近 60 年以來，汽車涂料工業(yè)一直伴隨著中國汽車工業(yè)發(fā)展的坎坷歷程而不斷發(fā)展壯大。2009 年，中國汽車產(chǎn)銷量雙雙超越美國成世界第一大汽車市場。這顯示出中國汽車涂料產(chǎn)業(yè)巨大的市場發(fā)展空間。2010 年中國汽車產(chǎn)銷量雙雙突破 1800 萬輛，不僅蟬聯(lián)世界第一，且創(chuàng)全球歷史新高。預(yù)計(jì) 2011 年全年汽車市場還會有 10%~15%的增長。2010 年我國汽車保有量達(dá)到了 8 000 萬輛，而預(yù)計(jì)到2020 年中國汽車保有量將超過２億輛。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，安全和環(huán)境問題將更加突出。在能源和環(huán)保壓力下，大力推進(jìn)傳統(tǒng)汽車節(jié)能減排和新能源汽車產(chǎn)業(yè)化，成為中國汽車產(chǎn)業(yè)亟須解決的重大課題。十一五期間，我國車用涂料總產(chǎn)量占全國涂料總量的比率也不斷提高，由 2006年的 6.5%上升到 2010 年的 9%。2010 年我國車用涂料產(chǎn)量達(dá) 88.2 萬 t，同比增長 31%。高固體分、水性、粉末、光固化等環(huán)保型產(chǎn)品的應(yīng)用不斷增長。近幾年，為配合汽車工業(yè)節(jié)能減排，發(fā)展環(huán)保水性化汽車涂料并倡導(dǎo)汽車涂裝工藝的清潔生產(chǎn)成為汽車涂料生產(chǎn)企業(yè)和涂裝工程師的關(guān)注重點(diǎn)。

      水性聚氨酯涂料由于具有杰出的使用性能、超低的VOC(揮發(fā)性有機(jī)物)和 HAP(有害空氣污染物)值而受到越來越廣泛的應(yīng)用和推廣。水性聚氨酯涂料的柔軟手感、耐溶劑性、耐刮擦性、附著力和防起霧性能等優(yōu)異性能滿足汽車內(nèi)飾件對涂料苛刻的性能要求，其中耐刮擦性和柔軟手感的性能，水性聚氨酯涂料已經(jīng)超越了許多傳統(tǒng)的涂料系統(tǒng)，并且它們有機(jī)揮發(fā)物含量(VOC)非常低，這些性能和環(huán)保優(yōu)點(diǎn)正是汽車工業(yè)一直在尋覓的。水性聚氨酯涂料已成為汽車涂料的重要品種之一。

      目前應(yīng)用于汽車涂料的水性聚氨酯材料主要是雙組分型，所涉及體系包括底漆、中涂漆、色漆、罩光漆以及修補(bǔ)漆等。而單組分水性聚氨酯由于分子結(jié)構(gòu)為線性結(jié)構(gòu)，且分子鏈中含有親水基團(tuán)，因此許多性能(如耐水性、耐溶劑性和機(jī)械性能等)并不理想，致使在某些情況下的應(yīng)用受到限制。紫外光(UV)固化樹脂由于具有高效、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等性能得到迅速發(fā)展。由于具有較高的交聯(lián)密度，UV 固化樹脂的硬度、耐水、耐溶劑性以及機(jī)械性能等都得到了較大幅度提高。UV 固化水性聚氨酯材料(UV-WPU)由于結(jié)合了水性聚氨酯與 UV 技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，不僅具環(huán)保優(yōu)勢，而且有固化速度快、節(jié)省能源、涂膜性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，UV-WPU 克服了單組分水性聚氨酯的缺點(diǎn)，各種性能滿足汽車涂料的要求，可以廣泛地用于各種汽車涂料，如底漆、中途、面漆以及罩光清漆。很多國外公司和研究機(jī)構(gòu)如 Bayer、AKZO NOBEL、BASF 等在 UV 固化水性聚氨酯的技術(shù)研發(fā)上已獲得了較大的突破，開發(fā)了一系列商業(yè)化產(chǎn)品。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，近年來 UV 固化水性聚氨酯材料得到更快的發(fā)展，取得了一些新突破與進(jìn)展。

