光稳定剂应用于水性光固化涂料中小固化能量影响度的研究
杨永吉，赖明华，宋宇书，赖尹婷，吕忠韩，简智娴，邱晓芳，黄耀兴(台湾永光化学工业股份有限公司，中国台湾)
0 前言
高分子材料暴露在室内光线或自然太阳光时，容易造成外观上颜色的变化和物性变化，这是因为树脂受到UV光长期照射时，其结构在含氧的环境下很容易断键，产生发色基团，而导致树脂变色褪色。添加光稳定剂在光固化树脂材料中，可以有效减少变色褪色、龟裂、粉化和光泽度保留率下降等问题。光稳定剂包括紫外线吸收剂(UVA)和受阻胺光稳定剂(HALS)。紫外线吸收剂功能：过滤吸收掉有害的紫外线进行保护；受阻胺光稳定剂功能：捕捉高分子所产生的劣化自由基，防止劣化连锁反应发生。光固化涂料固化过程中，需由光引发剂吸收紫外线辐射来进行涂膜固化反应，光稳定剂的功能也会同时吸收紫外线辐射来防止涂膜劣化发生，所以当一起使用时对于光固化涂料固化的机制往往会造成冲突，进一步造成涂膜无法干燥，而必须重复光固化次数，造成成本的提升，新型光稳定剂可以解决此问题。
水性光固化涂料结合光固化涂料与水性涂料的优点，具有无毒性、无污染、干燥迅速、节能以及使用安全等特性，近年来快速的研究发展。根据新开发的水性光固化聚氨酯涂料研究报告指出，光固化前与光固化后耐水性测试相当，可达5级，耐乙醇测试可从光固化前1级经光固化后有效提升至5级。有关水性UV分散的碳碳双键对水性聚氨酯的拉伸强度、硬度、粒径等性能研究方面，双键含量增加，UV涂料的拉伸强度和硬度增大，分散体和涂料的其他性能不变。
目前有关光稳定剂应用于水性光固化透明涂料固化影响度的研究很少，因此利用试验设计手法探讨不同类型水性紫外线吸收剂(UVA)、受阻胺光稳定剂(HALS)和新型水性光稳定剂(EVERSORB AQ7)在不同涂膜厚度下进行探讨研究，期盼能了解其对模型固化能量影响程度。
1 试验部分
1.1 试验原料
水性光固化聚氨酯(Bayhydrol® UV 2282)，工业级，拜耳化学；光引发剂(Darocur® 1173)，工业级，巴斯夫；水性光固化光稳定剂(EVERSORB AQ7)，工业级，台湾永光化学；水性紫外线吸收剂(EVERSORBA)、水性受阻胺光稳定剂(EVERSORB B)，有机高分子，自制。
1.2 试验设备
光固化机：台湾非士能，GY-181；高能量UV辐射计：EIT，PLUS-365；耐黄变试验机：Q Panel，QUV/Basic；色差仪： MINOLTA，CM-3500d。
1.3 试验方法
1.3.1 水性光固化聚氨酯涂料的配制
先将水性光固化聚氨酯(Bayhydrol® UV 2282)与光引发剂(Darocur® 1173)乳化后产品按一定比例混合成水性光固化涂料，取不同类型光稳定剂(如表1所示)混合后，用涂膜涂布器将配置好的涂料均匀涂覆在10 cm×7 cm×0.1 cm ABS塑料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)上，干膜厚度(DFT)控制在6 mm及15mm。
1.3.2 固化条件
烘箱60 ℃干燥2 min后再放入1×150 W/cm(高压Hg灯)的条件，在空气环境中进行。
1.4 检验方法
1.4.1 光固化所需能量与输送带速度的关系
光能量大小决定光固化过程的时间，而光固化涂料的生产效率就是由输送带的速度来决定的，越快的光固化速度其生产效率就越高。利用亮度器测量接受到的能量与输送带速度的关系，由图1所示，输送带输送速度越快其接受到的能量会越小，两者却不呈线性的关系。
1.4.2 光固化所需小能量试验
涂膜表面达到完全固化时，所需小能量，利用高能量UV辐射计记录固化所需的能量，判别依据为指甲触摸涂膜所测定表干为标准。
1.4.3 软件名称与分析
使用软件：JMP version 5.0(SAS Institute)；
