紫外光固化涂料的氧阻聚效應(yīng)

1、紫外光固化涂料的氧阻聚效應(yīng)呂建波（中國樂凱膠片集團公司，高分子材料公司，河北 保定 071054）摘 要：從氧的光化學(xué)能態(tài)方面分析了紫外光固化涂料的氧阻聚機理，詳細討論了抑制紫外光固化涂料氧阻聚的方法，包括開發(fā)陽離子聚合機理的反應(yīng)體系，提高引發(fā)劑濃度或增加輻射劑量，使用對氧敏感度低的預(yù)聚物和單體，在光固化體系中加入氧清除劑，以及采用惰性氣體保護法、石蠟保護法、覆膜法、強光輻照法和分步照射法等光固化工藝。 關(guān)鍵詞：涂料；紫外光固化；氧阻聚 中圖分類號：TQ630.1文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1004 227X (2010) 01 0064 05劑生成游離基；活性游離基引發(fā)涂料中光固化樹脂，使活性稀

2、釋劑分子中的雙鍵斷開并引起交聯(lián)、聚合等化學(xué)反應(yīng)，形成增長鏈，促使液態(tài)涂料固化成膜。紫外光固化涂料主要由光活性預(yù)聚物、光活性單體、光引發(fā)劑和助劑4部分組成。與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比，紫外光固化涂料具有以下特點1-4：(1)固化速度快，0.1 10.0 s即可完成固化，生產(chǎn)效率高；(2)節(jié)省能源，能耗約為傳統(tǒng)熱固化涂料的1/5 1/10；(3)基本無溶劑排放，安全，不污染環(huán)境；(4)可涂布熱敏及熱容量大的基材；(5)涂膜性能優(yōu)良，具有高光澤、高硬度、耐化學(xué)品腐蝕等特點。因此，可見紫外光固化涂料是一種節(jié)能環(huán)保型的綠色涂料。Oxygen inhibition of polymerization for u

3、ltraviolet-curable coatings / LÜ Jian-boAbstract: The mechanism of oxygen inhibition for UV- curable coatings was analyzed based on photochemical energy state of oxygen, and some methods for suppressing oxygen inhibition of UV-curable coatings were discussed in detail, including developing a re

4、action system of cationic polymerization mechanism, increasing initiator concentration or radiation dose, using prepolymers and monomers with low oxygen sensitivity, adding oxygen remover to UV-curing system and applying photocuring processes with inert gases protection, olefin protection, film prot

5、ection, strong illumination or stepwise radiation.Keywords: coating; ultraviolet curing; oxygen inhibition Authors address: Polymer Materials Ltd. of China Lucky Film Group Corporation, Baoding 071054, China2 氧阻聚的機理一般物質(zhì)的基態(tài)是單線態(tài)，O2的穩(wěn)定態(tài)卻是三線態(tài)，有兩個自旋方向相同的未成對電子。因此，它會與自由基的聚合反應(yīng)競爭而消耗自由基。由于絕大多數(shù)光固化工藝是在空氣環(huán)境中進行的，

6、并且主要的應(yīng)用是涂料和油墨等具有極大表面/體積比的材料，所以O(shè)2對光固化材料的自由基聚合反應(yīng)有不容忽視的阻聚作用5。在空氣中光固化時，氧阻聚作用常常導(dǎo)致涂層底層固化、表面未固化而發(fā)黏的情況。氧阻聚最終可導(dǎo)致涂層表層出現(xiàn)大量羥基、羰基、過氧基等氧化性結(jié)構(gòu)，從而影響涂層的長期穩(wěn)定性，甚至可能影響固化后漆膜的硬度、光澤度和抗劃傷性等性能。O2對紫外光固化涂層的阻聚作用主要體現(xiàn)在3個方面猝滅、清除和氧化。 2. 1 猝滅處于基態(tài)的三線態(tài)O2可以作為猝滅劑與光活化了的引發(fā)劑(以phi表示)反應(yīng)形成配合物，從而將激發(fā)三線態(tài)的光引發(fā)劑猝滅6。其過程表示如下：Phi (Phi)* (Phi)*，(Phi)*

