《辐射固化》PPT课件.ppt

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1、涂料的辐射固化 木塑复合材料的辐射固化 其它复合材料电子束固化,第七章 辐射固化,第一节 涂料的辐射固化 涂料是一种用于涂装物体表面可形成保护膜的物质。,由成膜物质、颜料、溶剂和助剂四部分组成。,一、涂料的分类,（一）按涂料的形态分类 固态涂料：即粉末涂料 液态涂料：溶剂型涂料、水溶性涂料、水乳型涂（二）按涂料的光泽分类 高光型或有光型涂料、丝光型或半定型涂料、无光型或亚光型涂料（三）按涂刷部位分类 内墙涂料、外墙涂料、地坪涂料、屋顶涂料、顶棚涂料等,（四）按涂料涂层状态分类平涂涂料、砂壁状涂料、含石英砂的装饰涂料、仿石涂料等（五）按涂料的特殊性能分类建筑涂料、防腐涂料、汽车涂料、防腐涂料、防

2、锈涂料、防水涂料、保湿涂料、弹性涂料等一般过程：涂料涂布后稀释剂逐渐挥发掉，而不挥发成分固化成膜。,成膜物质,主要有油脂、天然树脂、天然高分子化合物加工产品以及合成树脂等。油脂主要是植物油如桐油、松节油。天然树脂、天然高分子化合物加工产品主要有松香及其衍生物、纤维素衍生物、氯化天然橡胶合成树脂通常由低分子化合物通过化学加工而得。,颜料,白色颜料：钛白、锌钡白（立德粉）、氧化锌黑色颜料：炭黑、氧化铁黑彩色颜料：无机和有机彩色颜料金属颜料：银粉（铝粉）、金粉（铜锌合金粉）体质颜料：填料防锈颜料,溶剂和助剂,快干溶剂:如酒精、汽油等慢干溶剂：松节油等助溶剂：难溶性物质中加入的某种物质，使在溶剂中形成

3、可溶性分子间的络合物、缔合物或复盐等，以增加物质在溶剂中的溶解度，称为助溶剂。,不含颜料的透明涂料称为清漆；含有颜料的不透明涂料称为色漆（如磁漆、调和漆、底漆）；加有大量体质颜料的稠厚浆状涂料称为腻子。无挥发性稀释剂的涂料称为无溶剂涂料；呈粉末状的称粉末涂料；以有机溶剂作为稀释剂的称溶剂型涂料；以水作为稀释剂的则称为水性涂料。,涂料成膜固化机理物理固化：（非转化性质的固化），成膜物质的分子量在物理固化前后无变化，这种膜性物再遇溶剂时会再被溶解；化学交联固化：涂料中的成膜物质分子发生化学交联反应而转化成新的膜性物，分子量增加，化学交联可以是涂料中物质间的交联，也可在常温下通过与空气中氧的作用发生

4、交联反应，固化后不易再溶解。,一些涂料的辐射固化是借助紫外光（UV）、射线、电子束（EB）超声或激光等辐射能源，在常温下引发特殊配制的各种液体组分迅速转化为固体的过程。,辐射固化是针对不饱和低聚物，所用助溶剂也带有活性基团，引发化学反应固化的辐射源是紫外线（UV）或电子束（EB）等，这一固化新技术是以光化学、辐射化学和高分子科学为基础，一般在室温下就可快速完成，优于热固化。采用辐射固化技术后，油漆、油墨通过紫外光或电子束照射在几分之一秒的时间里被迅速固化，由于没有溶剂挥发，节省了原料又减少了环境的污染。,1968年Bayer研发了第一代光固化木器涂料（UVCC），全球年增长率保持1015。欧、

