后的树脂综合性能增强，尤其是防腐性能。刘棚滔等[14]用异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、二羟甲基丙酸（DMPA）和二乙醇胺合成超支化聚氨酯核，然后用IPDI、聚醚二元醇、DMPA、1，4-丁二醇和丙烯酸羟乙酯合成线性聚氨酯，并将其接枝到超支化聚氨酯核上，最后加入丙烯酸酯，成功制备出稳定性较好的超支化聚氨酯丙烯酸酯共聚乳液。
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2.3水性环氧丙烯酸酯
水性环氧丙烯酸酯是目前用量最大的UV固化水性低聚物之一。它具有原料价格低、拉伸模量高、涂膜硬度高、附着力好、光泽度高、耐化学品性能好、电绝缘性和热稳定性良好等优点，但也存在脆性和耐黄变性能差等缺点。通常由（甲基）丙烯酸与环氧树脂酯化后制得环氧丙烯酸酯，利用环氧丙烯酸酯中的羟基与酸酐（如顺酐、偏苯三酸酐、均苯四酸酐等）反应从而引入羧基作为亲水基团，再用有机胺中和得到水性环氧丙烯酸酯树脂。研究者以丙烯酸和马来酸酐为改性剂，以双酚A型环氧树脂为基体，以正硅酸乙酯为前驱体，以γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷为偶联剂，制得一种新型改性的水性环氧丙烯酸酯（WEA）/纳米SiO2溶胶复合材料，试验结果表明，固化时间为40s，最大固化度达到了88%的凝胶含量，纳米硅溶胶的加入改善了WEA树脂的热稳定性和阻燃性。
2.4水性聚酯丙烯酸酯
水性聚酯丙烯酸酯（WPEA）是水性光固化体系中较为常见且价格低廉的低聚物。它容易制备，具有色泽浅、光泽度高、柔韧性好、涂膜丰满等优点，其最大的特点是具有较低黏度，常用于丝印油墨和罩光清漆。WPEA是由相对分子质量较低的聚酯二醇经丙烯酸酯化制得，一般由聚酯端羟基与丙烯酸酯化或由聚酯端羧基与甲基丙烯酸缩水甘油酯反应而得。
2.5水性丙烯酸酯化聚丙烯酸酯
水性丙烯酸酯化聚丙烯酸酯具有价廉、易制备、耐黄变、光泽度好、涂膜丰满、附着力好等优点，一般通过含有特定基团的单体与丙烯酸系单体共聚，再与丙烯酸系单体反应，从而制得水性丙烯酸酯化丙烯酸酯。常用丙烯酸共聚引入羧基，用甲基丙烯酸-β-羟乙酯或（甲基）丙烯酸缩水甘油酯共聚引入羟基或环氧基从而进一步引入丙烯酰基团。但由于共聚过程中双键被消耗，其光固化活性较差。
3、光固化水性涂料的发展和应用
3.1光固化水性涂料的发展
为了适应不同产品需求，提高光固化水性涂料综合性能，许多学者对UV固化水性树脂作了大量改性研究，开发出一系列新型树脂体系。目前光固化水性涂料发展方向主要有以下几个体系：超支化体系、双重固化体系、有机-无机复合体系、环氧丙烯酸酯-聚氨酯丙烯酸酯复合体系、环氧豆油丙烯酸酯体系等。这些新体系的开发，极大地改善了原有树脂的缺点，有利于光固化水性涂料应用在不同需求的产品上。
3.2光固化水性涂料的应用
随着学者们对光固化水性涂料不断深入研究，越来越多性能优异的树脂被开发，光固化水性涂料的应用领域也被大大拓宽。目前，光固化水性涂料广泛应用于纸上光油、木器清漆、水性UV金属漆、塑料清漆、丝印油墨、电沉积光致抗蚀剂、水显影型光成像阻焊剂、凹印油墨、柔印油墨、UV喷墨油墨、皮革涂料、织物涂料等众多领域。随着发展的要求，光固化水性涂料还将应用于更多领域，它将大大提高我们的生活品质。
4、结语
光固化水性涂料最大的优点是绿色环保、黏度可控、预聚物结构可设计，然而也存在着许多问题制约其应用，如对基材润湿性差、耐水性差、耐洗涤性差、贮存稳定性差、光固化过程中有小分子残留、光引发剂种类少、干燥除水过程繁琐、成本高于其他涂料产品等。未来光固化水性涂料发展亟须围绕解决上述不足来进行，不断地扩展其应用领域，尤其是降低成本、提升性能、解决除水困难，一旦获得突破，将直接增大光固化水性涂料的市场份额。
参考文献：
[1]姚永平，崔艳艳，董智贤，等.水性光固化涂料研究进展[J].涂料工业，2011，41（8）：74-79.
[2]尹宪立.UV光固化涂料及其研究进展[J].涂料技术与文摘，2013，34（8）：3-5.
[3]陈浩锦，刘晓国.水性UV树脂的研究进展[J].表面技术，2014，43（2）：142-149.
论文作者:康森
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/26
标签：水性论文; 丙烯酸酯论文; 涂料论文; 光固化论文; 丙烯酸论文; 树脂论文; 聚酯论文; 《防护工程》2018年第24期论文;