7、+ (O2) Phi + (O2)單線態(tài) 三線態(tài) 三線態(tài) 三線態(tài) 單線態(tài)1 前言傳統(tǒng)溶劑型涂料含有大量的揮發(fā)性有機物(volatile organic compound)，對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。隨著人們環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)溶劑型涂料已不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的要求。因此，開發(fā)環(huán)境友好型涂料成為當(dāng)前涂料工業(yè)的主要課題。在此背景下，紫外光固化涂料應(yīng)運而生。紫外光固化涂料是指在紫外光照射下，涂料層吸收了光能，激發(fā)分解涂料中的光引發(fā)收稿日期：20090826修回日期：20091011作者簡介：呂建波（1981），男，山西大同人，工學(xué)碩士，高級研發(fā)師，現(xiàn)主要從事功能化高分子材料的研究工作。作者聯(lián)系方式

8、：(E-mail) lvjianbo2002。64 紫外光固化涂料的氧阻聚效應(yīng)上述過程中，O2被激發(fā)至活潑的單線態(tài)，光引發(fā)劑則從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，從而阻礙活性自由基的產(chǎn)生。大多數(shù)裂解型光引發(fā)劑的激發(fā)三線態(tài)壽命比較短，在激發(fā)態(tài)引發(fā)劑與O2作用前，引發(fā)劑就已經(jīng)分解掉，所以O(shè)2與光引發(fā)劑發(fā)生雙分子猝滅作用的幾率相對較低，經(jīng)常可以忽略。 2. 2 清除基態(tài)的O2本質(zhì)上是雙自由基，因此對光引發(fā)過程中產(chǎn)生的活性自由基有較強的加成活性k > 109/(mol·s)，形成比較穩(wěn)定的過氧化自由基。此過程速率較快，可與活性自由基對單體的加成反應(yīng)相競爭，對聚合過程的阻礙作用最顯著。它可以分為以下2個步

9、驟：(1) 活性自由基引發(fā)單體聚合。R· + CH2CXY RCH2C·XY + 單體 聚合物 (2) 活性自由基與O2加成。 R· + O2 ROO· (過氧自由基)RCH2C·XY + O2 RCH2CXYOO· 2. 3 氧化氧分子還可以把已經(jīng)與單體聚合的自由基氧化成過氧化物，阻止單體的聚合。其作用機理7如下：*聚合物O2O2O2猝滅顯然，在這三種情況下，聚合速率都會下降，而且過氧化物的形成會影響固化涂層的性能。應(yīng)該注意的是，自由基R·與O2的反應(yīng)速率常數(shù)比其與單體分子的反應(yīng)速率常數(shù)大10 10倍，所以即使涂層中只存在

10、微量的氧，也不能忽視R·與O2反應(yīng)時生成的過氧化自由基ROO·。由于ROO·非常穩(wěn)定，沒有引發(fā)聚合反應(yīng)的能力，O2的存在消耗了活性自由基R·，使反應(yīng)聚合速率下降，并使其顯示出誘導(dǎo)期。所以O(shè)2是常溫下光固化體系自由基聚合的阻聚劑。45消耗掉。對于封閉體系，初級活性自由基消耗溶解氧的過程基本相當(dāng)于聚合誘導(dǎo)期。相對而言，自外界不斷擴散至涂層內(nèi)部的氧才是阻礙聚合的主要原因。氧阻聚也最容易發(fā)生在涂層的淺表層或整個較薄涂層內(nèi)，因為這些區(qū)域內(nèi)，環(huán)境中的氧分子擴散更容易些。 3. 1 改變反應(yīng)機理光固化分為自由基聚合和陽離子聚合兩種反應(yīng)機理9。O2是雙自由基結(jié)構(gòu)，對陽離

