紫外光輻射能量對(duì)木器紫外光固化涂料漆膜硬度和附著力的影響?

彭曉瑞 張占寬 陳明貴

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，紫外光固化涂料從20世紀(jì)60年代開發(fā)至今，成為廣受關(guān)注的一種環(huán)保節(jié)能型涂料，其固化速度快，較少使用揮發(fā)性溶劑，環(huán)保性好，高效節(jié)能，且固化過(guò)程可自動(dòng)化操作，適合連續(xù)化生產(chǎn)等，故在木材裝飾、金屬裝飾、印刷行業(yè)、光纖包覆、皮革等領(lǐng)域一直保持快速增長(zhǎng)勢(shì)頭[1-2]。目前，對(duì)木器紫外光（UV）固化涂料的研究多是針對(duì)UV涂料的工藝進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)[3]，UV涂料的單體、預(yù)聚物及光引發(fā)劑的研制和配方研發(fā)[4]，UV涂料表面涂飾的固化速度以及部分針對(duì)紫外光（UV）固化涂料固化后的耐黃變、耐候性能等[5]，而明確對(duì)漆膜性能具體影響因素的研究相對(duì)較少[6]。而事實(shí)上，影響木器UV涂料漆膜性能的因素有很多，如UV涂料游離單體、預(yù)聚物及光引發(fā)劑選擇，UV固化工藝參數(shù)差異等[7-9]。筆者在前期調(diào)研與預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，紫外光（UV）輻射能量對(duì)漆膜硬度和漆膜附著力等性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，而目前，對(duì)此的研究還相對(duì)較少。

另外，筆者在前期對(duì)于UV輻射能量對(duì)紫外光（UV）固化涂料中有機(jī)揮發(fā)物含量影響的研究中已得出，不同紫外光UV輻射能量下，其揮發(fā)物含量有較大差別。筆者選用輻射能量250、450、650 mJ/cm2和850 mJ/cm2分別對(duì)不同漆膜厚度下紫外光固化涂料漆膜硬度和附著力進(jìn)行測(cè)試，以探討驗(yàn)證不同輻射能量下的木器紫外光（UV）固化涂料的漆膜性能，研究UV輻射能量對(duì)紫外光固化涂料漆膜性能的影響及所對(duì)應(yīng)的揮發(fā)物含量情況，確定較優(yōu)的適合工業(yè)化生產(chǎn)的輻射能量，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

基材：尺寸為400 mm×300 mm×5 mm的硬楓木單板2塊，表面平整、光滑，無(wú)節(jié)疤、蟲眼等缺陷。

紫外光（UV）固化底漆：由江蘇海田技術(shù)有限公司生產(chǎn)提供，底漆攪拌后呈現(xiàn)均勻狀態(tài)，細(xì)度50 μm，漆膜外觀平整，固含量≥97%，涂料黏度：30～40 s（涂4杯，25℃）。其配比所使用單體為TPGDA，光引發(fā)劑為1173。

1.2 儀器和設(shè)備

30、60、90 μm厚刮漆器；天津QHQ型漆膜鉛筆劃痕硬度儀；中華鉛筆（6B～6H）；QFH漆膜劃格器(含膠帶)，劃格器有2種規(guī)格間距的多刃切割刀(分別為1 mm和2 mm間距，1 mm間距切割刀用于涂膜厚度為30 μm的試件，2 mm間距切割刀用于涂膜厚度為60 μm和90 μm的試件；多刃切割刀工作齒間寬度為50～100 μm)；恒溫恒濕箱；軟毛刷；放大鏡。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝 為模擬常見實(shí)際生產(chǎn)工藝，采用刮漆器分別將紫外光（UV）固化底漆刮覆于楓木試件表面，形成涂膜厚度30、60、90 μm；結(jié)合現(xiàn)有紫外光固化涂料輻射固化時(shí)常用UV燈能量參數(shù)實(shí)際情況，在相同固化照射高度和時(shí)間下（輻射高度為100 mm，固化時(shí)間 為10 s），選 取250、450、650 mJ/cm2和850 mJ/cm2等四種UV輻射能量，分別對(duì)紫外光固化底漆進(jìn)行固化；在溫度為（23±2） ℃、相對(duì)濕度為（50±5）%的恒溫恒濕箱中陳放24 h后進(jìn)行漆膜硬度和附著力的性能檢測(cè)。

