有色UV 固化塑料涂料的制备与研究
方 博1，2，钟伟山1，2，李国军1，2，黄海庆1，2（1. 广州擎天材料科技有限公司，广东广州 510860 ；2. 中国电器科学研究院有限公司，广东广州 510080）
0 引言
紫外光（UV）固化涂料因其优异的性能和高效的生产率目前已广泛用于电子及家电产品的塑料外壳涂装，而传统的涂装工艺是先涂装溶剂型有色底漆，烘烤后再涂装UV 清漆来提高漆膜的各种性能。当前涂料和涂装行业越来越注重环保和节能降耗，将以上传统的两涂工艺缩减为仅涂覆一道有色UV 涂料，即省去溶剂型有色底漆，既减少了VOC（挥发性有机化合物）的排放，有利于环保，又提高了生产效率，符合节能降耗的要求。
本研究制备了一种有色UV 固化塑料涂料，即直接在UV 涂料中加入色浆、珠光颜料、铝银浆等颜料，通过紫外光照射固化漆膜。它可替代目前市场上通用的在塑料外壳上涂装有色底漆，再喷涂UV 罩光清漆的传统工艺，即无须喷涂有色底漆即可上色，生产工序由2 道涂装简化为1 道涂装，涂装时间由60~90 min缩短到15 min。
1 实验部分
1.1 有色UV固化塑料涂料的制备
在800~1 000 r/min 的搅拌速度下，按照表1 所示的配方量依次加入光引发剂、环保溶剂、聚氨酯改性丙烯酸树脂、附着力促进剂、防沉剂、润湿流平剂、颜料浆等原材料，搅拌均匀，即得有色UV 固化涂料。
注：涂料施工前，必须将漆液充分搅匀，用配套稀释剂稀释至施工黏度，用200~300 目滤网过滤。
1.2 有色UV固化塑料涂料的施工工艺
（1） 塑料基材表面预处理：在水润湿的情况下，用1 000~1 500 目的细纹砂纸对注塑塑料件基材表面的夹水纹或缺陷进行打磨，然后用水洗净，再用高压气枪除尘；
（2） 在预处理过的塑料基材表面喷涂有色UV 固化塑料涂料，40℃预热5 min，UV 机四灯全开（2 kW×4pcs），灯距15 cm，移动速度2.5 m/min，UV 固化后进行涂膜性能检测。
1.3 性能指标
制得的有色UV 固化塑料涂料的性能指标见表2。
2.2 光引发剂的选择
2 结果与讨论
2.1 UV 树脂的选择
塑料涂料一般用于电子和家电产品的外壳涂装，其对外观均有着相当严格的要求，尤其电子产品要求高档眩目的外观一直是卖点之一。传统的有色底漆加UV 清漆的工艺条件下，漆膜的外观主要靠底漆来提供，UV 清漆更多地提升整个漆膜的耐磨性和耐老化性。而有色UV 固化塑料涂料涂膜不仅应具备UV 清漆的优异性能，而且应具有良好的外观效果，即颜料的分散性要好，UV 树脂的选择对其起决定性作用。
对有色UV 涂料用的树脂来说，颜料的分散性可谓是相当重要，直接决定着终的漆膜外观效果。当然，与UV 清漆一样，有色UV 涂料依然通过高低官能团的不同树脂配用来控制涂膜性能。本研究分别选择了高官能（五官能、六官能）和低官能（二官能、三官能）聚氨酯改性丙烯酸树脂配制铝粉漆，以ABS（丙烯腈- 丁二烯- 苯乙烯共聚物）塑料为底材进行漆膜性能对比，其影响见表3。
注：CN965 和611B-85 UV 树脂的漆膜不干，故其附着力和硬度无法测试。铝粉排列以5 表示佳，1 表示差。
由表3 可见：59478 UV 树脂的铝粉排列好，但是其为三官能树脂，反应速率偏慢，且硬度不够，故用其配用高官能、铝粉排列较好的59326 和59593UV 树脂作为本研究的主体树脂。
光引发剂是UV 涂料的重要组成部分，在涂料固化时产生引发固化反应的活性基团，决定着UV 涂料的固化程度和固化速度。
在传统的UV 清漆中，光引发剂主要以1- 羟基环己基苯基甲酮（184 光引发剂）、2- 羟基-2- 甲基-1- 苯基-1- 丙酮（1173 光引发剂）等为主。这类引发剂的特点是表面固化速率快，但相对于有色UV涂料，更重要的是深层固化。苯基双（2，4，6- 三甲基苯甲酰基）氧化膦（819 光引发剂）和2，4，6，- 三甲基苯甲酰基- 二苯基氧化磷（TPO）便是具有良好深层固化特性的光引发剂。经过实验发现：以184 光引发剂配用819 光引发剂作为有色UV 固化涂料的光引发剂为适宜。184 光引发剂和819 光引发剂配比对涂膜性能的影响见表4。
表4 184 光引发剂和819 光引发剂配比对涂膜性能的影响
表4 184 光引发剂和819 光引发剂配比对涂膜性能的影响