11、子聚合不敏感，只抑制自由基聚合。因此，可以通過開發(fā)陽離子聚合機理的反應(yīng)體系來消除光固化反應(yīng)的氧阻聚。自20世紀(jì)70年代中后期，國外陸續(xù)報道了多種鎓鹽陽離子光敏引發(fā)劑，包括二芳基碘鎓鹽系、硫鎓鹽系、磷鎓鹽系以及偶氮鹽等。在20世紀(jì)80年代末期，出現(xiàn)了以陽離子機理固化成膜的非丙烯酸酯預(yù)聚物和以鎓鹽為代表的陽離子引發(fā)劑。Everett等人10合成了多種鎓鹽，深入研究了鎓鹽的引發(fā)行為，比較了它們的光引發(fā)效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有效的鎓鹽有硫鎓鹽、碘鎓鹽、氮鎓鹽及芳茂鐵鹽等，親核陰離子有BF4、PF6、SbF6、AsF6等，其活性大小為BF4<PF6<AsF6<SbF6。以碘鎓鹽和硫鎓鹽為例，

12、這兩種鎓鹽在受光照時，以類似的方式產(chǎn)生超強酸(質(zhì)子酸或路易斯酸)，同時也有自由基生成，其反應(yīng)表示如下：(1) 二苯鎓鹽的光反應(yīng) Ph2I+X Ph· + PhI+X PhI+X + RH PhI + R· + H+X (2) 三苯基硫鎓鹽的光反應(yīng) Ph3S+X Ph2PhI+XPh2PhI+X PhC6H4SPh + H+X Ph2PhI+X Ph2S+X + Ph· Ph2S+X + RH Ph2S + R· + H+X 式中，X可以是BF4、PF6、SbF6或AsF6。通過將自由基型和陽離子型結(jié)合，可以得到具有很好協(xié)同作用的混雜型光固化體系。Criv

13、ello等人11結(jié)合二苯甲酮類和二苯碘鎓鹽的結(jié)構(gòu)特點，將能產(chǎn)生自由基的基團和陽離子引入到同一分子中，合成了自由基/陽離子混雜型引發(fā)劑，不僅可以有效降低O2對聚合反應(yīng)的阻聚作用，而且表現(xiàn)出更高的引發(fā)效率。朱國巍12通過改進光引發(fā)體系，抑制了表面氧阻聚現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)：(1) 三乙醇胺和硫雜葸酮組合能有效地抑制表面氧阻聚。PI*RO2*PO23 抗氧阻聚的方法氧阻聚對UV固化過程危害很大，尤其在涂膜厚度較薄時8。油性有機體系中氧的濃度通常小于或等于2 × 103 mol/L，不僅配方體系中溶解的氧分子阻礙聚合，在光引發(fā)過程中，隨著固化體系中氧分子的消耗，涂層表面空氣中的氧也可以迅速擴散至固化

14、涂層內(nèi)，繼續(xù)阻礙聚合。體系中原溶解的氧濃度很低，較容易65 紫外光固化涂料的氧阻聚效應(yīng)(2) 米蚩酮與二苯甲酮組合在一起，就可以得到一種最便宜、較有效的光引發(fā)體系。(3) 陽離子型光引發(fā)劑四氟硼酸二苯基碘鎓鹽的增感體系也可以有效地抑制表面氧阻聚。 3. 2 改變聚合反應(yīng)的速率 3. 2. 1提高引發(fā)劑濃度或增加輻射劑量為了改變聚合反應(yīng)速率，M. Awokola 13等提出增加光引發(fā)劑的濃度和采用強光照射的方法。這兩種方法都可以使光引發(fā)劑在很短的時間內(nèi)迅速產(chǎn)生大量的活性自由基，使氧分子向體系中擴散的時間大大降低，從而降低氧的干擾。提高引發(fā)劑濃度，使引發(fā)劑濃度最優(yōu)化，可大大緩解氧阻聚作用。針對這個