1.3.2 性能測(cè)試 實(shí)驗(yàn)共2組試件，一組試件需根據(jù)GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)漆膜硬度的要求[10]，檢測(cè)紫外光固化涂料的漆膜硬度，每個(gè)輻射條件下3塊，幅面300 mm×500 mm（可供3個(gè)涂膜厚度刮覆），共12塊，結(jié)果取平均值；另一組試件根據(jù)GB/T 9286—1998《色漆和清漆－漆膜的劃格試驗(yàn)》要求中對(duì)漆膜附著力的測(cè)試方法，對(duì)紫外光固化涂料在楓木單板表面的漆膜附著力進(jìn)行檢測(cè)[11]，同樣幅面300 mm×500 mm的楓木板取12塊，每個(gè)輻射條件下3塊，按漆膜從劃格區(qū)域底材上脫落的面積多少評(píng)定，分0～5級(jí)，0級(jí)最好，5級(jí)最差。每個(gè)試件需切割3組，每組之間邊緣距離應(yīng)大于5 mm，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外光輻射能量對(duì)木器紫外光固化涂料漆膜硬度的影響

不同紫外光輻射能量下，紫外光固化底漆漆膜硬度情況見圖1。

圖1 UV輻射能量對(duì)木器紫外光固化涂料漆膜硬度的影響Fig.1 Effect of UV radiation energy on film hardness of wood UV painting

紫外光（UV）固化底漆在250 ～650 mJ/cm2紫外光能量照射下，隨著UV輻射能量的增大，其漆膜硬度呈不斷增大趨勢(shì)，從3B增大到HB，漆膜表面質(zhì)量不斷提高，表明紫外光固化涂料的光引發(fā)劑和單體經(jīng)輻照時(shí)，隨著輻射能量增加，在聚合固化反應(yīng)過(guò)程中，其光引發(fā)劑誘發(fā)化學(xué)鍵的斷裂、分子鏈增長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移等反應(yīng)充分，從而使漆膜逐漸達(dá)到較充分聚合固化，漆膜硬度增大。當(dāng)輻射能量為650 ～850 mJ/cm2時(shí)，UV漆膜硬度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，主要與紫外光輻射強(qiáng)度過(guò)大，漆膜固化快，漆膜內(nèi)部收縮率大，造成漆膜脆性大，表面硬度反而下降有關(guān)。且輻射能量對(duì)紫外光固化涂料漆膜硬度的影響與漆膜厚度也有一定關(guān)系。當(dāng)輻射能量為450～650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化底漆的漆膜硬度增幅相對(duì)小于輻射能量為250 ～450 mJ/cm2，表明輻射能量為250 mJ/cm2時(shí)，UV涂料分子內(nèi)部的光引發(fā)劑未能達(dá)到能量轉(zhuǎn)化點(diǎn)，對(duì)于化學(xué)鍵的斷裂及分子鏈的反應(yīng)促成較弱，固化速度較慢，此時(shí)不同涂膜厚度條件下，僅僅達(dá)到了表層的微弱固化而使其漆膜硬度相對(duì)較差，輻射能量到達(dá)450 mJ/cm2時(shí)，能量相對(duì)較大且穩(wěn)定接近紫外光固化涂料可固化能量，因此其涂膜表面硬度相對(duì)較大，此時(shí)涂膜厚度為60 μm，漆膜硬度相對(duì)最大，主要由于漆膜過(guò)薄時(shí)，在輻射能量不變情況下，紫外光容易到達(dá)涂層底部，固化速度較快且充分，但漆膜相對(duì)較薄，基體剛性相對(duì)較差，涂膜硬度相對(duì)較小，而涂膜厚度相對(duì)較厚為90 μm時(shí)，紫外光輻射能量還不足以強(qiáng)到使其充分固化到漆膜底層，因此漆膜硬度相對(duì)小于60 μm。當(dāng)輻射能量為450～650 mJ/cm2時(shí)，隨著輻射能量繼續(xù)增加，紫外光固化底漆反應(yīng)固化速度增幅相對(duì)減小，漆膜硬度變化相對(duì)較小，且涂膜厚度為60 μm和90 μm時(shí)的漆膜硬度相同，表明輻射能量為650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化涂料固化所需的能量值已相對(duì)穩(wěn)定且充足，其在較厚的漆膜厚度下，亦能使漆膜的底層、中間層乃至表層行成完全固化，固化速度相對(duì)加快，漆膜整體硬度大。而當(dāng)輻射能量增至850 mJ/cm2時(shí)，不同涂膜厚度下的漆膜硬度均有所減小，且厚度為90 μm的硬度相對(duì)小于30 μm和60 μm，此時(shí)輻射能量過(guò)大，造成漆膜過(guò)度固化而使表層變脆，因此硬度有所降低。在相同紫外光劑量的固化條件下，固化速度和漆膜硬度隨紫外光輻照強(qiáng)度的增加而增大，一般而言，當(dāng)輻射能量為650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化涂料固化速度加快，光引發(fā)劑能量使用合理有效，表面硬度增加顯著。

2.2 紫外光輻射能量對(duì)木器紫外光固化涂料漆膜附著力的影響

圖2 UV輻射能量對(duì)木器紫外光固化涂料漆膜附著力的影響Fig.2 Effect of UV radiation energy on film adhesion of wood UV painting

