УФ-отверждаемые лакокрасочные материалы. Преимущества

УФ-излучение используют главным образом при получении покрытий из материалов, способных отверждаться за счёт реакции полимеризации. Принцип отверждения основан на способности УФ-лучей инициировать реакцию полимеризации олигомерных материалов определённой химической структуры.

Что такое УФ-отверждаемые ЛКМ и как они работают

Способ отверждения лакокрасочных материалов (ЛКМ) УФ-излучением получил промышленное развитие в конце 1960-х гг. и в настоящее время считается одним из наиболее перспективных. К его достоинствам относятся относительно высокая производительность, малые затраты энергии, несложное оборудование. Однако отверждаться под действием УФ-излучения способно лишь ограниченное число ЛКМ.

УФ-излучение используют главным образом при получении покрытий из материалов, способных отверждаться за счёт реакции полимеризации. Принцип отверждения основан на способности УФ-лучей инициировать реакцию полимеризации олигомерных материалов определённой химической структуры. Энергия УФ-излучения достаточно высока – 3,1–12,4 эВ, что в 2–4 раза выше энергии лучей видимого света. Энергия двойной связи С=С составляет 6,3 эВ, и это позволяет проводить отверждение покрытий с удовлетворительной скоростью при нормальной температуре. Сам механизм подробно разобран в статье УФ-полимеризация.

Зоны УФ-спектра по DIN 5031

Согласно DIN 5031, УФ-область спектра разделяется на следующие участки:

Стадии фотополимеризации

Процесс полимеризации можно разделить на стадии инициирования, развития и завершения. На стадии инициирования в результате химического распада фотоинициатора под действием УФ-излучения образуются реакционноспособные частицы (свободные радикалы). В частности, распад бензоина и его производных приводит к образованию свободных радикалов, реагирующих с С=С-связями.

Преимущества УФ-отверждения

С экологической точки зрения важным преимуществом УФ-отверждения является то, что в этом случае используются только реакционноспособные 100 %-ные вещества и поэтому не возникают проблемы, связанные с регенерацией растворителя. Потребляемая энергия невелика. Отверждение происходит при комнатной температуре, поэтому можно отверждать ЛКМ на подложках, чувствительных к высоким температурам. Но наиболее важным преимуществом этого метода является экономический фактор. Отверждение происходит с высокой скоростью, управление установками относительно простое, для выполнения работ требуются минимальные рабочие площади и минимум людских ресурсов. Несомненным преимуществом является и то, что конечные продукты имеют высокое качество.

Факторы, влияющие на качество покрытия

Факторами, влияющими на качество покрытий УФ-отверждения, являются: рецептура ЛКМ, толщина плёнки, окрашиваемая поверхность, скорость линии (доза излучения), атмосфера, тип УФ-лампы, расстояния между лампами и от лампы до подложки. Традиционная рецептура ЛКМ УФ-отверждения включает смолу, реактивный разбавитель, фотоинициатор, синергетик, добавки, наполнители и пигменты. Тип плёнкообразователя определяет защитные и физико-механические свойства покрытий, а также реакционную способность.

Состав УФ-отверждаемого ЛКМ

Плёнкообразователь (смола). К плёнкообразователям, способным отверждаться под действием УФ-излучения, относятся эпоксиакрилаты, эпоксиэфиракрилаты, полиэфиракрилаты, ненасыщенные полиэфиры, уретанакрилаты, уретанакрилаты двойного отверждения. Тип плёнкообразователя определяет защитные и физико-механические свойства покрытия.

Активный разбавитель – компонент, участвующий в образовании плёнки при полимеризации, влияет на вязкость исходного ЛКМ. В качестве активных разбавителей используют:

• моноакрилаты – гидроксиэтиленметакрилат, изоборнилакрилат, феноксиэтилакрилат;
• диакрилаты – бутандиолдиакрилат, дипропиленгликольдиакрилат, неопентилгликольдиакрилат, трипропиленгликольдиакрилат;
• триакрилаты – триметилпропантриакрилат, глицеринтриакрилат, пентаэритритакрилат.

С увеличением функциональности активных разбавителей от одного до трёх возрастает их реакционная способность, увеличивается твёрдость образующегося покрытия, но при этом снижается его эластичность.