1 UV-WPU 研究進(jìn)展

      本文著重于近年來用于汽車涂料的 UV-WPU 的研究，分別就 UV-WPU 樹脂合成、UV-WPU 用光引發(fā)劑和新的固化工藝及設(shè)備的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1.1 UV-WPU 樹脂合成

      UV-WPU 樹脂合成方法主要有封端法、擴(kuò)鏈劑法、超支化聚合物改性法以及核殼型聚氨酯聚丙烯酸酯(PUA)改性法，如圖 1 所示。以下分別敘述。 

1.1.1 封端型

      最早關(guān)于 UV 固化水性聚氨酯的報(bào)道是在 20 世紀(jì) 90年代，主要是采用二異氰酸酯與大分子二元醇反應(yīng)，然后在聚氨酯分子中用可成鹽的親水性單體和小分子二元醇擴(kuò)鏈得到以 NCO 為端基的聚氨酯預(yù)聚物，最后用單羥基丙烯酸酯對其進(jìn)行封端，在聚氨酯分子中引入可進(jìn)行 UV 光固化的雙鍵，然后通過中和、乳化即得到可 UV 光固化的水性聚氨酯分散體，即為封端型 UV-PUD。

      利用甲苯-2,4-二異氰酸酯(TDI)、聚乙二醇(PEG)、二羥甲基丙酸(DMPA)和甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)合成了可 UV 固化的水性聚氨酯乳液，如圖 2 所示。所得的固化后涂膜具有較好的附著力、柔韌性、沖擊強(qiáng)度、擺桿硬度以及較好的光澤。

      利用異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、聚四氫呋喃醚二元醇(PTMG)、N-甲基二乙醇胺(MEDA)和甲基丙烯酸羥乙酯合成了一種陽離子型可 UV 固化水性聚氨酯乳液，并在乳液中添加不同含量的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)。通過陽離子電沉積法得到涂膜后，在 UV 光輻照下固化。通過實(shí)時(shí)紅外和 Photo-DSC 研究發(fā)現(xiàn)，加入 PETA 后體系的光固化速度加快，雙鍵轉(zhuǎn)化率增加，并且涂膜表現(xiàn)出更好的耐溶劑性能。

      以甲苯-2,4-二異氰酸酯、聚己二酸丁二醇酯二醇(PBA)、二羥甲基丙酸、丙烯酸羥乙酯為原料合成了聚酯型 PUA，經(jīng)三乙胺中和后得到穩(wěn)定的自乳化體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著羧基含量的增加和中和度的提高，乳液的分散性和穩(wěn)定性增強(qiáng)，乳液的黏度亦增大，固化膜的吸水率也隨—COOH 含量的增加而上升，其 Tg 隨著DMPA/PBA 比例的增加而上升。固化膜具有良好的性能。

1.1.2 擴(kuò)鏈劑型

      封端型 UV-WPU 采用主鏈封端方式引入可 UV 固化雙鍵的方法存在一個(gè)問題：即無法同時(shí)提高雙鍵含量與聚合物相對分子質(zhì)量，這會導(dǎo)致固化后涂膜性能有缺陷。一種有效解決這種問題的方法就是通過含有雙鍵的擴(kuò)鏈劑引入可 UV 固化的基團(tuán)制備 UV-WPU。擴(kuò)鏈劑又分為大分子和小分子擴(kuò)鏈劑，分別從水性聚氨酯的軟段和硬段引入雙鍵。

      采用兩端帶有羥基的聚丁二烯(丁羥膠)在聚氨酯的軟段引入可 UV 光固化的雙鍵，制備了 UV 固化水性聚氨酯，并研究了其動態(tài)力學(xué)性能、耐熱性能和拉伸性能，得到了性能優(yōu)異的涂膜。

      利用季戊四醇、二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯(H12MDI)、二羥甲基丙酸、丙烯酸羥乙酯和環(huán)氧化合物(EA)合成四官能度的 PUA 乳液。研究發(fā)現(xiàn)，固化后膠膜具有較高的硬度和模量、耐溶劑性和耐水性增強(qiáng)，斷裂伸長率大于 200%。以含有四個(gè)羥基的 1,3-羥基-2-丙酮為交聯(lián)劑，依次與 4,4-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、聚四氫呋喃二元醇、二羥甲基丙酸和丙烯酸羥乙酯反應(yīng)合成了 4 個(gè)官能度的 PUA。隨著預(yù)聚物鏈長的縮短和交聯(lián)劑含量的增加，固化膜的硬度和模量逐漸增加，斷裂伸長率逐步減小。

