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輻射固化-表面固化新技術


     輻射固化的基本含義就是利用紫外光(UV)或電子束為能源,引發具有化學活性的液體配方,在基體表面實現快速反應的固化過程。

  UV/EB固化的工業應用為材料表面固化提供了一種先進的加工手段。這種固化技術不同于傳統技術(例如熱固化)的最大優點在于輻射固化采用高效能源-紫外光或電子束作為引發手段,快速實現涂層固化。

1. 紫外光與電子束
   紫外光與電子束都可看成輻射大家族的成員,不同的是紫外光是一種電磁輻射,而電子束卻是經加速的高能電子流。
   輻射固化常用的100~380nm紫外光區又細分為UV-C(100~280nm)、UV-B(280~315nm)和UV-A(315~380nm)。輻射固化采用的紫外光源一般是經電能激發的紫外燈。
   電子束也是一種輻射,它是一批經過加速的電子流,粒子能量遠高于紫外光,可使空氣電離,故高能電子束又可稱為電離輻射。電子束固化一般不需光引發劑,可直接引發化學反應,而且對物質的穿透力也比紫外光大得多。產生電子束的裝置稱為電子加速器。輻射固化采用的一種掃描型的電子加速器,其基本原理與家庭使用的電視機十分類似。在電視機中經加速的電子流掃描電視熒光屏取得視覺信息,輻射固化中電子加速器的電子束對基材表面掃描從而實現固化加工。

2. 輻射固化- 一項系統工程
   輻射固化是在現有科學技術的基礎上發展起來的一門新技術,因此可以看作是多種技術共同結構形成的綜合體,包括輻射源(UV和EB)、原料、單體和齊聚物、光引發劑、各種助劑(如顏料、添加劑)、化學配方(涂料、油墨、黏合劑等)、基材與涂布裝置等。輻射固化只有通過這些技術要素的合理配置才能發揮其固有的生命力。事實上,這些技術要素在輻射固化的產業進程中已形成了相互依賴的市場鏈,共同保證市場競爭力,因此輻射固化的本身是一項系統工程。

3.'3E原則'推動輻射固化發展
   任何高新技術的確立和發展,現在看來都須遵循'3E原則',概莫能免,因此'3E原則'是輻射固化賴以生存和發展的根基和原動力。所謂'3E'就是指能源(Energy)、生態(Ecology)和經濟(Economy)。
(1)能源 輻射固化餓額能量消耗只需保證活性化學配方在輻射引發下發生聚合交聯反應,不必對基材進行加熱,因此UV固化的能耗僅為常規溶劑型涂料和油墨固化的1/5,EB固化能耗更小,僅為常規固化的1/100。
(2)生態 輻射固化所采用的活性化學配方不含(或少含)揮發性溶劑,屬于零排放(或低排放)技術,有利于環境保護。此外,輻射固化所用基礎能源為電源,無燃油然氣,也無二氧化碳產生。因此輻射固化常被譽為'綠色技術'。
(3)經濟 輻射固化裝置緊湊,加工速度快,場地空間小,生產效率高。因此工藝本身有助于提高產品性能,降低原材料消耗,這一切從經濟成本上提高了技術本身的競爭能力。
除此之外,輻射固化較之于傳統的固化技術尚有自身的特點,例如室溫固化,有利于熱敏材料的加工;固化配方可按需求調節,有利于提高工藝的適應性,保證產品性能(如硬度、柔性、光澤、耐候性等);輻射固化易于實現流水作業,自動化程度高。
輻射固化特有的技術優勢不僅滿足'3E原則'的要求,而且在產業化進程中持續保持對傳統固化的市場競爭力,使輻射固化自20世紀60年代以來一直呈高速增長勢頭:目前緊急發達國家(如美國、日本以及歐洲各國)每年增長率約為10%,發展中國家的增長速度更快,中國的平均年增長率可達25% 。
據估計,目前全球UV/EB固化的化學原料和配方的市場占有額僅為工業涂料(油墨、涂料與黏合劑)總銷售額的3%,因此輻射固化發展前景看好。
在輻射固化中占統治地位的是紫外光固化(約90%),電子束固化由于加速器裝置一次性投資較高,至今所占比重仍然很小(約10%)。