Фотоинициатор определяет реакционную способность ЛКМ и необходимую дозу УФ-излучения. Инициаторы УФ-отверждения представляют собой соединения, которые за счёт поглощения УФ-излучения переходят в возбуждённое состояние с последующим внутримолекулярным распадом, приводящим к образованию радикалов. УФ-сенсибилизаторы – соединения, которые, поглощая энергию, передают её другим молекулам, образующим радикалы. Большинство УФ-инициаторов содержат группу бензоила, различные заместители которой определяют длину волны максимальной абсорбции, активность, выход радикалов и оптимальную область применения.

• Бензофенон и его алкилпроизводные – простейшие инициаторы, при взаимодействии с донорами водорода образуют радикалы;
• бензоиновые эфиры – давно известные; при расщеплении образуют два очень активных радикала;
• моно- и дибензоилфосфиноксиды – наиболее современные, с высокой реакционной способностью и хорошей стабильностью; абсорбируют в длинноволновой УФ-области и рекомендуются для пигментированных ЛКМ.

Выход радикалов и максимальная абсорбция – решающие факторы при выборе типа и количества инициатора. Добавки улучшают смачивание подложки, растекаемость, пеногашение и блеск покрытия. О роли красящих компонентов – в статье пигменты в УФ-отверждаемых покрытиях.

Источники УФ-излучения для отверждения ЛКМ

В качестве источника УФ-излучения используют микроволновые безэлектродные УФ-излучатели, ртутные лампы низкого давления и ртутные излучатели высокого давления. Ртутный излучатель высокого давления имитирует характерный спектр с основными линиями λ = 254, 302, 313, 405 и 456 нм. Излучение в этой волновой области обладает высокой энергией, достаточной для расщепления фотоинициатора и инициирования радикальной полимеризации.

Мощность излучения не может характеризовать интенсивность и энергетическую плотность попадающего на отверждаемую плёнку УФ-излучения, так как необходимо также принимать во внимание геометрию рефлектора и силу фокусировки, расстояние от излучателя до подложки, а также атмосферу, в которой происходит отверждение. О типах источников – в статьях искусственные источники УФ-А и УФ-краски: радикальные и катионные.

Современный тренд – светодиодные (LED) источники. Ртутные лампы всё чаще заменяют светодиодами на 365/395/405 нм: без ртути, почти без нагрева, с мгновенным выходом на режим и большим ресурсом, а вся энергия сосредоточена в нужной полосе. Как связаны длина волны и материал, разобрано в статье 365, 395 и 405 нм.

Рефлекторы

Для фокусировки УФ-излучения на подложке применяют рефлекторы, которые собирают УФ-излучение в пучок или отражают. В основном используют два типа рефлекторов. Самым сильным является эллиптический рефлектор, создающий фокальную линию, на которой находится максимум УФ-излучения; расстояние до окрашенной подложки должно быть точно установлено. В параболическом рефлекторе излучение отражается параллельно, и фокальной линии не образуется.

Атмосфера отверждения

На скорость отверждения также влияет состав атмосферы, в которой происходит отверждение. Коротковолновое УФ-С-излучение, обладающее наиболее высокой энергией абсорбции, интенсивно поглощается кислородом воздуха (λ < 200 нм). При снижении количества кислорода в зоне отверждения за счёт введения азота или углекислого газа скорость отверждения возрастает. УФ-отверждение в атмосфере инертного газа позволяет существенно снизить содержание фотоинициатора, уменьшить количество продуктов расщепления фотоинициаторов, отказаться от добавления аминных синергетиков (что уменьшает пожелтение покрытия), не использовать высокофункциональные мономеры, снизить мощность и дозу УФ-облучения.

Ограничения технологии

В настоящее время лаки УФ-отверждения применяют главным образом для окраски плоских поверхностей, что во многом связано с ограниченными возможностями используемого оборудования. Применение УФ-лаков для окраски объёмных изделий до недавнего времени сдерживалось из-за отсутствия или дороговизны ламп с высокой удельной мощностью и конструкцией отражателей, рассчитанных в первую очередь на отверждение плоских изделий. Препятствием для применения УФ-технологий является наличие теневых, недоступных для лучей УФ-лампы участков на изделиях.