      通過合成一種雙羥基的環(huán)氧丙烯酸酯，并將其引入水性聚氨酯主鏈中得到可紫外光固化的水性聚氨酯樹脂，解決了傳統(tǒng)方法制備水性光固化樹脂時(shí)相對分子質(zhì)量與雙鍵密度之間的矛盾，涂膜具有優(yōu)異的耐水性和耐溶劑性能。研究了合成上述樹脂的最佳反應(yīng)條件，樹脂結(jié)構(gòu)及助溶劑等對分散體性能的影響；討論了光引發(fā)劑種類及其用量對光固化速度的影響。在合成雙羥基環(huán)氧丙烯酸酯時(shí)，反應(yīng)速率隨著反應(yīng)溫度的升高而加快，但由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)太快時(shí)，放熱也比較快，熱量在體系中難以及時(shí)傳遞出來，導(dǎo)致反應(yīng)體系溫度快速升高，很容易使不飽和雙鍵打開，引起雙鍵聚合，使體系凝膠。雙羥基環(huán)氧丙烯酸酯的合成過程成為制約其進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。

      通過設(shè)計(jì)合成一種含有丙烯酸雙鍵的二元醇單體即季戊四醇二丙烯酸酯(PEDA)，并以此單體作為擴(kuò)鏈劑在聚氨酯的側(cè)基和鏈端同時(shí)引入可 UV 光固化的丙烯酸雙鍵，制得可 UV 固化水性聚氨酯樹脂分散體。采用這種方法制得的水性聚氨酯可達(dá)到 4.5 mmoL/g 的高雙鍵含量和高樹脂相對分子質(zhì)量(Mn=253 040)，同時(shí)又不降低硬段含量，從而滿足硬質(zhì)基材的應(yīng)用要求，所得材料的性能明顯優(yōu)于采用軟段方式或是主鏈封端方式所制備的 UV 固化水性聚氨酯材料，可達(dá)到溶劑型聚氨酯材料性能，同時(shí)雙鍵含量和相對分子質(zhì)量可通過控制 PEDA/HEA 比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。該法所得的 UV 固化水性聚氨酯材料的性能明顯優(yōu)于采用主鏈封端方式或軟段方式所制得的材料的性能。

      通過簡單的氨酯化反應(yīng)合成一種含雙鍵的二元醇(HEA-IPDI-TMP，以下簡稱 HIT)作為擴(kuò)鏈劑，將其引入聚氨酯主鏈中，合成了一種新型的可 UV 固化水性聚氨酯。通過 FTIR 紅外光譜證實(shí)該二元醇合成成功并引入聚氨酯主鏈中。測試證明 UV 固化后涂膜具有良好的耐水耐溶劑性、較好的機(jī)械性能及耐熱性能。

1.1.3 超支化型

      20 世紀(jì) 80 年代以來，在高分子領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了一種被稱為“超支化聚合物”的新型材料，其分子結(jié)構(gòu)與常規(guī)線性聚合物相同但卻高度支化而使其分子呈球狀，而且擁有大量可改性的末端官能團(tuán)，分子鏈相互纏繞少。因而，超支化聚合物溶解性好，熔融黏度低，反應(yīng)活性高等特點(diǎn)。這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)為超支化聚合物作為添加劑改善常規(guī)高分子材料的性能提供了可能。超支化聚合物優(yōu)異的相容性和較小的分子體積使它適合于作為增韌劑而應(yīng)用于熱固性樹脂以及聚烯烴塑料。與線性聚合物相比，超支化聚合物具有高度支化的三維球型結(jié)構(gòu)，含眾多具有相同微環(huán)境的非纏繞鏈段和端基官能團(tuán)，因而對超支化聚合物可以進(jìn)行各種端基改性，以滿足多種應(yīng)用需求。近年來，采用多官能度的超支化聚合物制備 UV-WPU 樹脂也是研究的熱點(diǎn)之一。

