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UV-LED光固化簡介及其在木器涂裝領域的應用

2018-08-20 15:49:19 來源于 中潤油墨

一.UV-LED光固化簡介:

光輻射固化(Radiation Curing)是一種借助于能量照射實現化學配方(涂料、油墨和膠粘劑等)由液態瞬間轉化為固態的加工過程。由于所使用的能量常常是紫外可見光(即UV光)光源,通常也稱為UV固化或UV技術。UV-LED光固化是指用LED光源發出的光使油墨、油漆、涂料、漿料、膠粘劑等液體轉變為固體。LED固化技術是從UV固化技術發展而來的,LED光源利用光電轉化原理,芯片中的電子和正電荷在移動過程中碰撞結合轉化成光能。由于LED具有低電耗、壽命長、小型化、輕量化、瞬時響應、高輸出性、不含汞、無臭氧等優點,被稱為“解決環境問題的一張王牌”。作為一種節能環保的光源技術,LED產業已成為各國的國家戰略,被廣泛用于光固化行業。表1是 LED固化與UV固化的技術特點比較,可見,與傳統UV系統相比,LED固化系統主要有以下優點:

(1)能耗低,只需UV的1/4的電能消耗,大大減少了能源消耗和CO2的排放量;

(2)輻射量可控,發熱量小,對于塑模等耐熱性差或者熱敏承印材料的印刷熱影響??;

(3)壽命長,LED光源約為UV光源壽命的10倍以上,光源更換頻率大幅降低,器材耗費隨之減少;

(4)可瞬時開啟和關閉,無需UV固化所必須的預熱和降溫時間,提高了效率;

(5)無臭氧產生,改善了工人的工作環境,無需在安裝捕捉和焚化設備來消除臭氧的危害;

(6)裝置緊湊,設置簡單,節省空間。

表1  LED固化與UV固化的技術特點比較

二.木器涂裝技術的發展趨勢

穹頂之下的霧霾、PM 2.5、VOCs已經嚴重影響了國民的生活和健康,在國家經濟快速發展,科技日新月異的今天,環保問題不容忽視,環境治理刻不容緩。十二五期間,涂料行業飛速發展,生產總值以兩位數的速度激增,據國家統計局數據顯示,涂料總產量從2010年的966.6萬噸增長至2015年的1718萬噸。目前,水性涂料在歐美、日本等國家的的市場占有率已達60%左右,而我國這一比例明顯偏低,除了在建筑行業得到普遍應用外,其他領域仍然是溶劑型涂料一統天下。我國是全球第一的涂料生產和消費大國,但涂料產品質量低端化,同質化嚴重,國內市場尚不成熟,國際市場競爭力不足,產能過剩,產業結構亟需調整。據權威部門統計,涂料涂裝行業每年排放到大氣中的VOCs約700萬噸之多,涂料涂裝行業要責無旁貸的進行VOCs減排和防治。

當下,國家重拳治理環境污染,“最嚴環保法”、“禁油令”、“涂料消費稅”、“油改水”等相關政策法律法規相繼頒布實施,國民環保意識也顯著提升,消費行為轉變,家具涂裝這種重點治理行業亟需轉型,走綠色節能環保之路是必然的選擇。目前的環保涂裝技術包括水性熱固化,100%UV光固化,水性UV光固化以及水性LED光固化。我國的水性漆發展了將近幾十年,始終是不溫不火,由于其對技術和生產工藝等要求更嚴格,成本更高,而且目前國內多數水性涂料達不到傳統溶劑型涂料相同的涂裝效果,涂裝過程受施工環境影響。水性涂料要真正占據市場,首先還不是成本問題,亟需在核心技術攻關方面提升和突破,從而確保其涂裝效果媲美或超越油性漆。即便國內有部分骨干城市政府以資金直接補貼企業的方式推動家具涂裝由溶劑型涂料向水性熱固化產品轉型,但是相關生產企業仍然沒有意愿采用該技術。因為木器家具產業面臨如下的共性技術問題:

1、與木地板等高度規整平面部件使用UV涂裝截然不同,木器家具漆由于基材形狀各異,大小尺寸不一,且常常包含雕花鏤空等立體復雜三維結構,這樣的現狀決定了木器家具涂裝只能用噴涂型涂料為普適性技術施工方案,只有局部規整部件可以使用UV光固化加工。因為家具涂裝中僅有小部分涉及平面規整涂裝,這解釋了為什么所有上馬了UV生產線的家具企業當前UV線均開工不足,而實際上處于產能閑置狀態;