15、問題，可以選用幾種吸收波峰不同的引發(fā)劑，強吸收的可用來抵消氧的作用，弱吸收的光線可進入底層，使底層樹脂聚合。在很多情況下，還可以通過增加輻射劑量，如增加UV燈的功率或數(shù)目，以提高輻射強度來減少氧阻聚作用的影響14。 3. 2. 2使用對氧敏感度低的預(yù)聚物和單體為有效降低氧阻聚對光固化的影響，還可以選擇改性的固化樹脂，再加入消耗氧氣的單體或基團，如含烯丙基、醚鍵己胺類的單體。由于共軛效應(yīng)，氧原子奪取處在雙鍵旁亞甲基碳原子上的氫，使碳原子生成自由基，而這個自由基由于共軛作用較穩(wěn)定，與空氣中的O2結(jié)合生成過氧化物，該過氧化物分解可引起交聯(lián)。在聚氨酯中引入硫醇和烯烴官能團，得到的改性聚氨酯樹脂也不受空

16、氣中O2的影響。其反應(yīng)機理如下：HSRSH HSRS· + H·HSRS· + nRCHCH2 HSRSCH2CHRn 其中，R、R為氨基甲酸酯。研究者在丙烯酸聚氨酯上引入氨基基團，實現(xiàn)了在空氣中直接進行光固化。可見，在預(yù)聚物合成中引入對氧低敏感的基團，對降低和消除氧阻聚作用是一種可行的方法。 3. 2. 3添加氧清除劑在光固化體系中加入一種或幾種氧清除劑，可以緩解氧阻聚作用。氧清除劑從反應(yīng)機制上可分為3類。 3. 2. 3. 1提供活性氫添加氧清除劑，如叔胺、硫醇、膦類化合物等。這些化合物作為活潑的氫供體，可與過氧自由基迅速反應(yīng)，使活性自由基再生。同時，過氧自由

17、基奪氫生成烷基過氧化氫，并可進一步生成烷氧自由基與羥基自由基。以叔胺為例15，反應(yīng)如下：ROO· + RCH2NR2 ROOH + RC·HNR2 ROOH RO· + ·OH張紅明等16采用雙固化技術(shù)和將叔胺基團引入光固化低聚體中，有效地消除了涂料表層以及深層的氧阻聚效應(yīng)，實現(xiàn)涂膜快速完成光固化過程。添加叔胺雖已成為自由基光固化配方中克服氧阻聚的重要手段，但含有胺的體系其固化產(chǎn)物容易產(chǎn)生黃變，而且體系的貯存穩(wěn)定性較差。在光固化配方中加入受阻胺、受阻酚等除氧劑，實際上對改善光聚合并無幫助，有時反而起到阻聚作用。而其實際所起的作用應(yīng)理解為對高分子材料的長期

18、光穩(wěn)定及熱穩(wěn)定化作用，即常說的聚合物光穩(wěn)定劑。Hoyle等17報道亞磷酸三乙酯和三苯基膦對己二醇二丙烯酸酯(HDDA)的光聚合具有明顯的抗氧效果，光聚合表觀動力學(xué)曲線與在氮氣保護下聚合的結(jié)果相近。 3. 2. 3. 2分解過氧化物自由基或氫過氧化物 (1) 含硫化合物含硫化合物主要包括硫代二丙酸酯、烷基(或芳基)硫化物、烷基(或芳基)硫醇等。其反應(yīng)可表示如下：(C18H37COCH2CH2)2S + ROOH C18H37OCOCH2CH3 + RH + SO2從上面的反應(yīng)式可以看出，在過氧化物被分解的同時，涂層中有SO2氣體生成，可能會使涂層表面產(chǎn)生斑點或縮孔。(2) 亞磷化合物亞磷化合物是

