“UV樹脂合成技術(shù)”講解--環(huán)氧篇(太亞化工內(nèi)部培訓(xùn)資料)
發(fā)布時間:2016-07-18 08:57:45 點擊瀏覽:次
UV樹脂也稱為UV低聚物,是構(gòu)成UV涂膜最為重要的材料,它們在紫外光照射條件下,通過光引發(fā)劑分子的激活后交聯(lián)成不同致密度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而使得UV涂層具有各類不同的物理力學(xué)性能,如:高硬度,高柔軟,較佳的底材結(jié)合性,低的黃性能,高的耐候性能等,UV涂料工程師往往會根據(jù)他所需要獲取的涂膜性能來綜合篩選出合適的UV低聚物。
常用的UV低聚物從分子結(jié)構(gòu)上來進行區(qū)分,我們可以將其歸納為:環(huán)氧丙烯酸酯低聚物,聚氨酯丙烯酸酯低聚物,氨基丙烯酸酯低聚物,聚酯丙烯酸酯低聚物,純丙烯酸酯低聚物及其他特殊結(jié)構(gòu)的丙烯酸酯低聚物等。在培訓(xùn)資料冊中,我們是通過結(jié)構(gòu)劃分的原則來對常用的UV低聚物產(chǎn)品進行理論講解和性能簡述,尋找出支持其性能表現(xiàn)的理論依據(jù),從而加深市場營銷人員對公司產(chǎn)品的理解。需要指出的是,UV低聚物在同一結(jié)構(gòu)類別中也可以分為各類不同官能度的產(chǎn)品,官能團的個數(shù)不同,所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密性也就不一致。官能團是指的樹脂中能發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的活性基團,單一分子中,官能官個數(shù)越多,固化后所形成的涂膜便會越致密,也越容易獲取更加高硬度的漆膜,但與此同時,因為交聯(lián)基團個數(shù)的增加,在低聚物固化的過程中所產(chǎn)生的收縮力也會隨之加大,這樣容易導(dǎo)致涂層在干燥過程中出現(xiàn)應(yīng)力釋放受阻或附著力下降等情況。
UV涂料配方師在對涂層的綜合性能進行設(shè)定后,需要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)和官能團的低聚物性能來篩選出合適的產(chǎn)品進行配比搭配,從而獲得性能平衡的涂層,完成對UV涂層配方的設(shè)計工作。對不同結(jié)構(gòu)和不同官能團的UV低聚物性能的了解程度,成為了相關(guān)從業(yè)人員最為基本的專業(yè)素養(yǎng),我們做為UV低聚物的生產(chǎn)人員和營銷人員,需要從低聚物的具體性能或結(jié)構(gòu)上進行理解和學(xué)習(xí),并以此來對涂料從業(yè)人員進行產(chǎn)品介紹及應(yīng)用推薦,以便他們能快速明晰我司產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上的差異性,從而做到最優(yōu)化篩選。更應(yīng)該從整體上掌握各類UV樹脂在不同UV涂層中的推薦理由,來幫助涂料工程師解決不同的問題。下面將就不同結(jié)構(gòu)的UV低聚物進行分類講解,方便快速清晰的了解其特點。
一. 環(huán)氧丙烯酸酯低聚物
