光固化技术是一种高效、环保、节能、优质的材料表面技术,被誉为面向21世纪绿色工业的新技术。随着科学技术的发展,光固化技术应用从最早的印制板材、光刻胶发展到光固化涂料、油墨、胶黏剂,应用领域不断扩大,形成了一个新兴的产业。

技术分享|浅谈UV光固化产品的分类及应用

光固化产品最常见的分为UV涂料、UV油墨和UV胶黏剂,他们最大的特点是固化速率快,一般在几秒到几十秒之间,最快的可在0.05~0.1s时间内固化,是目前各种涂料、油墨、胶黏剂中干燥固化最快的。

UV固化即紫外固化,UV是紫外线的英文缩写,固化是指物质从低分子转变为高分子的过程。UV固化一般是指需要用紫外线固化的涂料(油漆)、油墨、胶粘剂(胶水)或其它灌封密封剂的固化条件或要求,其区别于加温固化、胶联剂(固化剂)固化、自然固化[1]

技术分享|浅谈UV光固化产品的分类及应用

光固化产品的基本组分包括低聚物、活性稀释剂、光引发剂、添加助剂等等。低聚物是光固化产品的主体,它的性能基本上决定了固化后材料的主要性能,因此,低聚物的选择和设计无疑是光固化产品配方中的重要环节。

这些低聚物的共同点是均具有 “技术分享|浅谈UV光固化产品的分类及应用”不饱和双键的树脂,按照自由基聚合反应速率快慢排序:丙烯酰氧基>甲基丙烯酰氧基>乙烯基>烯丙基。

因此,自由基光固化使用的低聚物主要是各类丙烯酸树脂,如环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、丙烯酸酯化的丙烯酸酯树脂或乙烯基树脂等,实际应用最多的是环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸树脂和聚酯丙烯酸树脂。下面简要介绍这三种树脂。

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环氧丙烯酸酯

环氧丙烯酸值是目前应用最广泛、用量最大的光固化低聚物,它是由环氧树脂和(甲基)丙烯酸酯化而制得。环氧丙烯酸酯按结构类型可分为双酚A环氧丙烯酸酯、酚醛环氧丙烯酸酯、改性环氧丙烯酸酯和环氧化丙烯酸酯,以双酚A环氧丙烯酸酯应用最为广泛。

双酚A环氧丙烯酸酯在低聚物中是光固化速率最快的一种,固化膜具有硬度大、高光泽、耐化学药品性能优异、较好的耐热性能和电学性能,加之双酚A换氧丙烯酸酯原料配方简单,价格便宜,因此在常用于光固化纸张、木器、塑料、金属涂料的主体树脂,也作光固化油墨、光固化胶黏剂的主体树脂。

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聚氨酯丙烯酸酯

聚氨酯丙烯酸酯(PUA)是又一种重要的光固化低聚物。它是用多异氰酸酯、长链二醇和丙烯酸羟基酯经两步反应合成。由于多异氰酸酯和长链二醇的多结构可选择,通过分子设计来合成设定性能的低聚物,因此是目前产品牌号最多的低聚物,广泛用于光固化涂料、油墨和胶黏剂中。

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聚酯丙烯酸酯

聚酯丙烯酸酯(PEA)也是一种常见的低聚物,它是由低分子量聚酯二醇经丙烯酸酯化而制得。聚酯丙烯酸酯价格低和粘度低是最大的特点,由于粘度低,聚酯丙烯酸酯既可以作为低聚物,也可以作为活性稀释剂使用。此外,聚酯丙烯酸酯大多具有低气味,低刺激性,较好的的柔韧性和颜料润湿性,适合色漆和油墨。为了提高高固化速率,可以制备多官能度的聚酯丙烯酸酯;采用胺改性的聚酯丙烯酸酯,不仅可以减少氧阻聚的影响,提高固化速率,还可以改善附着力、光泽和耐磨性。

活性稀释剂通常含有可反应基团,对低聚物起到溶解和稀释作用,对光固化过程及涂膜性能起着重要作用。按所含反应性基团的多少,单官能团活性稀释剂常见的包括丙烯酸异癸酯、丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等;双官能团活性稀释剂包括聚乙二醇二丙烯酸酯系列、二丙二醇类二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯等;多官能团活性稀释剂如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯等[2]

