一体板用UV户外涂料的研究及应用

  一、研究背景

  1、2016年，中国外墙保温市场容量约为7亿平方米，其中保温装饰一体化板约为6千万平方米，随着建筑节能要求的提高，一体板市场在未来三至五年将迎来爆发式增长；

  2、现有一体板多采用溶剂型氟碳、水性多彩（真石漆）涂装工艺，存在环境污染大（VOC排放、废水排放），干燥速度慢（自然干燥大于24h，烘干大于2h），能源消耗高，劳务用工多等诸多不利因素；

  3、近年来国家加大环保治理力度，对涂装企业征收排污费；从2018年元旦开始将征收环保税；

  4、中国已经进入人口老龄化社会，制造业人口红利不复存在，企业用工成本逐年攀升；

  5、环保高效的UV涂装解决方案已成为涂装升级的必然趋势。

  二、UV涂料简介

  1、UV涂料是紫外光固化涂料（Ultraviolet Curing Coating），即利用紫外光作为固化能源，在常温下快速交联成膜的涂料。

  2、主要成份：

  a、齐聚物：丙烯酸改性系列树脂，如环氧丙烯酸树脂（EA）、聚氨酸丙烯酸树脂（PUA）等；

  b、单体：不同官能度丙烯酸酯单体，如丙烯酸羟丙酯（HPA）、三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）等；

