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科普紫外線(xiàn)光固化技術(shù)(UV機(jī))基礎(chǔ)知識(shí)

時(shí)間:2017-08-29 13:40來(lái)源:未知點(diǎn)擊:

一、概述:

UV(紫外光)固化是輻射固化的一類(lèi),輻射固化是利用電磁輻射,如紫外線(xiàn)(UV)或電子束(EB)照射涂層,產(chǎn)生輻射聚合、輻射交聯(lián)和輻射接技等反應(yīng)。迅速將低分子量物質(zhì)轉(zhuǎn)變成高分子量產(chǎn)物的化學(xué)過(guò)程,固化是直接在不加熱的底材上進(jìn)行的,體系中不含溶劑或含極少量溶劑,輻照后液膜幾乎100%固化,因而VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)排放量很低。因此,自60年代末以來(lái),這一技術(shù)在國(guó)際上得到飛速發(fā)展,其產(chǎn)品在許多行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。

1、分類(lèi):

輻射固化按應(yīng)用可分為輻射固化膠粘劑、輻射固化涂料、輻射固化油墨。按所用的輻射源可分為紫外(UV)光固化機(jī)、電子束(EB)固化、可見(jiàn)光固化。

2、紫外光基本知識(shí):

紫外線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)UV)是屬于電磁波輻射的一段,電磁波譜包括無(wú)線(xiàn)電波、紅處線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn),波長(zhǎng)范圍從10-14米至106米,如圖3所示。紫外線(xiàn)只其中很窄的一段,波長(zhǎng)范圍為10~400nm(nm:納米,1nm=10-9 m)可劃分為長(zhǎng)波紫外線(xiàn)(UVA)、中波紫外(UVB)、短波紫外線(xiàn)(UVC)、超短波紫外線(xiàn)。波長(zhǎng)越短,能量越強(qiáng),穿透能力越弱。
長(zhǎng)波UVA,波長(zhǎng)介于320~400nm,具有較強(qiáng)的穿透能力,能穿透玻璃,這一波段的紫外線(xiàn)能量與多數(shù)化學(xué)鍵能相當(dāng),容易引光化學(xué)反應(yīng),通常用于光固化機(jī)的即是UVA。固化uv膠以365nm最佳。          
中波UVB,波長(zhǎng)介于280~320,穿透力較弱,玻璃對(duì)它有強(qiáng)烈的吸收。太陽(yáng)光中含有豐富的UVA和UVB。
短波UVC,波長(zhǎng)介于200~280nm,臭氧層對(duì)它有強(qiáng)烈的吸收,所以太陽(yáng)光中UVC在到地面之前就被臭氧層吸收了,UVC對(duì)生物體就很強(qiáng)的破壞作用,可殺死細(xì)菌、病毒,因此常用于消毒。
紫外線(xiàn)會(huì)損害皮膚和眼睛,UVA會(huì)使皮膚變黑、松馳、皺紋;UVB會(huì)產(chǎn)生急性皮炎(即曬傷)等癥,皮膚會(huì)變紅、發(fā)痛,長(zhǎng)期照射還容易導(dǎo)致皮膚癌變,因此在進(jìn)行光固化作業(yè)時(shí),應(yīng)注意防護(hù):
(1)、固化機(jī)應(yīng)有適當(dāng)屏敝裝備,紫外光不易透出;
(2)、適當(dāng)?shù)膫(gè)人防護(hù),穿長(zhǎng)袖衣服、布工作手套,戴防紫外線(xiàn)眼鏡、面罩,不要直視燈具。
(3)、注意環(huán)境通風(fēng),以防臭氧積聚。
一般而言,也不必太過(guò)擔(dān)心,因設(shè)備制造商在設(shè)計(jì)時(shí)一般都把保護(hù)裝備考慮在內(nèi),只要按規(guī)定操作沒(méi)事的。

3、 輻射固化的特點(diǎn):

輻射固化的優(yōu)點(diǎn):
(1)無(wú)需混合的單組分體系,使用方便;
(2)固化速度快,幾秒至幾十秒即可完成固化,有利于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn),提高勞動(dòng)生產(chǎn)率;
(3)固化溫度低,節(jié)省能源,室溫即可固化,可用于不宜高溫固化的材料,紫外光固化所消耗的能量與熱固化樹(shù)脂相比可節(jié)約能耗~90%;
(4)無(wú)污染,可采用低揮發(fā)性單體和齊聚物,不使用溶劑,100%固化,故基本上無(wú)大氣污染,也沒(méi)有廢水污染問(wèn)題;
(5)性能優(yōu)良,耐磨、抗溶劑、搞沖擊、強(qiáng)度高。

輻射固化的缺點(diǎn):