環(huán)氧丙烯酸酯低聚物(簡稱為“EA”)是目前應(yīng)用最為廣泛、用量最大的光固化低聚物,最為常見的是由雙酚A型環(huán)氧樹脂(128環(huán)氧)和丙烯酸酯化而制得,也有用酚醛環(huán)氧樹脂和丙烯酸酯化的產(chǎn)品,這類產(chǎn)品會具有更加高的耐熱性。環(huán)氧丙烯酸酯低聚物物最為顯著的特點是,具有較快的固化速度和較高的成膜硬度,同時光澤和豐滿度都相對比較優(yōu)異,價格也是相對低廉,成為很多UV配方中不可或缺的一種低聚物材料。
UV固化領(lǐng)域中最先使用的雙酚A型環(huán)氧丙烯酸酯樹脂是由雙酚A環(huán)氧(128環(huán)氧)和丙烯酸在催化劑作用下經(jīng)過開環(huán)酯化而制得的。這樣制得的低聚物我們習(xí)慣稱之為“標(biāo)準(zhǔn)雙酚A型環(huán)氧丙烯酸酯低聚物”,它合成后因為粘度比較大,為迎合下游客戶易施工的特點,生產(chǎn)廠家在出廠前往往加入一定量的活性單體來進行稀釋,最為常用的便是加入TPGDA單體,市場上經(jīng)常見到的產(chǎn)品有如臺灣長興的:621A-80,江蘇三木6105D-80等。它也是最為重要的基礎(chǔ)光固化材料,所表現(xiàn)出的成膜特點是,高硬度,高光澤,快速固化,耐熱性和耐化學(xué)品性好等。與此同時這類低聚物也有著一些結(jié)構(gòu)性帶來的成膜缺陷,如:剛性結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的固化后脆性大,成膜后漆膜易黃變等。
在實際使用過程中,合成工程師根據(jù)EA樹脂的分子特性,通過調(diào)整不同酯化物的結(jié)構(gòu)來到達某些性能優(yōu)化的目的,下面根據(jù)市場上常見的改性環(huán)氧合成技術(shù)來進行理論分析和性能闡述,以便市場推廣中有理論解說的依據(jù)。
1. 通過含羥基的丙烯酯和酸酐進行初次反應(yīng)后再與雙酚A型環(huán)氧進行開環(huán)酯化,這樣的合成線路可以增加環(huán)氧丙烯酯低聚物的分子量,所制取的改性環(huán)氧丙烯酸酯低聚物有著比“標(biāo)準(zhǔn)雙酚A型環(huán)氧丙烯酸酯低聚物”更加好的柔韌性,在成膜的過程中降低了脆性,同時隨著分子量的增加,樹脂中雙鍵和色變基團的分布密度也大幅度降低,便能獲取具有更好抗過機黃變特點的改性環(huán)氧產(chǎn)品。所以我們經(jīng)常在市面上見到一些具有低黃變的改性環(huán)氧樹脂,大多的情況下都是通過此類合成路線生成。它們都保留了雙酚A環(huán)氧樹脂的苯環(huán)和側(cè)鏈羥基的結(jié)構(gòu)特點,在改性后也都有保留著EA樹脂所具有熱穩(wěn)定性和較好顏料親和性等特點。
我司的DAY-158環(huán)氧樹脂是用特殊結(jié)構(gòu)的丙烯酯所生成的大分子酸來對雙酚A環(huán)氧樹脂進行改性,它具有比一般改性環(huán)氧更加大的分子量和更加優(yōu)異的成膜柔軟性,是通過引入了高彈性的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)后的EA樹脂,它具有更加優(yōu)秀的附著力,這樣所呈現(xiàn)出的成膜特點是:柔軟且具有一定的延展性(一般的改性環(huán)氧樹脂可以達到較好的柔軟度,但大多不具備可延伸的特性),耐熱和極強的黏附性。
