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塑料用UV涂料为市场创造价值

塑料用UV涂料为市场创造价值

时 间: 2020-08-10

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摘 要:作者:PaulGevaert,辐射固化业务部全球应用经理,湛新公司,比利时,…

作者:Paul Gevaert,辐射固化业务部全球应用经理,湛新公司,比利时,Drogenbos

 

塑料在我们日常生活中的使用越来越频繁。在汽车市场,三分之一的汽车零部件由塑料制成,汽车原始设备制造商(OEM)的目标是在未来几年,将汽车的平均重量降低10-15%,以提高燃料效率,降低对环境的影响。在美容护肤市场,70%以上的化妆品瓶和盖,采用塑料(原始、生物基或循环利用型)为主要基材。由于塑料易于加工,电子和电信市场数十年来一直使用塑料作为主要基材。因此,对各种塑料基材的高性能、高效率和增值涂料的需求不断增长。然而,由于塑料的低表面能,以及它们对温度和溶剂的敏感性,使得许多塑料很难被涂覆,挑战了这类基材的涂层体系开发,也为配方设计人员和原材料供应商带来了挑战。

 

在这方面,能量固化涂料技术已经证明人们可以克服传统涂料的局限性,使固化涂层具有更高的整体性能,包括耐划伤、耐磨损和耐沾污性等。

 

能量固化涂料是由丙烯酸酯功能化树脂(低聚物和单体)组成,当暴露在紫外线或电子束下时,会产生聚合或瞬间固化,导致更高的生产效率、能源成本的节约和更紧凑、更节省空间的工业生产线。能量固化树脂可以是100%固含的材料,也可以用溶剂稀释,以方便使用。还有水性UV体系存在,但此非本文主题。

 

由于塑料零件上的涂层大多是喷涂的,所以常使用溶剂来降低粘度。但溶剂中含有挥发性有机化合物,因此应尽量限制其含量。低粘度、能量固化低聚物的开发,使得在喷涂过程中减少,甚至完全消除溶剂的使用成为可能。

 

本文将演示如何为以下各项制备UV涂料:

 

• 汽车内饰用UV溶剂型哑光钢琴黑透明涂料;

• 用于3C(计算机、通信和消费电子产品)和化妆品应用的UV溶剂型金属单涂层;以及

• 塑料基材喷涂用100%UV透明涂料。

 

 

喷涂用溶剂型UV涂料

 

越来越多辐射固化技术应用于汽车、化妆品包装、音频/视频和其他各种塑料基材的涂层上。如果产品直接涂在塑料基材上,主要关键就看它的表面附着力。

 

用于上述应用的涂料需经过非常严格的测试,评估它们是否满足行业对高性能涂层的需求,这些性能通常为涂层是否具有很高的耐划伤、耐磨、耐化学性、耐沾污性甚至耐沸水性等等。

 

这些性能通过高交联体系获得,通常使用具有高丙烯酸酯官能的低聚物和/或单体。但是,高交联密度可能导致较差的附着力。因此,在各种需求之间找到最佳的平衡点才是关键。

 

 

汽车内饰用溶剂性UV透明涂料

 

在过去的几年里,汽车行业一直在大力推动从压铸金属转向塑料的汽车内饰,因为后者可以降低整车重量,有助于降低油耗和二氧化碳排放,同时带来不同的美学效果。随着人们对塑料兴趣的增加,汽车制造商正在寻找塑料用的涂料,并使其具有坚固、良好的触觉、美学效果和其他性能特征,且能带来更好的生产力。能量固化涂料几乎可满足以上所有的性能要求,涂层提高了耐划痕、耐磨损、耐染色和耐化学性等性能,使原始设备制造商和供应商(第1梯队和第2梯队)得以受益;当它暴露在UV光下时几乎能瞬间固化,也提高了生产效率。

 

湛新公司最近开发了一款新型脂肪族聚氨酯丙烯酸酯产品,应对汽车内饰行业的挑战。制备UV固化涂料时,该聚氨酯丙烯酸酯可以进一步混合高Tg单体、正己烷二醇二丙烯酸酯和羟基烷基酚,作为光引发剂。喷涂时,使用溶剂混合物,使涂料达到适合喷涂的粘度。在固体含量为70%时,粘度为40 mPa.s(25°C)。