(1)設(shè)備投資較大,特別是電子束固化設(shè)備,輻射固化膠粘劑的價(jià)格高于常規(guī)膠粘劑的價(jià)格,這都分可由能耗低,生產(chǎn)效率高得到補(bǔ)償;
(2)由于紫外光穿透力較弱,固化深度有限,因而可固化產(chǎn)品的幾何形狀受到限制,不透光的部位及紫外光照射不到的死角不易固化;
(3)紫外光能產(chǎn)生臭氧,需要排風(fēng)系統(tǒng)。
 

二、固化機(jī)理:

UV光固化體系分為自由基體系和陽(yáng)離子體系,兩者固化機(jī)理成分都有所不同。自由基體系是由光引發(fā)劑受UV照射激發(fā)產(chǎn)生自由基,引發(fā)單體和預(yù)聚物聚合交聯(lián);陽(yáng)離子體系是由陽(yáng)離子光引發(fā)劑受輻射產(chǎn)生強(qiáng)質(zhì)子酸,催化加成聚合,使樹(shù)脂固化,下面以自由基體系為例說(shuō)明:
UV自由基固化經(jīng)過(guò)以下步驟:
(1)自由基光引發(fā)劑受到UV照射后,激發(fā)分解產(chǎn)生自由基:
(2)鏈引發(fā):引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基引發(fā)樹(shù)脂和單體分子的不飽和雙鍵產(chǎn)生新的自由基。
(3)鏈增長(zhǎng):由樹(shù)脂和單體產(chǎn)生的自由基可以繼續(xù)引發(fā)樹(shù)脂和單體分子中的不飽和雙鍵產(chǎn)生自由基,進(jìn)行自由基連鎖反應(yīng)。
(4)鏈終止:化學(xué)反應(yīng)中,由于自由基含有未偶化電子,非常活潑,極易傾向于基他自由基偶合或發(fā)生酸化作用,使鏈反應(yīng)終止。
上述反應(yīng)結(jié)果,生成高分子化合物,使膠液轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。
 

三、紫外光固化膠的組成

1、預(yù)聚物
預(yù)聚物是UV光固化膠的骨架,它是具有反應(yīng)活性的低分子聚合物,預(yù)聚物的主要功能是提供膠層的關(guān)鍵性能,例如:粘度、抗張強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、硬度和柔順性等。在光固化自由基體系中使用的預(yù)聚物是一些含雙鍵的不飽和聚合物,主要有:聚丙烯酸酯、環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、不飽和聚酯、聚烯烴/硫醇等,其中環(huán)氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯反應(yīng)活性高、原料豐富、品種多、價(jià)格適中,所以用量最多。
2、 單體
輻射固化組分中單體又叫活性稀釋劑,其主要作用是調(diào)節(jié)粘度和參加聚合反應(yīng)。單體按官能度的多少可分為單官能單體、二官能單體及多官能單體,單官能單體固化生成線(xiàn)型聚合物,它有利于提高膠層的柔韌性和附著;二官能和多官能單體不僅起反應(yīng)性稀釋劑的作用,而且起交聯(lián)劑的作用,它們對(duì)膠層的硬度、韌性和強(qiáng)度有重要影響。增加單體的官能度可加速固化過(guò)程,為適應(yīng)生產(chǎn)具有良好性能的粘合劑,常使用單官能、二官能和多官能的混合物。
自由基固化體系所用的單體主要有于(甲基)丙烯酸酯類(lèi)、乙烯基類(lèi)和乙烯基醚類(lèi)等,如苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸異辛酯、丙烯酸異冰片酯、二縮三丙二醇二丙烯酸酯、已二醇二丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯等。應(yīng)用這些單體除了考慮粘合的性能,成本等因素外,還要考慮刺激性和毒性,一些刺激性和毒性較大的品種逐漸被淘汰,更多刺激性和毒性低的品種被開(kāi)發(fā)出來(lái)并用于工業(yè)生產(chǎn)。
陽(yáng)離子固化體系所用的預(yù)聚物和單體與環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑相類(lèi)似。
3、 光引發(fā)劑
光引發(fā)劑是任何UV固化體系都需要的主要組分之一,對(duì)UV固化體系的靈敏度(固化速率)起決定作用。光引發(fā)劑有自由基光引發(fā)劑和陽(yáng)離子光引發(fā)劑,分別應(yīng)用于自由基體系和陽(yáng)離子體系。自由基引發(fā)劑常用的有羰基化合物、偶氮化合物、有機(jī)硫化物、氧化還原物質(zhì)、鹵素化合物、有機(jī)金屬化合物、增咸染料等。應(yīng)用較廣泛且效果較好的是羰基化合物,主要有聯(lián)苯甲酰、二苯甲酮、安息香及其醚化合物如安息香乙醚、安息香丁醚等。
陽(yáng)離子光引發(fā)劑品種少且價(jià)格高,所以一直以來(lái)陽(yáng)離子固化體系發(fā)展緩慢,所占的份額低。目前應(yīng)用的種類(lèi)有二芳基碘鹽,三芳基硫鹽和芳茂鐵鹽等。
與自由基光固化體系相比,陽(yáng)離子光固化體系具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)固化時(shí)體積收縮小,附著力強(qiáng);
(2)不被氧氣所阻聚,在空氣氛圍中可獲得快速而完全的固化;
(3)固化反應(yīng)不易終止,適用于厚膜和色漆的固化。
表1列出了陽(yáng)離子固化體系與自由基固化體系的簡(jiǎn)單對(duì)比。
 

