慧聪涂料原料网讯：蒋培培 ，杨建军，吴庆云，张建安，吴明元，金志来
（安徽大学化学化工学院及安徽省绿色高分子材料重点实验 合肥 230039）
在水性聚氨酯的制备过程中引入UV固化技术，可以得到性能优良的水性聚氨酯材料。本文阐述了UV固化水性聚氨酯的制备过程及最新研究进展，并展望了这一领域今后的发展趋势。
关键词：UV固化；水性聚氨酯；制备；改性
0引言
传统的UV固化涂料主要由光引发剂、反应性低聚物和活性稀释剂组成，涂膜可在紫外光的照射下发生光交联反应而迅速固化。稀释剂主要作用是降低体系黏度、调节涂膜性能。而传统的UV固化涂料也有一定的缺陷，主要体现在活性稀释剂的使用上，一方面，活性稀释剂大多为丙烯酸类功能性单体，固化后体积收缩较大，影响涂层的附着力。另一方面，活性稀释剂具有一定的挥发性，对人体皮肤产生一定的危害[1]。紫外光固化水性涂料结合了紫外光固化涂料和水性涂料两者的优点。一方面，它以水代替反应性稀释剂，消除了紫外光固化涂料使用挥发性有机化合物(VOC)而导致的污染和刺激性的弊端；另一方面，也为水性涂料提供了一种新的固化手段，该体系具有如下优点[2-3]：
(1)以水为稀释剂，可解决挥发性组分的毒性和刺激性，同时可通过添加水和增稠剂来调节体系的流变性能和黏度；
(2)由于不含稀释剂单体，可以降低固化膜的收缩程度，有利于提高涂膜对底材的粘附性；
(3)在固化前即可得到无粘性干膜，可以直接进行修理、接触和堆放；
(4)多数体系可以使用通常的涂布方法，如辊涂、淋涂和喷涂，且涂布设备易于清洗；
(5)不含挥发性有机物，不易燃，生产安全，产品环保。
1UV固化聚氨酯水分散体概述
1.1UV固化的基本原理
在UV辐射下，液态UV材料中的光引发剂被激发，产生自由基或阳离子，引发材料中带不饱和双键的化合物(聚合物、低聚物和单体)发生聚合反应，交联成网状固化膜[4]。
1.2UV固化聚氨酯水分散体的分类
UV固化水性聚氨酯按其乳化类型可分为外乳化性和自乳化型，自乳化型又分为离子型和非离子型。
1.2.1外乳化型
外乳化型是利用外加乳化剂的方法，在高剪切力的作用下，将普通的可紫外光固化的聚氨酯分散于水中，得到聚氨酯乳液。然而该方法得到的乳液不太稳定，同时乳化剂的加入对涂膜的机械性能、耐水性能等方面影响较大，其性能不及本体型聚氨酯好，即使在提高交联剂用量的情况下，外乳化型聚氨酯的性能也无明显提高，现该方法一般较少采用。
1.2.2自乳化型
自乳化型UV固化水性聚氨酯是在疏水的聚氨酯主链上引入亲水基团，然后分散于水中得到的。根据引入亲水基团不同，可以分为离子型和非离子型。
(1)离子型
把离子基引入树脂骨架中，然后用反离子中和分子链上的离子，这样得到的树脂具有很好的自乳化性能。由于在水中可形成的颗粒很小，故保存时间较长，同时又具有非常好的剪切稳定性，因此它也是目前研究最多的体系。离子型可分为阴离子型和阳离子型：1阴离子型：阴离子体系主要有磺酸盐类、磷酸盐类和羧酸盐类[5-6]。o阳离子型：一般在主链中引入叔胺基团，然后季铵盐化，使其具有水溶性或水分散性[7]。
(2)非离子型
把非离子型亲水链段引入树脂(如聚已二醇)中，使树脂可以自行稳定分散在水中。由于树脂本身就具有亲水性，因而不需外加乳化剂也能稳定的分散，且体系对pH也不会很敏感。但分子链上所带的非离子亲水基团在光固化后不会消除，因此这类涂料相对于传统的光固化涂料来说固化膜的耐水和耐化学性较差。
1.3UV固化水性聚氨酯分散体的性能影响因素
1.3.1光引发剂、光照强度的影响
光引发剂是光固化体系中的关键组分，对光固化涂料的固化速度起决定作用，按照光引发剂所产生的活性中间体的不同，可将光引发剂分为自由基型和阳离子型。现在对光引发剂研究较多的是光引发剂的大分子方向[8]：一方面，将小分子引发剂连接到高分子链上，在减小其气味及迁移性的同时，引发活性也没有显著降低；另一方面，在分子链上引入多个引发剂单元，光辐照时形成多个自由基，提高了局部自由基的浓度，能有效抑制氧气的阻聚作用，有利于加速光聚合速度；此外，还可以克服由于低分子引发剂不能完全消耗而产生的涂层老化、发黄等现象[9]。杨建文等[10]阐述了光引发剂含量与固化速率的关系，得到以下结果：随着光引发剂加入量的增多，产生的自由基增加，有利于光固化反应的发生。固化时间随着光引发剂的增多先缩短，达到一个最小值后又有所延长，可见固化时间并不是随着光引发剂的增多而持续缩短，而是存在一个最佳值。BaiChenYan等[11]在研究聚硅氧烷改性UV固化水性聚氨酯时讨论了光照强度对双键转化率的影响。光照强度与双键的转化率成正比，因为光照强度的增强不仅提高了引发速率，而且削弱了氧气的阻聚作用，使得聚合速率提高，双键转化率自然也提高了。但是光照强度不能太高，因为光照强度到达一定程度后，当自由基偶合终止和歧化终止的速率高于链增长速率时，双键转化率反而降低。
1.3.2低聚物多元醇和异氰酸酯的影响
低聚物多元醇及异氰酸酯品种对UV固化水性聚氨酯物理性能的影响，应遵循聚氨酯弹性体的一般原理。
(1)多元醇对物理性能影响：ByoungUkAhna等[12]使用不同多元醇制备了一系列的UV固化水性聚氨酯。实验表明，环状结构的多元醇力学性能明显强于线性结构的多元醇，且环状结构的多元醇耐水解性能更佳。聚酯多元醇的憎水性高于聚醚多元醇，但聚酯多元醇的耐水解性能仍然比不上聚醚多元醇。
(2)异氰酸酯对物理性能影响：吕维忠[13]以IPDI/TDI、聚酯二元醇等为原料合成了脂肪族和芳香族水性聚氨酯，并对它们胶膜的性能进行了测试，研究发现脂肪族水性聚氨酯胶膜的耐光性较芳香族水性聚氨酯胶膜强。BaiChenYan[14]在研究硬段对UV固化水性聚氨酯性能的影响时，得出以下结论：使用芳香族二异氰酸酯的胶膜不仅双键转化率较使用脂肪族二异氰酸酯更高，而且固化速率较快，热稳定性、玻璃化转变温度和储能模量等性能也更有优势。