分析：使用内建分析工具。
分析：使用内建分析工具。
2 结果与讨论
2.1 不同类型的光稳定剂和不同膜厚对光固化速度的影响
本试验是利用试验设计DOE(Design of experiment)
来设计测试参数并分析其结果，且更重要是利用其中的“筛选设计(Screening Design)”找出不同类型的光稳定剂：水性紫外线吸收剂(EV-A)、水性光固化用光稳定剂(EV-AQ7)、水性紫外线吸收剂(EV-B)。
不同干膜厚度(DFT)对光固化速度的影响，试验计划如表2所示，从表2的试验数据分析结果如参数估计(表3、图2)和变异数分析(ANOVA)(表4)所示。
不同干膜厚度(DFT)对光固化速度的影响，试验计划如表2所示，从表2的试验数据分析结果如参数估计(表3、图2)和变异数分析(ANOVA)(表4)所示。
2.2 不同类型光稳定剂于水性光固化树脂中小固化能量影响度分析[式(1)～(4)]
2.3 紫外线吸收剂(UVA)对水性光固化小固化能量的影响度分析
分析结果显示：水性紫外线吸收剂(UVA)影响光固化速度是重要因子(Prob＞│t│都远小于0.05)，不论干膜厚度，都会造成固化所需能量(Y)显著提升，对光固化速度有负面的影响，也就是会降低光固化的速度，降低光固化的生产效率。这主要是由于紫外线吸收剂和光引发剂同时竞争同一的UV光能量所造成的结果，影响度为10.1%[如式(1)所示]。另外式(4)的截距项数值为0.065 9，表示在没有添加任何光稳定剂，且不管干膜厚度的情况下(式中所有因子都以0代入)，本试验配制的水性光固化涂料其本质达到固化所需的低能量。
2.4 光稳定剂(HALS)对水性光固化小固化能量的影响度分析
分析结果显示：水性光稳定剂(HALS)影响光固化速度也是重要因子(Prob＞│t│都远小于0.05)，不论干膜厚度大小，都会造成固化所需能量(Y)更显著提升。对光固化速度也是负面的影响，其影响度18.6%[如式(2)所示]较UVA大。这主要是由于HALS本身是一自由基捕捉剂，有可能提前先与自由基反应而使终止光固化过程的进行，因而造成光固化的速度大大提高。
2.5 膜厚(DFT)对水性光固化小固化能量的影响度分析
从分析结果显示：虽然干膜厚度(DFT.)对影响光固化速度是重要因子(Prob＞│t│都远小于0.05)，但其系数0.001 879是相当小的，我们认为是干膜厚度与其他因子(也就是光稳定剂)相比较下，产生较小的影响度，而其系数是负的，这表示干膜厚度薄的系统会比干膜厚度厚的系统，需要较高的光能量才能固化，主要是因为在自由基高分子聚合反应中，氧气在干膜厚度薄系统中，进出速度较干膜厚度厚系统快，所以需要更高的光能量来产生自由基，以填补氧气聚合反应所浪费的自由基，故干膜厚度越薄的系统，所需光固化能量愈高。
2.6 新型光稳定剂(EV-AQ7)对水性光固化小固化能量的影响度分析
从分析结果显示：新型光稳定剂(EV-AQ7))对影响光固化速度不是重要因子(Prob＞│t│大于0.05)，不论干膜厚度，都不会造成固化所需能量(Y)提升。对光固化速度不会有影响，影响度为0%[如式(3)所示]。
3 结语
3 结语
(1)紫外线吸收剂存在下会降低光固化的速度，造成光固化速度降低主要原因，是由于紫外线吸收剂与光引发剂同时竞争UV辐射能所造成的结果。
(2)HALS本身是一自由基捕捉剂，有可能提前先与自由基反应而使终止光固化过程的进行，因而造成光固化的速度大大提高。
(3)EVERSORB AQ7不影响水性光固化聚氨酯涂料所需小固化能量。
(4)干膜厚度薄的系统相比干膜厚度厚的系统，需要较高的光能量才能固化，主要是因为在自由基高分子聚合反应中，氧气在干膜厚度薄系统中，进出速度较干膜厚度厚系统快，所以需要更高的光能量来产生自由基，以填补氧气聚合反应所浪费的自由基，故干膜厚度愈薄系统，所需光固化能量愈高。