      基于脂肪族超支化聚酯BoltornTM H20、H30 和 H40，采用丙烯酸羥乙酯與異佛爾酮二異氰酸酯的加成物(HEA-IPDI)與超支化聚合物中的多個(gè)羥基反應(yīng)，合成了一系列的多官能度的超支化聚氨酯丙烯酸酯(WHPUD)水分散體系，如圖 3 所示。重點(diǎn)研究了超支化聚 氨酯丙烯酸酯中羧酸和丙烯酸酯的含量對體系的粒子尺寸、黏度和光固化動力學(xué)以及固化膜的熱力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的影響。同時(shí)對 WHPUD 體系的微觀結(jié)構(gòu)、凝膠含量和界面張力做了較為深入的研究。結(jié)果表明，凝膠含量隨著丙烯酸酯含量的增加而提高；粒子的尺寸及其在水中的穩(wěn)定性取決于 WHPUD 中羧酸基團(tuán)的含量、離子化的程度及分子結(jié)構(gòu)；WHPUD 在水分散體系中的粒子尺寸為 30～125 nm。說明 WHPUD 可以在水中自乳化而形成穩(wěn)定的水分散體系，從而可以用于水性涂料。隨著丙烯酸酯含量的增加，得到的涂膜固化后具有較好的力學(xué)性能和熱性能。

      先以雙(三甲氧基丙烷)和2,2-二羥甲基丙酸作為原料制備了超支化聚酯，利用其支鏈上的—OH 和丙烯酸羥乙酯與異佛爾酮二異氰酸酯的加成物反應(yīng)合成了具有超支化結(jié)構(gòu)的 PUA 聚合物，其涂膜具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。用類似的方法采用季戊四醇分別與 1,2,4-苯基三甲酸酐和環(huán)氧丙烷反應(yīng)首先制備含羥基超支化聚合物，進(jìn)而得到可 UV 固化的 PUA，固化后涂膜具有優(yōu)良的性能。

1.1.4 核殼結(jié)構(gòu)型 PUA

      為了拓展水性UV固化體系，可以考慮將常用的丙烯酸酯單體引入水性體系中進(jìn)行UV固化。但大部分丙烯酸酯類單體在聚合成前膜容易揮發(fā)，不宜進(jìn)行紫外光固化，因此可以利用一種不易揮發(fā)的丙烯酸酯單體制備核殼型聚氨酯丙烯酸酯復(fù)合乳液，成膜后紫外光固化得到價(jià)格便宜、性能良好的材料。

      首先合成 NCO 封端的聚氨酯預(yù)聚體，乳化前加入一種不易揮發(fā)的含有雙鍵丙烯酸酯[三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)]，乳化時(shí)水性聚氨酯作為大分子乳化劑將 TMPTA 包裹，同時(shí)聚氨酯鏈末端的 NCO 基團(tuán)與水進(jìn)行反應(yīng)，得到一種具有核殼結(jié)構(gòu)的 PUA 復(fù)合乳液，然后對所合成的乳液及相應(yīng)涂膜分別進(jìn)行熱固化和 UV 光固化，制備得到性能優(yōu)異的涂膜，如圖 4 所示。目前關(guān)于熱固化和 UV 固化對涂膜性能影響的研究較少，文中對兩種固化方式所得到的涂膜性能也進(jìn)行了研究和比較。

1.2 UV-WPU 用光引發(fā)劑研究進(jìn)展

      光固化膜最終性能不僅取決于樹脂的配方，而且在很大程度上決定于其光固化動力學(xué)。光引發(fā)劑種類及其濃度會極大地影響光聚合動力學(xué)和最終的雙鍵轉(zhuǎn)化率。水性光固化體系所用的光引發(fā)劑可分為分散型和水溶型兩類。分散型光引發(fā)劑為油溶性，需借助乳化劑和少量單體才能分散到水性光固化體系中。它們與水性樹脂存在相容性問題，會直接影響成膜性能和引發(fā)效率。為了克服這一問題，人們在油溶性光引發(fā)劑結(jié)構(gòu)中引入陰、陽離子基團(tuán)或親水性的非離子基團(tuán)，開發(fā)研究出水溶型光引發(fā)劑。但若只由磺化、羧基化或季胺化增強(qiáng)引發(fā)劑的水溶性，直接相連或以一個(gè)亞甲基與苯環(huán)相連，均會不可避免地降低分子的活性，結(jié)果使光引發(fā)劑失效。經(jīng)過探索發(fā)現(xiàn)，通過氧基和幾個(gè)亞甲基與苯環(huán)相隔離，可保持母體的光引發(fā)劑性能不變，從而保持了分子的活性。但目前水溶型光引發(fā)劑因其價(jià)格貴，貨源少，實(shí)用的不多。出于價(jià)格和來源的考慮，在水性光固化體系中仍使用油溶性光引發(fā)劑，有如下幾種：Darocur4265、Irgacure500、Irgacure1000、TPO 等。最常用的水性光引發(fā)劑是 Ciba 公司的 Iragcure 2959 和Darocur 1173(結(jié)構(gòu)見圖 5)，其中前者由于揮發(fā)性小，溶解度高而得到廣泛使用。