2、在噴涂技術方案上,如果廠家選擇水性單組分或雙組分熱固化涂裝漆,由于熱固化自身化學交聯度不足的固有技術弱點,不可避免地造成漆膜硬度低下,以鉛筆硬度衡量普遍在HB或以下,且水性熱固化漆屬于慢反應性固化,即涂裝后必須等待較長時間,漆膜才能達到適度打磨的程度,從而進入下一道施工工序。這意味著漆膜干燥要么在條件可控因而投資成本較高的烘干和防塵潔凈操作室中進行,要么不得不“看天吃飯”,因為不良天氣濕度和空氣粉塵含量直接決定了漆膜固化效率和性能;時至今日,眾多家具木器產業從業者實際上從心態上已經普遍認為水性熱固化涂裝技術是不可能得到實踐落地的方案;

3、在噴涂技術方案上,如果廠家選擇紫外光UV固化,即所謂100%固含量UV固化,則不得不使用低粘度的丙烯酸酯類型單體和樹脂復合體系配方,這樣的體系在噴涂操作中,由于丙烯酸酯單體自身也是高揮發性VOCs,不僅難聞氣味強烈,空氣污染大,且由于丙烯酸酯類化合物的皮膚或生理刺激性,則廠家被迫只能選用機械手在高度防護的空間中進行施工。這對于異型物件的大規模施工而言,由于機械手無法及時高效而精準地感知物件的三維形狀,是完全無法接受的施工方案;

4、在噴涂技術方案上,如果廠家選擇水性紫外光UV固化,則由于UV光源的自身特點,一方面仍然無法應對不規則曲面基材固化不足的難題,另一方面UV光源常常為中高壓汞燈,工作時需要半小時以上預熱且工作時短波長紫外光輻射不可避免地激發空氣中氧氣生成大量人體危害性臭氧(O3)物種,因此整個生產線不得不進行排風防護,造成“環保不節能”的尷尬結果,同時,更需要引起關注的是,UV光源啟動電壓很高,在家具廠的高濕度和高粉塵惡劣現實環境中,很容易造成電壓擊穿,在勞動密集型家具企業很容易引發群體性人身傷亡等重大安全事故。此外,UV光源普遍壽命低下,通常只有800小時左右使用壽命,因此大量含汞報廢燈管的環境處理也是現實頭疼的難題。上述種種原因解釋了為什么水性UV涂料也始終無法在家具廠家實現技術落地。

LED面光源進行水性涂料固化,本質上仍然是一種光促聚合(photo-curing)固化技術,因此光交聯密度高,漆膜致密,能輕易達到2H-3H或以上的漆膜硬度,以及高光澤高豐滿度特性,從而造就性能優異的木器防護和美觀效果,這是水性熱固化技術所完全無法比擬的優勢。水性LED光固化首先是成本低,其次是節能和環保都做到了極致,是木器家具涂裝環保的終結者,該技術既克服了傳統水性熱固化涂料性能不足的缺點,同時賦予用戶亟需的施工自由度和效果特質,又兼具低成本,節能減排和綠色環保的優勢,已經在山東萬家園,山東華日,南通臺森,上海澳瑞等家具領頭企業得到了實踐推廣應用。這個創新技術的大規模示范推廣將真正從源頭解決傳統家具產業的污染問題,更重要的是,在節能減排的同時跨越式提升我國家具產業的生產效率和經濟效益。


三.水性UV-LED光固化涂裝技術的關鍵:

傳統汞燈是連續的光譜,從200nm-400nm都有紫外線發射,目前LED只有在365nm、385nm、395nm、405nm等幾個很窄的波段發射紫外線,且譜寬不超過40nm。LED固化技術在木器涂裝領域應用的關鍵是開發與之配套的涂料,為了適應LED固化裝置的光譜特性,LED涂料的技術開發要求很高,光源的發射波長與顏料的透光窗口和光引發劑的吸收光譜三者要匹配:一方面需要光引發劑的吸收峰最好處于顏料的“透光窗口”;另一方面需要光引發劑具有更強的吸光能力和更高的反應效率,同時吸收峰要與發射波長匹配。

水性LED光固化木器家具綠色涂裝技術,一方面從材料技術角度,有兩個復配水性光固化涂料的關鍵組分:

A. 水性聚氨酯丙烯酸樹脂分散液,一般固體含量在30-60%之間,是光固化的主體成分,其主鏈上烯鍵(C=C)密度,羧酸(carboxylic acid)有機胺(tertiary amine)中和成鹽度,聚氨酯鍵(NHCO)親水基團分布模式,端基官能度高低,以及玻璃化溫度(glass-transition temperature)等性質參數對成膜性能有直接影響;