引发剂对光固化产品的固化速率有着重要影响,在光固化产品中,光引发剂的添加量一般在3%~5%。除此之外,颜料和填料助剂对光固化产品的最终性能也有着重要影响。

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光固化技术在不同领域的应用

光固化产品由于具有固化快、节能环保等优势应用领域广泛,最早主要应用在木器涂装领域。近年来,随着新型引发剂、活性稀释剂及感光低聚物的研制,光固化涂料的应用逐渐扩展到纸张、塑料、金属、织物、汽车部件等领域。下面将简要介绍几种光固化技术在不同领域的应用。

技术分享|浅谈UV光固化产品的分类及应用

光固化3D打印

光固化3D打印是目前打印精度和商业化程度最高的快速成型技术之一。它具有诸多优点,如能耗小、成本低、精度高、表面光滑以及可重复性好,已经开始广泛应用于航空航天、汽车、模具制造、珠宝设计和医疗等领域。

例如,通过打印具有复杂结构的火箭发动机原型,分析气体的流动模式,有助于设计出结构更紧凑、燃烧效率更高的火箭发动机,可以有效提高复杂零配件的研发效率,缩短汽车研发周期;还可以直接打印出模具或倒模,从而快速制模等等。

光固化3D打印技术已经发展出立体光刻成型技术(SLA)、数字投影技术(DLP)和三维喷墨成形(3DP)、连续液面生长(CLIP)等技术[3]。作为其打印材料,光固化3D打印用光敏树脂也得到了长足的进步,并根据应用的需要,朝着功能化的方向发展.

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电子封装UV光固化产品

封装技术的革新促使封装材料由金属封装和陶瓷封装向塑料封装过渡。塑料封装中又以环氧树脂应用最为广泛,优良的力学机械性能、耐热耐湿性是高质量封装的前提,而决定环氧树脂性能的根本问题除了环氧树脂主体的结构外,固化剂的影响也是一个非常重要的因素。

相比于常规环氧树脂所采用的热固化方式,阳离子UV固化不仅光引发剂化存稳定性更好,体系的固化速度更快,数十秒内就可完成固化,效率极髙,不存在氧阻聚,能够进行深度固化,这些优势愈发凸显阳离子UV固化技术在电子封装领域的重要性。

随着半导体技术的飞速发展,电子元器件愈发趋向于高度集成化、小型化方向发展,质轻高强、耐热性好、介电性能优异等将是新型高性能环氧封装材料的发展庭势,光固化技术在电子封装行业发展过程中必将起到更加重要的作用。

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印刷油墨

在包装印刷领域中,柔印技术的使用越来越多所占的比重越来越大,它已经成为印刷包装的主流技术,并是今后发展的必然趋势。

柔印油墨有多种类型,主要包括以下几类:水性油墨、溶剂型油墨以及紫外光固化(UV)油墨。溶剂型油墨的主要用途为非吸收性的塑料型薄膜印刷;水性油墨主要用于报纸、瓦楞纸板和卡纸等印刷材料中;UV油墨的用处比较广泛,其用在对塑料薄膜、纸张、和金属箔等材料中印刷效果较好[4]

UV油墨具有对环境友好、效率高、印刷质量好、适应性强等特点,是目前非常受欢迎且关注度很高的新型环保型油墨,发展前景非常好。

柔印UV油墨包装印刷中的应用范围较广。柔印UV油墨有以下几个优点[5]

(1)柔印UV油墨无溶剂排放、使用安全可靠、熔点高、无污染,所以适用于制作安全无毒对包装材料要求高的的食品、药品、饮料等包装中。

(2)在进行印刷时油墨的物理性质不变,且没有挥发性溶剂,黏度不变,不会对印版造成损伤使其发生糊版、堆版等现象,在使用粘度较高的油墨印刷时,印刷效果依然较好。

(3)油墨干燥速度快,产品印刷效率高,可以广泛应用于各种印刷方式中,在塑料、纸张、薄膜等承印物上。

技术分享|浅谈UV光固化产品的分类及应用

随着新型低聚物结构,活性稀释剂及引发剂的研制,光固化产品的未来应用领域范围不可估量,市场发展空间无限。

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原文始发于微信公众号(UVEB大平台)

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作者 xie, yao