      由苯甲酰氯、甲苯、催化劑通過傅克反應(yīng)合成了中間體 4-甲基二苯甲酮，將 4-甲基二苯甲酮溴化、重結(jié)晶，制備高純中間體 4-溴甲基二苯甲酮，由 4-溴甲基二苯甲酮與乙二醇單鈉鹽反應(yīng)合成了新化合物 4-(2-羥乙氧基甲基)二苯甲酮(結(jié)構(gòu)件圖 6)，進(jìn)行了GC-MS、FTIR、1H-NMR 表征，確定了其結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品收率為78%。對新型水性光引發(fā)劑進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明，其光引發(fā)性能與二苯甲酮、1173 及 Ciba 2959 進(jìn)行對比，光固化速度略慢于二苯甲酮(BP)，快于 1173 及 Ciba 2959，揮發(fā)性氣味與 Ciba 2959 相當(dāng)，明顯好于 1173 及 BP。由于其具有光固化效率高、制成的光固化體系揮發(fā)性氣味小、開發(fā)成本低，極具應(yīng)用開發(fā)前景，對實(shí)現(xiàn)我國開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水性光引發(fā)劑品種具有非常重要的意義。

      通過季戊四醇、2,2-二羥甲基丙酸、甲苯-2,4-二異氰酸酯、2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(HMPP)、馬來酸酐等合成了一種可參與紫外光固化的超支化大分子光引發(fā)劑如圖 7 所示。利用傅里葉紅外光譜、核磁共振譜、紫外、DSC、TG對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)引發(fā)劑含量在 4%時(shí)引發(fā)效果最佳，反應(yīng)初始階段大分子的引發(fā)效率高于小分子光引發(fā)劑，隨著反應(yīng)的進(jìn)行大分子光引發(fā)劑的引發(fā)效率逐漸小于小分子。大分子光引發(fā)劑在純水中的溶解度很小，而在含有堿性中和劑的水性光固化體系中可以很好地溶解。

      另外，目前小分子光引發(fā)劑存在揮發(fā)、遷移和衛(wèi)生安全性差的問題。為了克服這些缺點(diǎn)，使用可聚合的小分子光引發(fā)劑參與反應(yīng)，從而在聚合物鏈中引入光活性基團(tuán)，然后在分子鏈上引入不飽和基團(tuán)，最后將聚合物中和乳化，加入水得到水性可聚合大分子光引發(fā)劑。

1.3 新的固化工藝及設(shè)備

      UV 固化水性聚氨酯技術(shù)由于具有高效、節(jié)能、環(huán)保和性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)而在涂料和膠粘劑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，然而在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多問題有待解決。當(dāng)其應(yīng)用于三維部件或是較厚涂層時(shí)，由于紫外光的穿透深度有限，常常存在陰影區(qū)域或涂層底部難固化等固化不完全的問題。鑒于 UV-WPU 材料存在上述問題，一些新的固化工藝和固化設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，如多重固化工藝以及 3D 光固化設(shè)備和技術(shù)的研制。

1.3.1 多重固化工藝

      多重固化工藝的關(guān)鍵就是合成同時(shí)含有熱固化和紫外光固化的基團(tuán)。一般來說，對于 UV-WPU 來說，紫外光固化基團(tuán)主要是指丙烯酸酯雙鍵；而用于熱固化的基團(tuán)主要是被封閉劑封閉的—NCO 基團(tuán)。

      利用 2,4-甲苯二異氰酸酯、季戊四醇二丙烯酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯、聚四亞甲基醚二元醇(PTMG)、2,2-二羥甲基丙酸、1,4-丁二醇(BDO)、三乙胺(TEA)、丙酮和二月桂酸二丁基錫(DBTDL)制備了聚氨酯預(yù)聚體，利用 3,5-二甲基吡唑(DMP)對預(yù)聚體進(jìn)行封端，得到含有在分子的側(cè)基帶有可 UV 光固化的丙烯酸雙鍵，而在聚氨酯分子的鏈端有被封閉的 NHCOR 基團(tuán)的水性聚氨酯分散體，工藝如圖 8 所示。