5、美、日三地UVCC产量占全球UVCC市场95的份额。全球涂料市场，UVCC占其它涂料产品份额为15，预计到2015年达到30。,光固化涂料现状,我国于70年代开始研发UVCC；80年代，发展缓慢；90年代，得到快速的发展；目前UVCC的产量年增长率为4060,是全球发展最快的地区。,一、辐射固化设备（一）紫外光源（二）EB固化设备或射线 紫外光源主要是汞蒸气灯。汞蒸气灯是内部注有金属汞的密封透明的石英管，石英管可有效地透过紫外光，由钨制成的电极位于两端，当电极间通过交流电时便触发电弧，汞的蒸发和汞原子与具有足够动能的电子撞击而电离或激发，激发的汞原子可从较高的激发态向较低的激发态过渡而发出紫外

6、光子。,紫外线（Ultravioletradiation简称UV）区域，波长范围100400nm。紫外线区域根据国际照明委员会（CIE）和国际电工委员会（IEC）可分为以下波长域：UV-A：315400nm（长波）UV-B：280315nm（中波）UV-C：100280nm（短波）UV-V：390nm以上,汞蒸气灯可分为三种，即低压汞灯、中压汞灯和高压汞灯。低压汞灯主要用于医疗消毒领域。中压汞灯光谱中365nm占较大份额，因为很多光引发剂体系在此光区内都有很强的吸收，中压汞灯是油墨、涂料UV固化中使用最广泛的灯类。高压汞灯适用于照相平版印刷。紫外光源：缺点是穿透力差。,EB固化设备或射线 涂膜

7、较薄（质量厚度约50g/m2），使用低能电子加速器即可满足固化的要求。较厚涂层用高能电子加速器或射线照射。,辐射涂料固化：广义地说凡是由电磁辐射和高能粒子引发的涂料固化过程均可称之为辐射固化。辐射固化种类：紫外线（UV）固化和电子束（EB）或射线固化。如光敏漆也称光固化涂料，其涂层必须在一定波长的紫外线照射下才能固化，它属于辐射固化。,特点：固化速度快、涂膜质量高、环境污染少、能量消耗低等。紫外线固化在上光地板涂料、汽车油漆和木材清漆涂料固化上的广泛应用。,固化涂料成分：反应性预聚物（光敏树脂）活性稀释剂 光敏剂三个基本部分添加剂：填料、颜料、流平剂、促进剂等。,（1）光敏预聚物（树脂）Pre

8、polymer 种类：不饱和聚酯（应用最广）、丙烯酸改性聚氨酯、丙烯酸改性环氧树脂及胡麻油改性不饱和聚酯等。要求：保持游离基聚合反应的官能团，即含有可进行聚合的双键，带双键的齐聚物或预聚体。,（2）活性稀释剂（Solvent）各种不饱和度或官能度的单体，其作用是降低涂料粘度，使之便于涂布，并在固化时参与交联反应。品种：应用较广泛的的活性稀释剂是苯乙烯。另丙烯酸酯类：丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯等都可作为活性稀释剂。,（3）光敏剂 光敏剂（Photosensitizer）是指一系列能吸收辐射能并将辐射能量转移给光引发剂的物质，光引发剂是一类接受辐射能后自身发生化学变化，分解为自由基或阳离子，从而引发聚

9、合反应的物质。,常用的光敏剂有二苯甲酮、邻苯甲酰苯甲酸甲酯、2-异丙基硫杂蒽酮等，光敏剂的作用机理有三种：能量转移 光敏剂接受UV光能后被激发，然后发生能量转移而产生能引发聚合反应的自由基。夺氢 也叫光还原机理，经激发的光敏剂分子与含活泼氢供体之间作用而产生引发聚合反应的自由基。生成电荷转移复合物 电子供体和电子受体在UV光照射下生成激发态的电荷转移复合物，由于高度极化而在适当条件下产生自由基。,光引发剂（Photoinitiator）指吸收辐射能，经过化学变化产生具有引发聚合能力的活性中间物质，是任何UV固化体系都需要的主要成分。光引发剂分为夺氢型和裂解型。夺氢型需要和含活泼氢的化合物（一般