2. 通過含有環(huán)氧基團的低粘度材料來部分替換“128環(huán)氧樹脂”后和丙烯酸或大分子酸進行開環(huán)酯化,如市場上常見的環(huán)氧氯丙烷或某些環(huán)氧稀釋劑。所制取的改性環(huán)氧樹脂也有效的降低了苯環(huán)等剛性結(jié)構(gòu)的密度,能獲得較佳的成膜柔性和低收縮等特點。因部分“128環(huán)氧樹脂”被取代,這類低聚物會有著較低的初始粘度和較好的抗過機黃變能力。同時隨著鹵素基團的增加,在一定的固化速率的保證下,它能提現(xiàn)出比“標(biāo)準(zhǔn)雙酚A環(huán)氧樹脂”更加優(yōu)異的附著性??傮w上而言,這類改性EA樹脂因其有著較低的使用成本和較為優(yōu)秀的成膜力學(xué)性能,是木器、紙張制品領(lǐng)域UV涂料或油墨廣泛使用的基礎(chǔ)材料。需要指出的是,在合成過程中也有利用這類含有環(huán)氧基團的低粘度材料來全部取代128環(huán)氧進行開環(huán)酯化反應(yīng),這樣得到的產(chǎn)物會具有更加小的粘度和更低的使用成本,是木器UV底涂甚至面涂中常用的材料。綜上所需,通過此類方法進行改性的EA樹脂在總體上都具有較好的柔韌性,彌補了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型EA樹脂的脆性大的缺陷,同時也可以通過不同羥基酯化材料和不同結(jié)構(gòu)的酸酐來組合搭配,生成出具有優(yōu)秀抗過機黃變和快速固化的改性EA產(chǎn)品。但不能回避的是,雙酚A型結(jié)構(gòu)的存在使得樹脂一些固有的性能弊端無法彌補,如:耐候和持久耐黃能力等。同時因為設(shè)計過程中會有不同材料的聯(lián)合反應(yīng),使得此類改性EA所制取的最終產(chǎn)物不夠單一,極易導(dǎo)致低聚物分子量分布太寬,這樣的結(jié)果是很多對漆膜有著高外觀要求領(lǐng)域所不能接受的,如:易產(chǎn)生表面針孔和固化長時間放置后涂膜表面硬度有下降趨勢等。在這樣的情況下我們就需要建議客戶考慮用到一些PUA結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品去做協(xié)調(diào),因為相比之下它們會有著更加均一的分子結(jié)構(gòu)和更高的雙鍵轉(zhuǎn)化率等。
3. 用長鏈脂肪酸與部分“128環(huán)氧樹脂”進行酯化,提高低聚物的分子量和主鏈段長度,從而改善EA的樹脂的柔軟度。此類改性的EA樹脂有利于顏料的潤濕性,增大了樹脂對各類無機顏填料的包裹能力,從而使得顏填料的功能性在涂料中得到有效釋放。因其使用的長鏈脂肪酸的分子量相對較大,這類改性EA往往會具有比標(biāo)準(zhǔn)雙酚A環(huán)氧樹脂更加高的初始粘度,合成工程師需要根據(jù)期望得到的樹脂粘度來調(diào)整材料間的配比。在實際使用過程中,高粘度的樹脂會增加活性單體的使用量,大量的活性單體在樹脂中添加會影響或遮蔽到樹脂某些性能,如低官能度單體稀釋后會降低樹脂成膜豐滿性或降低固化能力等。所以說,高粘度和相對較慢的固化性能這些弊端,使得此類樹脂應(yīng)用逐漸被第2點方式改性的EA樹脂所取代。但此類樹脂有著更低的鹵素含量和更加優(yōu)秀的顏料潤濕性,在某些UV印刷油墨行業(yè)里面還是做為主要成膜物材料。
4. 酸酐與環(huán)氧丙烯酸酯側(cè)鏈上的羥基進行反應(yīng),生成帶羧基結(jié)構(gòu)的改性EA樹脂。分子中的羧基能有效提高樹脂與基材間的附著性,在大部分的應(yīng)用中,它們往往是做為功能性材料的添加來使用,因其高酸值的羧基結(jié)構(gòu),樹脂的耐水性和穩(wěn)定性會受到一定的影響,在一般的UV涂料中不會被廣泛采用。但這類結(jié)構(gòu)可做為堿溶性光固化材料應(yīng)用到光成像或堿褪型保護涂層領(lǐng)域。