19、有效的O2清除劑，其抗氧機理非常復(fù)雜。其中，一種機理提出亞磷酸酯將過氧化物還原成醇：P(OR)3 + ROOH (RO)3PO + ROH 與此同時，亞磷酸酯也參與了反應(yīng)： 2P(OR)3 + ROO· 2(RO)3PO + R· (3) 硫磷復(fù)合體系A(chǔ)l-Malaika等人18早在20世紀(jì)70年代就致力于含硫抗氧劑的研究工作，他們在該領(lǐng)域做出巨大貢獻。在以后的10余年里，他們對硫代磷酸及其衍生物的抗氧機理進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，作為過氧化物分解劑，硫代磷酸類比硫代磷?；蛎丫哂懈玫目寡跣Ч?。(4) 硫醇復(fù)合體系周鋼19等提出的光加成聚合法屬于非丙烯酸體系，主要是硫醇體系

20、。它也可以克服氧阻聚問題，其機理是：激發(fā)態(tài)的光引發(fā)劑奪取硫醇中的氫，產(chǎn)生硫醇自由基而引發(fā)單體固化。66 紫外光固化涂料的氧阻聚效應(yīng)3. 2. 3. 3消耗材料中的溶解氧中加入一定量的石蠟。因石蠟與有機樹脂體系具有不相容性，所以在涂布施工和固化之間的這段時間內(nèi)，石蠟會遷移到涂層的表面，形成一層很薄的薄膜覆蓋在涂層表面，起到阻礙外界氧分子向涂層擴散的作用。石蠟的添加量必須適當(dāng)，否則會造成涂膜的光澤度大幅降低。此工藝路線繁瑣，速度較慢，不適合現(xiàn)代化高效生產(chǎn)的要求。 3. 3. 3覆膜法當(dāng)體系涂覆完成后，在其上緊貼一層表面惰性的塑料薄膜(如聚乙烯薄膜)以起隔氧作用。經(jīng)UV光輻照固化后，揭去薄膜。當(dāng)然，

21、這樣得到的固化涂層光澤度和光澤均勻性將受影響，更主要的是會使生產(chǎn)效率大大降低。 3. 3. 4強光輻照法采用強光照射27，光引發(fā)劑將同時大量分解，瞬間產(chǎn)生大量活性自由基。活性自由基可對單體加成，也可與氧分子反應(yīng)。從兩反應(yīng)所占比例來講，用強光輻照，似乎前一反應(yīng)不占優(yōu)勢，但引發(fā)聚合的絕對速率增加了。而且，一旦發(fā)生聚合，涂層黏度將迅速增加，外界氧分子向高黏度體系的擴散將大大受阻，這就有利于自由基聚合的快速進行。 3. 3. 5分步照射法采用兩次輻照的方法，即先用短波長(如254 nm)光源輻照涂層，因為短波長在有機涂層中穿透能力差，故光能在涂層的淺表層被吸收殆盡，使涂膜的淺表層先固化，對底層形成良好

22、的阻氧膜。接著再用較長波長(如313 nm和366 nm)的光源進行輻照引發(fā)，完成聚合固化。解決氧阻聚的問題還可以通過消除溶解擴散到光固化材料中的氧來實現(xiàn)20，主要有以下幾種方法：(1) 采用I型光引發(fā)劑和II型光引發(fā)劑配合的光引發(fā)劑體系。例如，Ciba公司的光引發(fā)劑Irgacure 500是含有等物質(zhì)的量的Irgacure 184和二苯甲酮的混合光引發(fā)劑，它在空氣中有較好的使用效果。S. P. Pappas 21認為，這可能是由于二苯甲酮的激發(fā)三線態(tài)能有效地促進氫過氧化物(ROOH)的分解，產(chǎn)生的烷氧自由基(RO·)和羥基自由基(OH·)都具有引發(fā)作用。而I型光引發(fā)劑光解