 

该配方应用于不同的塑料基材:ABS、PC和ABS/PC。湿膜涂覆,烘烤(60℃下5分钟)后,获得20 g/m²的干膜厚度,在2,000 mJ/cm²条件下进行UV固化。仅在涂层与基材完全粘合的情况下,才测试其性能。根据VW PV3964的防晒霜和护手霜测试作为参考,因为根据VW TL 226测试其耐湿性,这些测试代表了一些最严格的测试。

 

如表1所示,基于新的四官能团聚氨酯丙烯酸酯的配方在多种基材上都具有良好的附着力,并且可以通过所有的耐化学性测试,包括通常在PC基材上很难获得的耐湿性,这说明该涂料满足了汽车内饰的各项基本要求。

 

 

溶剂型UV哑光涂料(用于汽车内饰)

 

通常出于美观和安全考虑,哑光表面要优于高光涂层。哑光涂料的挑战在于如何保持优异的耐划痕和其他耐久性能。表2中显示了粘度为40 mPa.s(25°C)的70%固含配方。填料(消光剂等)的用量应与基材的性能相匹配;聚碳酸酯涂层一般使用其他填料及更多消光剂,使其在60°角的光泽度达到5度以下。

 

耐化学性和耐湿性试验结果表明,采用自由基固化的树脂,满足了汽车内饰的要求,且未增加光泽度和表面损伤。

 

 

溶剂型UV钢琴黑涂料

 

汽车内外饰件(如仪表板上指针的装饰、中控台周围和车门装饰件等)的关键表面效果是光泽的“钢琴黑”,与钢琴的黑色琴键所使用的颜色类似。

 

尽管钢琴黑因其诱人的外观而越来越流行,但它确实存在一些缺点。由于漆面的高光泽度,涂有钢琴黑的漆面容易显现指纹痕迹,且极易划伤。

 

涂料工业中,使用氧化精细碳黑颜料,是涂料具有深亮黑色的关键所在。汽车工业通常要求使用黑亮颜料和蓝色色调,小颗粒的碳黑可以满足这些要求。然而,在UV固化涂料中,碳黑会吸收紫外光,降低了固化。颗粒越细,吸收紫外线的能力就越强。因此,我们面临的挑战是,在给定的漆膜厚度下,找到亮黑色和涂层完全固化之间的平衡,优化性能。我们评估了两种不同的颜料:其一是粒径为47nm、相对着色强度为88% (ASTM D 3265)的黑色颜料7(PB 7),另外一个是粒径为95nm、相对着色强度为26%的黑色颜料6(PB 6)。最后,我们发现使用PB 6可以找到最佳折衷方案。在表3中,溶剂型UV涂料在喷涂粘度(25°C,45mPa.s)下的固含为70%,碳黑(PB6)在固体中的含量为3.2%。

 

将该配方应用于不同的塑料基材:ABS、PC和ABS/PC。湿膜涂覆,烘烤干燥(60℃下5分钟)后,获得15 g/m²的干膜厚度。在2,000 mJ/cm²条件下进行UV固化。将Ga灯(深层固化)与Hg灯(表面固化)结合使用以获得最佳效果。

 

该配方涂料在所有基材上的附着力都很好。Erichsen仪器测出耐划痕/附着力已到达极限,但在耐化学性测试后又有所增加,可能源于额外的热处理。涂层表面完好无损。

 

在所有受试的三种基材上,配方涂料都具有出色的钢琴黑效果,它还通过了耐沸水性(80°C,60分钟)和耐湿性(80°C,72小时,95%相对湿度)测试。

 

 

溶剂型UV单涂层金属漆

 

金属色,尤其是银色,在办公和家用电器、消费类电子产品(录音、录像、手机、相机)和插口等塑料零件和外壳上,皆具有附加的市场价值,金属漆通常由常规的溶剂型热塑性丙烯酸(TPA)或双组分聚氨酯(2KPU)金属底漆(例如,含有铝粉)制成。在某些情况下,为了提高耐用性、抗划伤性和耐化学性,在金属底漆上面会再涂覆一层透明的UV面漆。