表1 陽(yáng)離子固化與自由基固化體系的比較

指   標(biāo)

自由基固化體系

陽(yáng)離子固化體系

樹(shù) 脂

丙烯酸酯樹(shù)脂、不飽和樹(shù)脂、聚酯、聚烯烴/硫醇等

環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基醚樹(shù)脂

單 體

丙烯酸酯、乙烯基化合物等

脂環(huán)族環(huán)氧化合物、乙烯基醚(VE)

引發(fā)劑

自由基

陽(yáng)離子(超強(qiáng)酸)

固化速度

對(duì)EP:中等;對(duì)VE:快

后固化

可忽略

強(qiáng)

對(duì)氧的敏感性

強(qiáng)

無(wú)

對(duì)堿的敏感性

無(wú)

強(qiáng)

對(duì)潮氣的敏感性

無(wú)

強(qiáng)

氣 味

價(jià) 格

固化膜特性

收縮率高,附著力差

收縮率低,附著力好

 
總之,盡管由于開(kāi)發(fā)時(shí)間短,以及價(jià)格等因素,陽(yáng)離子光引發(fā)體系目前僅占整個(gè)UV固化市場(chǎng)約5%,但鑒于上述較之自由基固化體系的優(yōu)點(diǎn),將是一類(lèi)大有前途的光引發(fā)體系。由于基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)的時(shí)間較短,因此尚有很多不夠完善的地方。例如,研究出能夠更多地吸收UV,或吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的陽(yáng)離子引發(fā)劑使之免受顏料的影響,這可能就是今后在該領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。
4、其它助劑
其它助劑有穩(wěn)定劑、附著力增強(qiáng)劑、顏料色素、觸變劑等,種類(lèi)和要求大體上與一般丙烯酸粘合劑相同。唯獨(dú)顏料和色素的使用需注意對(duì)紫外線(xiàn)的吸收和散射,可能會(huì)影響固化速度和固化深度。
 
四、固化裝置
用于UV膠固化的輻射裝置通稱(chēng)光固化機(jī),可分為履帶式、箱式、點(diǎn)光源系列。它的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,主要由光源、反射器、冷卻系統(tǒng)(風(fēng)冷或水冷)和傳動(dòng)裝置(傳送帶)組成。
紫外線(xiàn)由紫外燈產(chǎn)生,常用的紫外燈源有低壓汞燈、中壓汞燈、高壓汞燈氙燈、金屬鹵化物燈以及最新式的無(wú)極燈。其中中壓汞燈相對(duì)便宜、易于安裝和維護(hù),且在此340~380nm范圍波長(zhǎng)的強(qiáng)烈輻射峰,正好落在許多光引發(fā)體系的吸收譜。因此中壓汞燈獲得廣泛的應(yīng)用。
 

五、紫外光固化膠粘劑的應(yīng)用

自1960年,國(guó)外報(bào)道了UV光固化膠粘劑以來(lái),人們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究.并取得了令人矚目的成就。如今UV膠已在許多工業(yè)裝配領(lǐng)域成功應(yīng)用,尤其是需要快速裝配的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,例如LCD制造業(yè)、照相機(jī)等光學(xué)產(chǎn)品制造業(yè)、光盤(pán)制造業(yè)(CD、VCD、DVD、DVD一R)、手表制造業(yè)、蜂鳴器、手機(jī)按鍵的裝配、電子線(xiàn)路板的制造、偏光部件的制造等光電信息產(chǎn)業(yè)的電子部件制造。在日用品領(lǐng)域,例如玻璃家具的制造、玻璃工藝品的組裝、玩具、珠寶等裝飾品的組裝上也普遍使用UV膠。甚至傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)也在大量使用UV膠進(jìn)行裝配,例如磁電機(jī)的裝配?色@得快速、高效的生產(chǎn)效率。
隨著科技人員不斷的研究進(jìn)取,UV膠的一些缺點(diǎn)得到了克服,應(yīng)用領(lǐng)域得到擴(kuò)展。例如,應(yīng)用新型的光引發(fā)劑可使固化波長(zhǎng)向可見(jiàn)光方向擴(kuò)展,可用可見(jiàn)光固化;應(yīng)用高效的光引發(fā)劑可用于有色或含填料體系的粘接,可在透光率低至0.01~20%的基體之間的粘合。又如,將UV固化技術(shù)和厭氧固化、熱固化技術(shù)相結(jié)合制造出雙重固化的產(chǎn)品,它不僅能對(duì)透光部分進(jìn)行光固化,非透光部分也可進(jìn)行厭氧或熱固化。

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