如圖2所示，當(dāng)紫外光輻射能量為250～650 mJ/cm2時(shí)，隨著UV輻射能量的增大，紫外光（UV）固化底漆漆膜附著力呈不斷增大趨勢(shì)，從5級(jí)增大到1級(jí)，漆膜表面質(zhì)量不斷提高。紫外光固化樹脂分子鏈末端一般為含有活性雙鍵的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)，可用來(lái)進(jìn)行架橋反應(yīng)達(dá)到固化效果，輻射能量可直接影響固化速度、架橋反應(yīng)效果等，從而導(dǎo)致其表面漆膜附著力有所不同。當(dāng)輻射能量為250～450 mJ/cm2時(shí)，隨著UV輻射能量增加，紫外光固化底漆的漆膜附著力均相對(duì)較差，僅涂膜厚度為90 μm時(shí)，略有提高，表明此輻射能量下，紫外光固化涂料不能實(shí)現(xiàn)完全固化，光引發(fā)劑未能使分子鏈末端的活性化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)架橋反應(yīng)充分，因此漆膜附著力無(wú)明顯提高。當(dāng)輻射能量為450～650 mJ/cm2時(shí)，隨著輻射能量增加，光引發(fā)劑誘發(fā)UV單體化學(xué)鍵的斷裂、分子鏈增長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移等反應(yīng)充分，從而使漆膜聚合固化趨于充分且穩(wěn)定，UV涂料的漆膜附著力增幅顯著，且以輻射能量650 mJ/cm2下的漆膜附著力最好。當(dāng)輻射能量為650 ～850 mJ/cm2時(shí)，UV涂料固化速度迅速，特別是表層漆膜收縮率相對(duì)較大，漆膜脆性相對(duì)增強(qiáng)，柔韌性較差，從而導(dǎo)致漆膜層間附著力降低。相同輻射能量下，表面漆膜附著力大小與漆膜厚度本身也有一定關(guān)系。一般而言，當(dāng)輻射能量為250 ～450 mJ/cm2時(shí)，不同涂膜厚度下其漆膜附著力變化不大，均相對(duì)較差，一般為5～4 級(jí)，輻射能量為450 ～650 mJ/cm2時(shí)，輻射能量一定條件下，厚度為30 μm的紫外光固化底漆漆膜附著力相對(duì)低于厚度為60 μm和9 0 μm，涂膜厚度為60 μm和90 μm時(shí)的漆膜附著力均可達(dá)到1級(jí)，輻射能量為650 ～850 mJ/cm2時(shí)，漆膜附著力有所下降，且輻射能量一定條件下，厚度為30 μm的紫外光固化底漆漆膜附著力略高于厚度為60 μm和90 μm 時(shí)的漆膜附著力，這與輻射能量過(guò)大，漆膜表層脆性增大，導(dǎo)致十字劃格漆膜剝離率相應(yīng)增高有關(guān)，此結(jié)論與輻射能量對(duì)表面硬度影響的結(jié)論基本一致。由此，當(dāng)輻射能量為650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化涂料的漆膜附著力相對(duì)最好，因此工廠實(shí)踐應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中，可以此輻射能量參數(shù)指標(biāo)作為參考。

3 結(jié)論

1）UV輻射能量對(duì)紫外光固化涂料漆膜硬度和附著力均具有顯著影響，且與涂膜厚度有一定關(guān)系。一般而言，當(dāng)輻射能量為250 ～650 mJ/cm2時(shí)，隨著紫外光輻射能量的增加，紫外光固化涂料漆膜硬度和附著力均不斷增大，且以輻射能量為650 mJ/cm2時(shí)的性能最優(yōu)，其漆膜硬度可達(dá)HB，漆膜附著力可達(dá)1級(jí)，當(dāng)輻射能量為650 ～850 mJ/cm2時(shí)，由于能量高固化過(guò)度，造成漆膜硬度和附著力均有所下降。

2）在前期系列研究中得出，當(dāng)UV輻射能量為450 ～650 mJ/cm2時(shí)，紫外光固化底漆揮發(fā)物含量不斷減小，且減幅相對(duì)顯著。該實(shí)驗(yàn)中，此輻射能量條件下的紫外光固化涂料的漆膜硬度和附著力亦呈現(xiàn)不斷增大并趨于穩(wěn)定趨勢(shì)，故建議在UV漆實(shí)際生產(chǎn)中，將UV輻射能量設(shè)置為550～650 mJ/cm2。

3）該實(shí)驗(yàn)為UV輻射能量對(duì)紫外光固化涂料相關(guān)物理性能的補(bǔ)充研究，對(duì)紫外光固化涂料實(shí)際生產(chǎn)制作、工藝?yán)碚撗芯考跋嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定具有借鑒作用。

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