10、称助引发剂）相配合，通过夺氢反应形成自由基；裂解型受光激发后，分子内分解出自由基。光引发剂和光敏剂有各自不同的作用机理，光引发剂受光激发后，会发生化学变化，分子内裂解为自由基，而光敏剂要与另一化合物发生能量转移，是双分子过程，是夺氢型的而本身又是非消耗的。,举例：光敏树脂与苯乙烯之间的共聚反应也是游离基聚合反应。当用紫外或照射光敏漆时，光敏剂吸收特定波长的光能，化学键被打断，解离生成活性游离基，起引发作用，使树脂与活泼稀释剂中的活性基团产生连锁反应，迅速交联成网状体型结构而固化成膜。苯乙烯主要用于生产苯乙烯系列树脂及丁苯橡胶。,图7-1 辐射固化工序示意图,粉末涂料与压敏胶黏剂 粉末涂料：一种

11、与传统液体涂料完全不同的无溶剂涂料，辐射固化过程不会刺激皮肤和眼睛，固化后涂层表观质量好，平滑光泽，不会出现起皱、气泡等现象。压敏胶：俗称不干胶，施加轻度压力即可黏合且可反复揭贴，辐射固化的压敏胶黏过程无溶剂污染，黏度大、耐腐蚀、不易蠕变，在包装、绝缘包覆、标签、医用胶带等方面有广泛的用途。,辐射固化共同特征 通过自由基或阳离子引发聚合过程，但因辐射源不同，产生自由基或阳离子的途径也不相同，UV固化的自由基（或阳离子）来源于光引发剂（或阳离子引发剂）在UV照射下的分解；EB固化是靠加速的高能电子与预聚物及单体上的不饱和键相互作用产生自由基。碘值的概念：碘值是 100克油脂所能吸收的碘的克数。碘

12、值越大，说明油脂的不饱和程度越大。把碘值在130以上的称为干性油，100130之间的称为半干性油，碘值在100以下的称为不干性油。,应用案例一板材除尘、上底漆（腻子）处理，涂布上漆预聚物和亚麻仁油，它的结构单元含不饱和双键，碘值高，有一定自干性）氮气下辐照，获得的涂膜柔韧,板材涂料的EB固化,应用案例二 辐射固化印刷油墨用UV固化更为合适，但在防伪印刷，特别是油墨为白色、黑色或颜色较深时EB固化则更为有利。UV固化纸张表面可涂罩光清漆，其光泽度优于贴塑膜，又不会出现后者常遇到的脱层问题，常用做唱片套罩光漆的典型滚涂涂料，配方如表7-5。,应用案例三 塑料已大量应用于医疗、民用品、工业品的容器、

13、包装工业及汽车工业等方面，但塑料是热敏性材料且易被溶剂侵蚀，UV辐射固化涂料正是应用于这些材料的最佳选择，用于PVC塑料地板涂料配方表7-6。,应用案例四 金属辐射固化应用于涂装电镀钢板方面有很大发展，底漆、面漆都可以采用EB固化。表7-7中给出配方的涂料对镀铬的铝附着力极佳。,固化速度快，涂布和固化可在12s内。固化温度低，可室温固化，适用于对热敏感材料的涂饰。无溶剂型漆，无污染。,辐射固化技术6个优点：,容易实现涂饰过程自动化。投资少，生产设施占地小。涂膜性能改善，提高产品的质量和商品价值。漆膜较薄，固化完全，漆膜质量更好，可补偿或抵消涂料成本带来的问题。,涂料价格较普通油漆贵。色漆固化有