23、產(chǎn)生的自由基與氧的反應(yīng)消耗了氧，使氧對二苯甲酮激發(fā)三線態(tài)的猝滅作用受到抑制?？梢妰烧哂袇f(xié)同作用。(2) Decker等人在UV固化材料中加入1,2二苯基苯并呋喃，有效地實現(xiàn)了在空氣中固化，而且與惰性氣體保護下的固化速率幾乎一樣。(3) 在體系內(nèi)加入增感染料亞甲基藍(MB)，它能在光作用下形成激發(fā)的三線態(tài)，而其三線態(tài)能量可傳遞給O2。氧氣成為激發(fā)的單線態(tài)氧，單線態(tài)氧可與接受體生成過氧化物，從而消耗氧。(4) 將三苯基膦作為光引發(fā)劑用于引發(fā)自由基聚合反應(yīng)，三苯基膦可以定量地轉(zhuǎn)化為三苯基膦的氧化物，在此過程中消耗了溶解氧：2Ph3P + O2 2Ph3PO 3. 3 改變光固化工藝 3. 3. 1惰

24、性氣體保護法在惰性條件下進行紫外光照射，即用N2或其他惰性氣體(如氬)保護的方法22-23，以取代固化層表面中的O2，再進行UV固化。這種方法效果雖好，但是成本很高。E. Beck 24研究發(fā)現(xiàn)，可以用CO2代替N2趕走體系中的氧，這種方法的優(yōu)點是CO2比N2價廉易得，而且密度比空氣大，易于保存。Katia Studer254 結(jié)語通過采用物理方法，如惰性氣體保護、浮蠟、覆膜、強光輻照、分步照射等改進固化工藝，雖可避免氧阻聚對固化膜性能的影響，但操作過程比較麻煩，影響生產(chǎn)效率。因此，采用對氧低敏感的預(yù)聚物、活性單體和光引發(fā)劑等措施改進光固化體系，將可能是今后UV固化領(lǐng)域的一個發(fā)展方向。因此，抗

25、氧阻聚的研究可能有以下趨勢：(1) 研發(fā)對消除氧阻聚更有效的光固化材料體系。 (2) 研究解決光固化自由基反應(yīng)體系的厭氧性問題，目前已在預(yù)聚物、光引發(fā)劑等方面有較大進展，還需從活性稀釋劑、抗氧阻聚助劑等多方面進行系統(tǒng)研究。等研究了CO2氣氛下，紫外光固化過程中樣品溫度、膜的厚度、樹脂黏度、光引發(fā)劑種類及用量、光源強度等因素對氧阻聚的影響。他們發(fā)現(xiàn)，與空氣環(huán)境下比較，UV固化涂膜具有更好的表面性能，更好的光澤和耐刮擦性能；與N2氣氛下比較發(fā)現(xiàn)，CO2條件下比N2條件下雙鍵的轉(zhuǎn)化速率快，最終的轉(zhuǎn)化率也高。這種方法是目前最為有效的一種方法。 3. 3. 2浮蠟法D. A. Bolon 26等提出一種

26、石蠟保護法，即在體系67 紫外光固化涂料的氧阻聚效應(yīng)(3) 陽離子光固化體系雖不受氧阻聚干擾，但目前適用于陽離子光固化的樹脂和活性稀釋劑品種較少，限制了該體系的發(fā)展，有待于進一步研究合成適合于陽離子光固化體系的樹脂和活性稀釋劑。(4) 研究能夠更多地吸收UV或吸收更長波長的高效率陽離子光引發(fā)劑。參考文獻：1許巖, 何德良, 曾凌三. 紫外光固化涂料的發(fā)展及應(yīng)用J. 電鍍與涂飾, 2001, 19 (1): 47-51, 23.2 HUANG W-K, CHEN K-J, YEH J-T, et al. Curing and combustionproperties of a PU-coatin

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