  c、光引发剂：有夺氢型、裂解型光引发剂，如二苯甲酮（BP）、α-羟基酮（1173）等；

  d、粉体：颜料、哑粉、填料等；

  e、助剂：润湿剂、消泡剂、流平剂等。

  3、反应基理：自由基化学反应。

  4、特型："5E"型涂料，被誉为"面向21世纪绿色工业的新技术"。

  a、环保（Ecology）：几乎100%固含量，无VOC排放；

  b、高效（Effective）：瞬间固化（以秒计），效率极高；

  c、节能（Energy）：能耗与烘烤型涂料相比，节能80%；

  d、经济（Economic）：设备投入小，占地面积少，生产效率高，用工少，节能、经济性优；

  e、性能优异（Excellent）：涂层为三维网状结构，高硬耐磨，光泽高，丰满度佳，耐酸耐碱性能优异。

  5、成熟的工业化应用：地板、家俱、纸张印刷、塑胶电子、玻璃包装、汽车内饰等众多领域。

  三、UV户外涂料的研究

  1、挑战：耐候性

  涂料的耐候性主要是指涂料暴露在户外环境下的力学性能、光学性能、化学性能的变化。

  耐候（老化）损害主要由三个因素引起：光照、温度和湿度。这三个因素中的任何一个都会引起材料的老化，它们的共同作用，大于其中任一因素造成的危害。

  a、光照：高分子材料的化学键对于太阳光中不同波段的敏感性不同，一般对应一个阀值。太阳光中的短波紫外线是引起大部份聚合物性能老化的主要原因；

  b、温度：温度越高，化学反应速度越快；

  c、湿度：水会直接参与材料老化，相对湿度、露水和雨水等是自然界中水的几个主要表现形式。研究表明，户外材料每天都长期处于潮湿环境（平均每天8-12H）。

  2、在涂层设计寿命周期内，要避免出现以下情况：

  .变色、褪色

  .开裂

  .剥离、分层

  .脆化、粉化

  .失光

  .起泡

  3、UV户外涂料配方设计

  充分考虑户外因素（光、热、水），结合UV涂料特性，经过大量的筛选评估测试，最终定型；

  a、树脂：选用高官能度脂肪族聚氨酯丙烯酸树脂等；

  b、单体：选用双键转化率高、残留低的单体TMPTA、HDDA等；

  c、光引发剂：选用裂解型光引发剂184（α-羟基酮）等；

  d、颜料：户外高耐候等级无机颜料BASF；

  e、助剂：紫外线吸收剂BASF。

  四、UV户外涂料耐候性测试

  耐候性测试分为两类：人工加速老化试验和自然老化试验

  （一）人工加速老化试验

  在实验室内利用各种老化试验箱进行试验的一种方法，包括热老化、水老化、光老化、盐雾老化等。

  优点：老化箱可以模拟并强化自然环境的某些因素，加速老化过程，较快得到材料试验结果，是生产和科研中常用老化方法。

  缺点：快速老化的模拟结果，影响因素较多，与实际老化结果有偏差。

  1、热老化试验

  a、热老化性能试验

  在常压和规定温度的热空气作用下，使材料经过一定时间后测定其性能指标，用来判断材料的热稳定性。

  测试仪器：烘箱

  测试方法：80℃ⅹ168h

  b、冷热循环试验

  高低温交替冷热交替测试，评价材料的耐温差性。

  测试仪器：冷热循环试验箱

  测试方法：-40℃ⅹ2h，80℃ⅹ2h，24个循环

  2、水老化测试

  a、水泡试验

  在常温下浸泡于水中。

  测试仪器：水箱

  测试方法：水泡168h

  b、水煮试验

  样板饱和吸水后，沸水煮。

  测试仪器：恒温水浴锅

  测试方法：水煮8h

  c、冻融试验

  样板饱和吸水，低温冷冻再解冻，评价水结冰状态下对材料破坏情况。

  测试仪器：冻融试验箱

  测试方法：-40℃ⅹ16h，25℃ⅹ8h，25个循环

  d、湿热老化测试

  在大气环境下，温度（热）和湿度（水）都会导致材料老化。

  测试仪器：湿热老化试验箱

  测试方法：漆膜耐湿热测定法GB/T1740

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  3、光老化试验

  a、氙弧灯老化（模拟全光谱太阳光：紫外线、红外线、可见光）

  利用惰性气体氙在超高电压下原子被激发电离放电产生弧光来模拟自然条件下光老化的再现性试验，并且可以模拟黑夜及淋雨现象。

  测试仪器：氙弧灯老化试验箱（Q-sun）

  测试方法：GB/T1865 色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露滤过的氙弧辐射

  b、紫外灯老化（主要为紫外线）

  紫外荧光灯可模拟关键的短波紫外线，并能完整真实地重现太阳光、雨水和露水造成的损害。

  测试仪器：紫外灯老化试验箱（Q-UV）

  测试标准：GB/T14522 涂料人工气候老化试验方法 荧光紫外灯

  4、盐雾测试

  模拟海洋气候测试。

  测试仪器：盐雾试验箱（Q-Fog）

  测试方法：5%氯化钠，35℃，72h

  （二）自然老化试验

  利用自然环境条件下进行老化的一类试验，包括大气老化试验和自然储存试验。

  优点：老化条件最接近实际应用环境，可获得比较可靠的试验结果，方法简便。

  缺点：老化速度缓慢，试验周期长，不能及时满足科研与生产的需要。

  1、在不同气候区域户外测试：

  冬冷夏热地区：成都

  冬暖夏热地区：广州

  极寒地区：乌鲁木齐

  盐雾地区：海口

  酸雨地区：长沙

  全球最严苛户外曝晒地区：美国佛罗里达州（阳光充足、高温、雨水充沛）

  （三）试验结果

  五、UV户外涂料的应用

  1、产品系列：UV渗透、UV底漆、UV腻子、UV色漆、UV转印胶、UV面漆等全UV体系产品，可实现工业化高效生产；

  2、涂装工艺：UV实色工艺（单色板效果）、UV金属色工艺（金属板效果）、UV转印工艺（石材效果），具有良好的装饰性；

  UV户外涂料具有环保、高效等优点，符合绿色产业发展的趋势，同时具备优异的耐候性能，已成功在众多外墙保温装饰一体化板工程实际应用，取得了良好的经济效益和社会效益。展望未来，UV户外涂料在一体板、铝塑板、彩涂板、汽车外壳等户外涂装领域有着极大的应用前景。