14、一定困难，需要采取特殊措施。光敏漆涂层不吸收光的部分不能固化，不适于形状复杂的制品。,辐射固化缺点,总结特征如下,“5E”原则Efficiency(高效)Energy Saving(节能)Enabling(适应性广)Economy(经济)Environmental Friendly(环境友好),影响固化反应的因素 1，涂层厚度与固化速度 2，固化环境的影响 3，温度的影响,目前应用最多的UVCC,1.UV木器涂料 UV腻子漆、UV底漆、UV面漆。2.UV纸张涂料 书刊封面、明信片、广告宣传纸、商品 外包装纸盒、纸币表面等。3.UV塑料涂料 汽车部件、光盘、信用卡等塑料基材。,4.UV金属涂料

15、适用于钢材防锈、金属标牌装饰、彩涂钢板、易拉罐加工、铝合金门窗保护等。5.UV光纤涂料6.皮革用UV涂料7.UV光盘保护涂料8.汽车工业用UV涂料,紫外固化涂料发展,优点：(1)以水为稀释剂、不燃烧、设备易 清洗(2)无毒性、刺激性、无VOC排放(3)可得到极薄的涂层，降低成本 缺点：(1)光泽度低、耐洗涤性差(2)固化前需预干燥等,1.UV水溶性涂料,2.UV粉末涂料 优点：(1)无需稀释剂(2)涂膜收缩率低，与基材附着力高(3)可形成优良的厚涂层(125m)(4)喷涂溅落的粉体可回收利用 UV粉末涂料比UV液体涂料更具技术、经济、环保优势，真正的“5E”涂料。,木塑复合材料（Wood-Pl

16、astic Composites,WPC）指在塑料基体中添加2085%的木粉和各种加工助剂，利用高速混合机混合后，用不同方法引发聚合、交联或接技反应而得到的混合材料。,第二节 木塑复合材料辐射固化,优点：兼有木材和塑料特性，与木材相比，具有不易变形、防虫蛀和真菌、抗强酸强碱、不吸收水分、不易变形、耐用、坚硬、强韧、耐久、耐磨等。符合循环经济“3R”原则：减量性（Reduce）再使用性（Reuse）再循环性（Recycle）,技术特点:将废旧塑料、废弃木材再利用；满足木制品的大量需求，如建材、舞厅、健身房、展览厅的地板材料以及高档家具、化学实验台、药橱、枪托、弓臂，高尔夫球棒、航空、航天复合材料

17、等特殊用途。,天然大径材的实木制品正在被人工林木为原料的产品（如碎料重组性板材）所取代。新产品多样化：各种贴面板 无机胶结刨花板或纤维板 阻燃、防腐、隔音等功能性人造板 物流托盘、汽车型材、装载箱壳等专用板型材。,木塑复合材料原材料 1）工业人工林木，包括疏伐材；2）传统的“少用材”、“劣等材”和逾龄经济林木；3）甘蔗渣、稻壳、麦秸、玉米秆、麻秆、烟秆、棉花秆等农作物剩余物；4）竹、藤、芦苇等纤维素-木素基速生材；5）各种废弃物，如废纸、废旧木材甚至废旧塑料等；6）其它天然纤维素-木素基物质，如棕榈叶杆、棕丝。,解决原料问题的研发热点,速生林木：如思茅松、桉木 需解决：材质疏松，易翘曲问题 经

18、济林木：如橡胶木等 需解决：树胶处理、访变色、防腐等问题 竹材：秆形、青、黄、节等引出的原料处理、原料利用率、胶合、设备等问题 麦秸：表面蜡质等引出的原料处理、胶合等问题 棉秆：去皮问题,增强：树脂增强，填充物增强 高稳定性：后处理工艺，乙酰化技术 阻燃：阻燃剂，抗流失，胶合效应影响 防腐：防腐剂，抗流失，胶合效应影响 隔音：低密度技术 物流托盘、等专用板型材：原料形态、铺装、模压技术,鸡翅木,一、木塑复合材料制备方法 的特点 木塑复合材料制备：化学法（触媒催化法）和辐射法。基本原理：有机单体、预聚物渗入木材，通过木材管孔一直浸入到空的细胞腔，然后自由基引发活性单体，预聚物聚合形成贯穿木材内空