由表4 可见：184 光引发剂偏多的情况下，由于涂膜表面固化速率过快，而深层固化不理想，故涂膜的附着力和硬度均不佳；相对而言，819 光引发剂偏多的情况下，涂膜的附着力和硬度就好得多，但是并不是819 光引发剂越多越好，184 光引发剂与819 光引发剂配比以1∶3 为宜。
2.3 活性稀释剂的选择
活性稀释剂是UV 清漆的重要组成部分，不仅可以参与涂料的固化成膜反应，直接影响漆膜的性能，而且能调节UV 清漆的黏度，改善施工性能。经过实验发现：在有色UV 固化涂料中添加活性稀释剂，同样可对涂膜的性能起到一定的提升作用，尤其是增强了对底材的附着力，但是添加了活性稀释剂的有色UV 固化涂料的外观却大受影响，铝粉排列和金属闪光效果均大幅下降。几种常用的活性稀释剂包括：IBOA（丙烯酸异冰片酯）、TPGDA（二缩三丙二醇二丙烯酸酯）、HDDA（1，6- 己二醇二丙烯酸酯）、TMPTA（三羟甲基丙烷三丙烯酸酯）、PETA（季戊四醇三丙烯酸酯）和DPHA（双季戊四醇六丙烯酸酯），其对有色UV 固化涂料（铝粉漆）性能和外观的影响见表5。
表5 几种活性稀释剂对有色UV固化涂料性能和外观的影响
由表5 可见：添加任意一种活性稀释剂对涂膜的外观（铝粉排列）都会带来大幅下降，故本实验中决定不添加活性稀释剂。涂料固化主体均由UV 树脂提供，对涂膜附着力的提升则通过添加少量的LTW附着力促进剂等来完成。
2.4 润湿流平剂的选择
塑料工件是一类具有较低极性和表面自由能的特殊基材，润湿流平剂添加到涂料体系中后，能够自发迁移到涂膜表面，提供均匀的表面张力并在整个涂膜干燥过程中（包括溶剂挥发与树脂交联两大过程）保持表面张力不发生大的变化，促使涂料在干燥成膜过程中形成一个平整、光滑、均匀的涂膜。一种润湿流平剂的好坏取决于它提供均匀表面张力的能力，与表面张力的高低没有直接关系。从这一点来说，各种流平剂都有一定的降低体系表面张力的能力，也就是都有一定的润湿能力。
在涂料配制中，使用单一的润湿流平剂，对体系的润湿性、流平性、防缩孔性等都有不同程度的作用，但是作用效果单一。润湿效果好的，流平性往往一般；流平效果好的，又常会出现缩孔等现象。本实验选用德国毕克公司的BYK-333 与BYK-306，利用其协同作用，使目标涂料漆膜外观达到佳。
2.5 环保溶剂的选择
在UV 清漆中，可通过活性稀释剂来对涂料进行稀释，以达到涂装施工所需的黏度，所以可制成无溶剂型涂料。但是如前所述，在有色UV 固化涂料中添加活性稀释剂会对涂膜外观造成致命影响，故本实验选用环保溶剂对涂料进行稀释。
综合考虑环保、溶解力、挥发速率和对涂膜外观的影响等因素，本研究将碳酸二甲酯（DMC）、异丙醇（IPA）、正丁醇（NBA）、丙二醇甲醚醋酸酯（PMA）配用，作为有色UV 固化涂料的溶剂，对目标涂料进行稀释以达到所需的涂装施工黏度。
2.6 光能量对UV涂膜性能的影响
UV 固化涂料主要是依靠吸收光能量才能够发生交联固化反应，光能量的强弱直接关系到UV 固化涂料的固化反应程度，并且影响后期漆膜的性能。光能量对有色UV 固化涂料性能的影响见表6。
由表6 可见：当UV 灯光能量≤ 600 mJ/cm2 时，由于引发反应的能量不足，涂料固化成膜的反应不够完全，涂膜的硬度和附着力均达不到要求；而当光能量达到1 200 mJ/cm2 时，虽然硬度和附着力没问题，但是耐冲击性变差，说明光能量过高造成了涂膜过脆，柔韧性不够。综上所述，本研究对光能量控制在800~1 000 mJ/cm2，此时涂膜可固化完全，综合性能好。
3 结语
针对市场对塑料产品涂装的要求，结合有色UV固化涂料的性能要求，本研究选择59478、59326 和59593 三种聚氨酯改性丙烯酸树脂拼用作为涂料的主体树脂；184 光引发剂和819 光引发剂按1∶3 配比拼用作光引发剂；以BYK-333 和BYK306 配用作润湿流平剂；通过DMC、IPA、NBA 和PMA 复配的环保溶剂将涂料稀释至可涂装施工的黏度；辅以少量附着力促进剂和防沉剂，改善涂料和涂膜的性能，终配制出有色UV 固化塑料涂料。与传统有色底漆加UV 清漆的工艺相比较，该涂料体系将铝粉颜料直接加入UV 涂料中，简化工艺，缩短施工时限，且漆膜稳定，耐湿热性好，不易出现掉漆、开裂等现象，更是突出了环保和节能降耗的优势。目前该涂料产品已经通过客户试用认可。
