摘 要：水性UV 固化技術是UV 固化技術領域的一個新的重要分支，已在木器涂裝和印刷領域得到應用，本文闡述了實踐中需要注意的4 個問題，有助于改善該技術的應用效果。

        關鍵詞：水性UV；光固化；光引發劑

0 前言
        據統計，我國涂料企業每年向大氣中排放約200 萬噸的有機物，對環境帶來嚴重影響，發達國家注意到其改變的必要性，已大力研究并開始使用低排放涂料技術，其中于20 世紀70 年代末興起，90 年代達到成熟應用的UV 固化技術是這一領域里一直保持較快增長速度的環保技術之一，全球年平均增長率7 %以上，在發展中國家如中國年增長率超過20 %以上^[1]。普通UV 涂料中的預聚物黏度一般都很大，需加入活性稀釋劑稀釋，而目前用的稀釋劑（丙烯酸酯類化合物）具有不同程度的皮膚刺激性和毒性，同時許多反應性稀釋單體在紫外光輻射過程中還存在反應不完全的問題，殘留單體具有可滲透性，易帶來衛生安全隱患，并影響固化膜的長期性能穩定。水性UV 涂料以水作為稀釋劑，結合了水性涂料與UV 涂料的特點，具有極易調節的低黏度和極低的有機揮發物（VOC）含量；水是最廉價的溶劑，適應各種涂布方式，與丙烯酸酯單體稀釋劑相比，水完全無毒、不燃，避免了因丙烯酸酯單體在聚合過程中發生的體積收縮所帶來的膜附著力下降。水性UV 涂料是目前UV固化技術領域的一個新的重要分支，并在木器涂料領域獲得良好應用。其發展大概經歷3 個階段：

        第一代技術為添加乳化劑的外乳化型，并不太穩定，固化膜的性能也欠佳；

        第二代為非離子乳化樹脂，產品穩定型，但聚醚等親水基團的加入，也降低了固化膜的耐水性；

        第三代為離子型乳化樹脂，產品性能穩定�，F在的研究多集中于各品種型號乳化樹脂的研究，以平衡成本和性能。在有利于配方的基礎上，上述各型樹脂之間也可以混合使用，包括水性涂料技術和UV 固化技術中使用的助劑也可以直接使用，只要不妨礙配方穩定性。

        必須認識到的是水性涂料的缺點也隨之而來：干燥水分的能耗較大，水對鐵等金屬基材有腐蝕性，乳液穩定性比溶液差很多，pH 值和溫度對穩定性也有較大影響，對存放和使用條件有相應要求。

        水性UV 涂料主要是由預聚物（水基光固化樹脂）、光引發劑、顏料、水、助溶劑和其他添加劑等配制而成。其干燥固化結合了水性涂料滲透蒸發和UV 光固化兩種干燥固化過程：水和助溶劑的預揮發干燥和紫外光輻射固化。

1.1 預揮發干燥

        預干燥是將水和助溶劑等非固化可揮發成分移出膜體系的過程，且必不可少。在水性UV 涂料的制造過程中，水基光固化樹脂通過添加一種堿(往往是有機胺)或者酸使其變成羧酸鹽或銨鹽才能溶于水，其中通過加胺類物質使其成鹽的反應可表示為：R-COOH+NR3→R-COO--HN++R3（水溶性）；反過來，在預干燥過程中將有機胺和水分移出后，鹽又成為水不溶的酸且成膜。

1.2 光固化成交聯膜

        水性UV 固化材料的固化是指在紫外光的照射下，預聚物發生自由基聚合、交聯反應，在很短的時間內固化成三維的網狀高分子聚合物，液態的組分轉變為固體聚合物，成為硬化膜。

2.1 樹脂

        水性UV 固化樹脂就是將現有UV 樹脂中加入可乳化基團^[2]，簡單地說就是樹脂分子中既有可進行自由基光固化的不飽和基團如丙烯酸酯，又有可在水中乳化或相容的基團，而樹脂主體可以是聚酯、聚氨酯、環氧樹脂、聚丙烯酸酯等類型。雙鍵類型及其含量是影響固化速度和交聯密度的決定因素。各種雙鍵官能團的反應活性一般按以下順序升高：乙烯基醚<烯丙基<甲基丙烯�；�<丙烯�；�。因此一般以引入丙烯�；鶠橹�，使樹脂具有較快的固化速度。不同結構的樹脂主鏈也對固化速度和成膜性能具有不同影響，這與UV 固化技術的普遍規律一致。

        值得一提的是可乳化單體，如乙氧基化（15）三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（15EO-TMPTA）具有良好的水油平衡性能，能有效提高水性UV 配方的穩定性，提高固化速度和成膜交聯密度，是較好的交聯劑組分。