19、隙间的高分子链。这些聚合物链还可以进一步与构成木材细胞壁的纤维素、半纤维素交联或分子间交联形成互穿网状结构，或分子链与纤维素发生接枝反应，形成长支链使木塑间联接更牢。,木塑材料辐射固化过程,操作注意事项：浸渍前一般要控制木材含水量在10%15%根据木质条件决定真空与加压程度 浸渍量的多少、浸渍均匀性 浸渍液多用 甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（St）、不饱和聚酯（UPE）等,有人使用热带硬木和St/UPE、St/AN和MMA浸渍，为了使产品不易燃烧，加了石蜡油然后用60Co 照射，获得的木塑复合材料有很好的阻燃性和自熄灭性能，机械性能无改变。,我国北方大量杨木资源，但木质地疏松，硬度、强度等

20、机械指标较低，用丙烯酰胺（AAm）浸渍液浸渍后给予60Co照射，总吸收剂量2080kGy，剂量率为8.66 kGy/h。表明杨木WPC（木塑）力学性能，如密度、硬度、横纹抗压、静曲强度、弹性模量等随剂量增加而增加，在40 kGy剂量下获得的WPC其物理特性主要指标达到或超过优质木料水曲柳的水平，为劣质木材的辐射改性研究和应用开辟了一条经济实用的途径。,第三节 其它复合材料电子束固化,复合材料：将有机高分子、无机非金属或金属等材料通过复合工艺组合而成的新兴材料。结构复合材料：作为承力结构使用的材料，由增强体组元与基体组元构成，增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须（

21、针状单晶体）、片材及颗粒；而基体包括高聚物（树脂）、金属、陶瓷、玻璃、碳素和水泥等。,复合材料井盖,功能复合材料是具有某种特殊的物理或化学特性的复合材料，这些功能包括导电、磁性、阻尼、摩擦、换能等。常用的复合材料 如玻璃钢，它是由玻璃纤维为增强体与普通树脂复合组成用于船舶、车辆、化工管道、一般建筑构件、体育用品等。高性能碳纤维、芳纶等与高耐热树脂组成的复合材料，高强度、高硬度、耐腐蚀、抗冲击和耐损伤，可用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人构件和高档体育用品等。,电子束固化工艺与照射固化类似，将所用单体树脂（如环氧树脂）、改性剂（如增塑剂）和催化剂（如耦合剂）溶于溶剂中，浓度控制在2

22、0%25%之间，然后用预浸机将配料制成纤维预浸料，预浸料中树脂含量为30%5%。将预浸料在室温下晾干后剪裁、辅贴、组合、预成型后进行电子束辐射固化。,辐照加速器,EB固化的特点是可在较低温度下进行的，不需高温高压，成本较低、固化时间短，固化效率是热固化效率的20倍，而且EB固化可连续操作，加工量和给出的电子束剂量可以调节。碳和石墨纤维非常适合于EB固化，因为它们对EB辐射非常稳定，而且是很好的导体，辐照后较大体积加工件中不会残留电荷，不会引起放电现象，固化过程很少有热效应等。,聚四氟乙烯（PTFE）粉状，粒径为0.25m，制成水悬浮液（浓度为60%），再将平均直径为9m碳纤维共同浸渍，150真空干燥24h，然后在3MPa压力下350烧结10min冷却至室温，EB辐照500kGy。发现EB固化碳纤维交联聚合物在抗弯、抗摩擦等性能上优于其它产品，由于碳纤维强化的复合材料具有高强度、高硬度、抗腐蚀、抗弯曲，具有很好的耐候性和抗磨性，EB固化碳纤维适于大规模生产。,EB固化复合材料实例,EB固化处理的碳纤维-环氧树脂层合板的拉伸与压缩强度可以和钢铁相比，疲劳强度比金属铝还强，而其密度只有钢铁的20%。这样强度的材料可作为结构材料用于航天领域。,