B. 水性LED光引發劑,一般添加量在3-5%,但是是最核心的關鍵原材料,由于LED光源發射功率較低(通常2-8瓦/平方厘米功率密度)且波長范圍狹窄,這直接決定了適合于家具木器涂裝的光引發劑產品必須同時具備兩個關鍵性能,即一是該引發劑自身在純水中有足夠的溶解度(water-solubility),從而能和水性樹脂以及其他功能添加劑等復配成貯存高度穩定的涂料產品,二是該引發劑自身的UV-Vis光吸收最大波長必須精準地對準LED光源的發射波長,從而最大限度地利用光子能量并以高度感光敏感的方式產生誘發化學聚合的活性自由基物種。

另一方面,從復配技術上,關鍵是要全面克服水性光固化終端涂料的配方兼容性和貯存穩定性這一業界長期的技術難題。既要考慮水性聚氨酯丙烯酸酯類型樹脂分散液的化學合成,固含量,分子量,酸堿中和度及玻璃化溫度控制技術,柔性-剛性聚合物鏈段耦合,親水-疏水鏈段耦合及樹脂成膜效應關系,水性樹脂與水性光引發劑,配方助劑,水性顏料或染料分散體的兼容性。又要兼顧水性LED光引發劑的水溶解性,引發劑-樹脂兼容性,引發劑-助劑兼容性,引發劑在不同木器家具涂料配方體系的光吸收特性。通過研究系列水性樹脂分散液與水性光引發劑在成膜助劑和顏料/染料存在下的配伍關系,光固化構效關系(structure-function relationship),配方的加速老化和貯存穩定性考察,配方的噴涂穩定性等問題,最終確定設計最優的配方并不斷優化和提升改進。

此外,與之配套的LED光源是LED光固化木器家具綠色涂裝技術的關鍵,不僅要能實現有效固化,而且要操作方便,可以根據流水線訂制大小和形狀。LED作為點光源用于照明行業早已陷入慘烈競爭的市場格局,但是LED面光源系統由于芯片密集散熱要求嚴苛則是非常新生的事物,只是在近五年才有市場萌芽,技術門檻高。鑒于LED的小尺寸靈巧性特征,LED面光源體系可以依據客戶要求加工成任意形狀,特別適合于任何異型非規整部件的光固化操作如圖1,可以配套往復噴涂機如圖2,也可用于吊線如圖3,地盤線如圖4,相比UV燈管節能和節電方面有巨大的優勢(如表2):


圖1 異型件LED固化系統



圖2 配套往復噴涂機LED固化系統



圖3 吊線用LED固化系統



圖4 地盤線用LED固化系統


表2  LED燈管與UV燈管的對比

四.結論

水性LED光固化木器家具涂裝新技術市場以來,用戶可以切實體驗到如下突出的科技效益:

1、由于實現了VOCs排放源頭治理,原有工廠就地整改即可滿足政府環保要求,不必搬遷造成固定資產大規模減損或浪費;

2、水性LED固化漆噴涂中使用水為綠色介質,徹底消除了危害環境和人工健康的溶劑釋放,使得傳統噴房等政府安監消防部門重點監控設施投資大幅度減少,并保障了工廠穩定日常安全運營;

3、LED光固化漆膜性能全面超越水性單組份或雙組分熱固化型漆膜,并完全媲美溶劑型涂料涂裝效果,使得終端用戶對水性LED光固化涂料的使用信心顯著增強;

4、LED光固化適合應對各種異型物件涂裝,大大增加工廠生產效率,且LED漆膜光固化瞬間完成(形成強烈對比的,傳統溶劑型漆膜則需要一天到數天方能干燥充分),使得傳統3天的工作量在導入本技術后僅僅2小時內即可完成,大大降低了企業用工成本,并大幅度提升了企業盈利能力;

5、LED光固化使用長波長光源,波長越長穿透力越好,因此非常有利于實現厚膜漆膜(20-40微米)的一次性快速固化,而傳統溶劑型為了達到特定漆膜厚度,必須多次施工反復固化(單次僅能固化約10微米左右漆膜厚度),這進一步增強了生產效率;

6、水性LED家具漆無色無味無人體健康風險,一線工人喜聞樂見,與溶劑型噴漆生產線相比大幅度降低了人工工資成本;

基于上述因素和實踐考核,水性LED涂裝技術的導入能為下游家具涂裝廠家節省約30-50%的運營成本,是一個典型的通過技術創新挖掘價值的范例。

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