2.2 顏料

        在有色配方中，顏料與光引發劑競爭吸收紫外光，這將會影響光引發劑對于光的利用率，并進而影響能夠生成的自由基的濃度，降低自由基引發速度和交聯固化速度。不同顏料對不同波長的光線有不同的吸收率和透過率，顏料的吸收率越小，光透過率越大，對光能的損失越少。炭黑的紫外線吸收能力較高，固化得最慢，白色顏料反光性強，也妨礙了固化。一般而言，對紫外光的吸收順序為：黑色>紫色>藍色>青色>綠色>黃色>紅色。當顏料的用量過大時，漆膜表層的固化受到的影響不大，但是深層得到的光能量很少，漆膜深層的固化受到較大影響，易產生“皺皮”現象，并難以附著。

        特別需要注意的是顏料在水性體系中的潤濕分散性不同于油性體系，因此，選擇顏料的型號和相應的潤濕分散劑是配制水性UV 涂料的關鍵點之一，這方面水性涂料積累的經驗更具有參考價值。

2.3 光引發劑

        光引發劑的作用是在其吸收紫外光能后處于激發態，不穩定的激發態產生自由基，從而引發不飽和C=C 鍵聚合，使體系交聯固化成一整體。根據光源發射的主波長和顏料(涂料配方)的最大透過的波長窗口區，選擇有效吸光波長符合上述范圍的光引發劑，將會產生最有效的能量利用效率和最佳固化速率。

        光引發劑必須具有與水性UV 固化體系一定的相容性和低的水蒸氣揮發度，以使光引發劑得以保留。否則，在干燥的過程中，光引發劑會隨著水蒸氣一起揮發掉，降低固化效率，如1173 的相對分子質量較小，容易揮發，不適合在水性UV 涂料配方中使用。具有不同的吸收波長的光引發劑，他們的配合使用可以充分吸收汞燈發射的各種波長的紫外線，提高紫外光輻射能量的利用率，提高漆膜的固化速率。配方中復合光引發劑的含量要適量，過低含量不利于同顏料的吸收競爭甚至不能足夠克服氧阻聚效應，不能產生足夠自由基，交聯度不足，直觀表現為漆膜發粘；過高含量時，光引發劑自身產生光過濾作用，光線不能順利地進入涂層內部，不利于深層固化，過多非固化游離分子也會使固化膜性能降低。

        關于光引發劑的溶解性，膠束相容原理是水性UV 涂料配制的基礎之一，例如光引發劑184、2959、907 等都可以膠束相容的形式穩定在有機相中，而不是溶解于水相。在光引發劑分子中加入水溶性聚醚基團、水溶性陽離子、陰離子端是提高光引發劑在配方中相容性的好辦法^[3]，但水溶性光引發劑的制造有一定難度，增加了使用成本，要視產品附加值和配方形式選擇。另外，將光引發劑連接到樹脂側鏈也是改善光引發劑使用效果的優選方式，這兩方面都有大量的學術研究報道。

2.4 預干燥

        光固化前的預干燥程度對固化膜性能的影響很大，干燥不完全時，減緩光固化速度，這是因為，盡管水對抑制氧的阻聚作用有一定的效果，但是這只能使墨膜表面迅速固化，即只是表干，而不能達到實干，由于膜內含有的水難以逸出，使固化膜難以成為均勻、連續相，表現為發白不透明。水的存在，使膜溫度較低，不利于提高凝膠轉化率，膜附著性不好。所以配方水含量的控制不只是配方穩定性的要求，還要考慮烘干效率

3 市場與展望
        從材料研究到配方和應用研究，歐洲市場走在了前面，水性UV 產品也在木器涂裝領域得到應用和認可，在紙張和塑料上的應用還不夠普及，印刷方面，Nazdar涂料公司和色麗可公司的水性UV 涂料早已進入中國印刷市場，但使用量還是比較少。隨著用戶對環保的要求越來越高，水性UV 涂料將是UV 領域未來的一個發展熱點，在木器涂裝、食品包裝印刷領域大有作為。

        [1] 施文芳. 我國輻射固化產業發展現狀淺析[C]. 中國感光學會輻射固化專業委員會：第十三屆中國輻射固化年會，貴陽：2012.

        [2] 韓仕甸，金養智. UV 固化水性樹脂的研究進展[J]. 信息記錄材料，2001，2(2)：31.

        [3] 林毅清，王金娣，祁國珍.新型水性硫雜蒽酮光引發劑的合成及性能[J].應用化學1999，（5）：25-28.