Материалы двойного отверждения

Особый интерес представляют материалы двойного отверждения, в которых пространственно сшитые структуры образуются по двум механизмам: уретанообразования и радикальной полимеризации при УФ-отверждении. Их преимущество состоит в том, что, с одной стороны, обеспечивается возможность недорого и эффективно управлять процессом, а с другой – покрытие химически отверждается на участках поверхности, скрытых от воздействия излучения. Разработка таких ЛКМ, отверждаемых в течение нескольких секунд под действием УФ-излучения и в течение нескольких часов в затенённых зонах за счёт взаимодействия с отвердителем, значительно расширила возможности применения УФ-технологий.

Двойное отверждение применяют в случае сочетания двух химически различающихся механизмов сшивания. Системы двойного отверждения обычно сшиваются сначала с помощью УФ-излучения за счёт радикальной полимеризации, а затем – за счёт реакции изоцианатных и гидроксильных групп с образованием уретана.

Исследование физико-механических свойств покрытий на основе лаков двойного отверждения, их защитных и диэлектрических характеристик (удельное объёмное и поверхностное сопротивление, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь) позволило рекомендовать эти материалы для защиты от влаги печатных плат.

Где применяются УФ-отверждаемые ЛКМ

УФ-отверждаемые материалы и продукция «Спектр»

«Спектр» разрабатывает и производит УФ-отверждаемые материалы того же класса – УФ-полимеры, клеи, смолы и гели, отверждаемые под ультрафиолетом, и предлагает УФ-лампы к ним. Один из прикладных примеров такого ЛКМ – локальный ремонт лакокрасочного покрытия автомобиля УФ-полимерами F-900 и F-200: скол заполняют составом и отверждают лампой 395 нм за секунды, без перекраса детали и без сушильной камеры – ровно те преимущества УФ-отверждения, о которых сказано выше. По подбору материала и режима засветки под конкретную задачу консультируют технические специалисты «Спектр».

Часто задаваемые вопросы

Что такое УФ-отверждаемые ЛКМ?
Это лаки и краски, которые отверждаются не испарением растворителя, а фотополимеризацией под ультрафиолетом: фотоинициатор под УФ распадается на радикалы, и олигомеры сшиваются в твёрдую плёнку за секунды.

В чём главные преимущества УФ-отверждения?
Скорость (секунды), почти 100 % сухого остатка без растворителей, отверждение при комнатной температуре (подходит для термочувствительных подложек), низкие энергозатраты, малые площади и высокое качество покрытия.

Какие есть ограничения?
Отверждается лишь ограниченное число ЛКМ; технология лучше работает на плоских поверхностях, а теневые (недоступные лучу) участки не отверждаются. Проблему решают материалы двойного отверждения (УФ + химическая реакция).

Что такое двойное отверждение?
Система сшивается сначала под УФ за счёт радикальной полимеризации, а затем – за счёт реакции изоцианатных и гидроксильных групп с образованием уретана. Так отверждаются и затенённые зоны; применяют, например, для влагозащиты печатных плат.

Почему для отверждения ЛКМ переходят на светодиоды?
LED-источники 365/395/405 нм не содержат ртути, почти не греются, мгновенно выходят на режим, служат дольше и имеют высокий КПД в нужной полосе.

Какие фотоинициаторы используют в УФ-ЛКМ?
Бензофенон и его производные, бензоиновые эфиры, а также современные моно- и дибензоилфосфиноксиды – последние особенно хороши для пигментированных составов, так как поглощают в длинноволновой УФ-области.

Обращайтесь, если необходима помощь с выбором УФ-отверждаемых материалов и УФ-ламп – детально проконсультируем по возникшим вопросам.

E-mail: market@nipg.ru
Тел.: +7 (831) 414-01-71, 8 (800) 600-76-32
WhatsApp: +7 (905) 014-00-15, Telegram: NIPGSpektr, МАХ

Материал подготовлен техническим специалистом ООО НИПГ «Спектр». При полном или частичном копировании материалов ссылка на источник обязательна.