4. 輻射固化產品舉例
   目前輻射固化產品已滲入到工業生產與日常生活的方方面面,幾乎無所不在,這里僅舉出一些典型的例子。
(1) 涂層 光盤、光纖、磁帶、磁卡、高檔物品袋、照相膠片、雜志封皮、真空金屬塑
料、易拉罐、家具貼面、層壓板、墻壁嵌板、乙烯地磚與瓦面、電鍍金屬管及皮革裝飾等;
(2) 油墨 平版膠印、凸版印刷、柔版印刷、凹版印刷和絲網印刷等;
(3) 黏合劑 汽車前燈、壓敏標簽和移畫印花、電子器件封裝與包殼、醫用塑件裝配等;
(4) 電子器件 印刷線路板敷形涂覆、抗蝕劑、阻焊劑、字符油墨、抗光干膜、保護涂層等;
(5) 其他 印刷板、醫用器件、牙科充填物、化妝品盒、眼鏡片、高爾夫球、獎杯、滑雪板、摩托雪橇、廣告標牌等涂層固化或裝飾,以及三維立體光鑄加工。


5. 輻射固化的化學體系
   具有反應活性的化學配方內容構成了輻射固化的化學體系,一般包括齊聚物、單體、光引發劑、助劑等成分。
   齊聚物在輻射固化配方中起著極其重要的作用,它決定了涂料、油墨、黏合劑或其他基料在輻射固化后的整體性能。齊聚物是專門指一類具有不飽和雙鍵結構的高分子聚合物,可進一步發生反應,擴展成為交聯固化體,故也稱預聚物。大多數齊聚物都是不同類型丙稀酸樹脂,分子量一般不大。
   單體是有機合成材料最基本的單元,在輻射固化中單癱主要是用作稀釋劑以降低化學體系的黏度。UV/EB固化單體一般為活性稀釋劑,不僅可調節配方黏度,而且分子結構含有一個或多個雙鍵,稱作單官能團活性單體或多官能團活性單體。這種活性單體可與齊聚物或其他單體發生反應,參與輻射固化過程,而且由于不含揮發性物質,故不會對大氣造成污染。
   光引發劑在紫外光的作用下產生自由基和陽離子。這兩種粒子在化學體系中都是高能活性基團,有利于引發單體、齊聚物和聚合物的不飽和雙鍵的交聯固化。值得指出的是,EB固化不需要光引發劑,因為電子本身就能引發化學體系的交聯反應。
   助劑在輻射固化中雖然并不直接參與固化過程,然而其作用不可忽視。最常用的助劑是穩定劑,主要用于防止配方用料在貯存時出現凝膠化現象,或防止配方體系在暗光條件下自動固化。此外,其他一些助劑,包括顏料、染料、消光劑、消泡劑、流平劑、附著力促進劑等在改善最終固化性能中也發揮著各自不同的作用。

6. 發展趨勢
   輻射固化雖然在全球取得了長足的進展,然而其產業化進程并不盡如人意,主要的原因在于許多技術成果尚處于中試和實驗室研究階段。
   首先,輻射固化的主要發展方向是在傳統制造業中繼續發揮優勢,同時向汽車與建筑裝飾市場-全球最大的涂料市場進軍,這就要求輻射固化產品性能達到戶外長期耐候性的標準。
   輻射固化另一發展方向是向新興的信息產業進軍,具體地說就是在光導介質、信息系統和遠程通訊領域占領陣地。這是一個全心領域,正是UV/EB技術施展自身強勢的廣闊天地。

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