5. 先利用少量的伯胺類材料與“128環(huán)氧樹脂”中的環(huán)氧基進行部分縮合,然后再進行丙烯酸酯化,生成胺改性的EA樹脂。這類結(jié)構(gòu)設(shè)計的初衷是增強EA樹脂在光固化激發(fā)態(tài)中自由基的抗氧猝死能力,從而有效的提高整個UV涂層的表面固化性。做為氫供體材料在UV固化中使用,相對其他經(jīng)過邁克爾加成反應(yīng)所得到的胺類單體而言,它會具有更加低的遷移性。需要指出的是,這類改性EA也會使其脆性下降,同時顏料潤濕性將得到提高。
6. 酚醛環(huán)氧樹脂進行丙烯酸酯化,市場上應(yīng)用到這類產(chǎn)品大多是出于對固化膜有較高的耐熱及耐化學(xué)品等性能的要求為目的,因為它有著比傳統(tǒng)的雙酚A型結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂更加高的苯環(huán)密度,使得其成膜后的剛性和耐熱性極大提升,固化膜的硬度及電性能均遠高于雙酚A類的產(chǎn)品。也需要說明的是,這類低聚物大多為多官能度產(chǎn)物,而雙酚A結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂大多都是二官能度的產(chǎn)品,從這個角度來說,酚醛類UV低聚物的光活性會得到大幅提高,容易形成交聯(lián)密度更高的光固化涂層。但酚醛類環(huán)氧的原材料價格較高,另外合成后產(chǎn)物的色澤較深,它一般出現(xiàn)在一些高力學(xué)性能要求的UV油墨或涂料層,如:光固化阻焊油墨、耐高溫型UV涂層等。
7. 對含有環(huán)氧基團的植物油進行環(huán)氧基的開環(huán)酯化,制取環(huán)氧化油丙烯酸酯低聚物,如:環(huán)氧大豆油/環(huán)氧蓖麻油等進行的丙烯酸酯化產(chǎn)物。這類UV低聚物具有極佳的顏料潤濕性和較好的流平能力,同時具有無鹵和低鹵素含量的特點,皮膚刺激性低,是早期UV木器和UV紙張涂料中最為常見的成膜物之一。我們可以按第1條的方式進行多種酯化開環(huán)反應(yīng),獲取不同分子結(jié)構(gòu)的改性環(huán)氧大豆油丙烯酸酯低聚物,從而獲取不同性能值的產(chǎn)品。需要注意的是,環(huán)氧大豆油類的UV低聚物在涂料配方中的的使用大多情況下是利用其低廉的使用成本、較佳的顏料潤濕和流平等特性,但它們普遍存在一些成膜性能的缺陷,如:固化速度慢,成膜物性較差等,所以在大多數(shù)的UV配方中需要和其他反應(yīng)活性高的低聚物進行搭配,來改善成膜后的力學(xué)性能。
8. 其他功能性基團改性的環(huán)氧丙烯酸酯低聚物,除開以上幾種常見的改性EA樹脂外,還有一些出于功能性考慮而進行的特殊基團接枝改性的EA樹脂,如:1).為提高EA樹脂對金屬基材附著,先對雙酚A環(huán)氧進行丙烯酸的半酯化,然后再用磷酸對部分沒有開環(huán)的環(huán)氧基團進行酯化接枝,生成磷酸改性的EA樹脂;2).為提高環(huán)氧樹脂的耐候性和耐污性,可以將帶有羥基的有機硅氧烷和環(huán)氧基進行縮合,然后再將其進行丙烯酸酯化,制取有機硅改性的EA樹脂。
在市場推廣過程中,我們需要詳細記錄客戶提出的具體性能要求,并在已有的產(chǎn)品類別中及時準(zhǔn)確的篩選出合適的型號推薦給客戶,若遇到有特殊性能要求的需求信息,應(yīng)及時和合成技術(shù)人員進行反饋,從合成技術(shù)的角度來最終判定所推薦的產(chǎn)品型號。