 

针对此类应用,我们开发了溶剂型(SB)UV涂料配方,以帮助应对以下挑战:

 

• 对基材的附着力好,也就是说通过充分选择低聚物和单体,来限制固化后的涂层收缩。涂层表面应具有足够的交联密度,以提供耐化学性和机械性能(例如,手机涂层)。

• 通过添加长波长固化光引发剂,如酰基氧化膦(TPO),确保底层的完全UV固化,因为金属颜料会强烈干扰短波长的紫外光。需要添加表面固化光引发剂,以保证完美的表面固化并减少氧阻聚。

• 金属颜料定向。UV低聚物和单体的金属颜料定向效果因其相对分子量较低而受到限制,尤其是单体的数量应受到限制。应避免单体聚集,因为它们会侵蚀金属颜料并改变其色调。

• 金属颜料基配方涂料的稳定性较差,需要使用较好的罐内稳定剂(自由基清除剂)。

• 金属涂层可具有一定的耐磨性和耐沸水性。

 

为了获得好的金属颜料定向,配方的固体含量不能太高。在表4中,溶剂型UV配方涂料在喷涂粘度(25°C,15 mPa.s)下具有38%的固体含量。金属颜料的含量为固体份的8.6%。

 

我们将该配方应用于不同的塑料基材:ABS、PC和ABS/PC。湿膜涂覆,烘烤干燥(60℃下3分钟)后,获得15 g/m²的干膜厚度,在500 mJ/cm²热能下进行UV固化。配方涂料显示出良好的金属效果,并在所有三种测试基材上都具有很好的附着力。它还通过了耐沸水(80°C,60分钟)和耐湿性(80°C,96小时,95%相对湿度)试验。

 

如前所述,耐磨性在单涂层金属漆中是一个挑战。RCA磨损试验仪常被用于测试汽车、家电、手机、塑料、涂料等行业标准。使用的是便宜的一次性研磨实验纸,由于RCA磨损测试仪测试的是一个小点,因此,不平坦的表面,或带有小字或图形的表面,也可用来测试。用RCA测试的结果为300,表示非常好的耐磨性。

 

 

喷涂用100% UV透明涂料

 

为了避免或尽量减少VOCs的排放,遵守政府新的环境法规,满足涂料市场对可持续性解决方案日益强烈的需求,我们开发了一种低粘度的六官能团聚氨酯丙烯酸酯产品。表5中,给出了可在50°C至60°C温度下进行喷涂的100% UV涂料配方。

我们将涂料涂施在ABS、PC和ABS/PC等不同的塑料基材上,并得到20 g/m²的干膜厚度,并用约1000 mJ/cm²的热能进行UV固化。仅在涂层与基材完全粘合的情况下,才测试其性能。

 

实验表明,其附着力在这些不同的基材上都不错,表5中的配方产生了具有良好耐磨性和抗划伤性的中等硬度涂层(Persoz硬度为254秒)。耐沸水性(80°C下1小时)和耐乙醇性好。只有在聚碳酸酯基材上的耐化学性仍然是一个挑战,尤其针对通常用于评估化妆品包装的G1溶液的耐化学性较差。

 

 

结论和观点

 

湛新公司最近开发的能量固化树脂,是为了满足不同领域(如:消费类电子产品、化妆品包装和汽车内饰等)对塑料涂料中,不断增长对合适低聚物的需求,以满足不同规格和审美要求。由于这些涂料经常被用于喷涂,所以会使用溶剂来降低粘度。然而,湛新正在进行开发,使其能以更高的固体含量来进行喷涂,从而降低VOC的排放,实现环境的可持续发展。正被开发的低粘度低聚物用于100% UV固化涂料的喷涂。这些100%固含的涂料在更高温度下喷涂,可以使配方更自由地满足市场需求。

 

 

 

本文收录于PCI中文版2020年5月刊

 

 

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