      采用原位升溫紅外光譜技術(shù)研究其解封過程，確定最低解封溫度，采用熱重分析對封閉型樹脂在 UV 固化后熱固化前后的耐熱性能和應(yīng)用性能進(jìn)行對比研究，并將其與未進(jìn)行封閉改性的樹脂性能進(jìn)行對比。

      首先合成了帶有兩個(gè)—NCO 和兩個(gè) C=C 的丙烯酸酯齊聚物，利用封閉劑對—NCO 進(jìn)行封端，利用得到的產(chǎn)物接入親水基團(tuán)，得到水性聚氨酯分散體。分散體干燥成膜后在 UV 光和 150 ℃下進(jìn)行雙重固化，利用紅外光譜對固化過程進(jìn)行跟蹤研究，得到了具有高交聯(lián)密度的性能優(yōu)異的涂膜。

      由二異氰酸酯與二元醇制備了含有可電離基團(tuán)的聚氨酯預(yù)聚體，由聚氨酯預(yù)聚體與多元醇制備含支型結(jié)構(gòu)的聚氨酯，在含有支型結(jié)構(gòu)的聚氨酯中加入含羥基的丙烯酸酯制備特定結(jié)構(gòu)的聚氨酯，分散后制備得到枝型分子結(jié)構(gòu)的可光/熱雙重固化的水性聚氨酯。該水性聚氨酯涂膜具有極佳的低溫柔韌性能，光澤高，手感和耐磨性好，耐水性能和耐繞曲性能優(yōu)良。

      利用 HDI 三聚體與丙烯酸羥乙酯反應(yīng)，利用 FTIR 和 NMR 對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，得到的聚氨酯丙烯酸與環(huán)氧樹脂混合在 UV 燈下固化后，升溫至 80 ℃進(jìn)行熱固化，利用 FTIR 對光固化和熱固化動力學(xué)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)雙重固化可以顯著提高交聯(lián)密度。

1.3.2 3D 光固化設(shè)備

      光固化涂料有種種優(yōu)點(diǎn)，要使光固化涂料進(jìn)入汽車涂料行列，除了涂料本身要達(dá)到要求外，還需要有合適的涂裝和固化設(shè)備。光固化涂料一般用于平面和簡單形狀器物的涂裝，由于汽車部件形狀各不相同，因此要求有符合三維(3D)涂裝和固化的設(shè)備，兩者結(jié)合才有可能完全進(jìn)入汽車領(lǐng)域。

      不同形狀和大小、角度、彎曲、邊緣、凹凸情況的三維(3D)部件光固化時(shí)，需要有光投射到所有的表面上，且應(yīng)有可靠和足夠的能量。一般燈具由燈管和反光罩組成，反光罩用于聚集光束定向投射到器物上，反光罩一般為橢圓形或拋物線狀的。使用橢圓形燈罩，燈管置于橢圓的第一焦點(diǎn)上，燈光則在第二焦點(diǎn)上聚焦形成狹窄的高輻照度的光束，但由于光的發(fā)散，偏離此點(diǎn)后，輻照度迅速減低。使用拋物線燈罩，在較寬的范圍內(nèi)均可得到平行紫外光束，但是輻照度低并在三維物體上增加陰影。為了使整個(gè)表面充分固化，需要采取一些措施：一是改善橢圓形燈罩形狀，變化光的焦點(diǎn)，使它離燈面更遠(yuǎn)，使聚焦面更寬，雖然這樣會減少高輻照的峰值，但可以使光的強(qiáng)度比較均勻，在離燈較遠(yuǎn)的地方也可以得到足夠的輻照，同時(shí)又保持了聚集和發(fā)散光的優(yōu)點(diǎn)，減少陰影出現(xiàn)；第二項(xiàng)措施是優(yōu)化配方：涂料的光譜吸收要與燈的發(fā)射光譜相匹配；第三是優(yōu)化工藝條件，紫外光投射到物體的能量要與加工速度相匹配；涂料光敏性及涂層的厚度要優(yōu)化，在較大光強(qiáng)度變化范圍內(nèi)都能使表面涂料徹底固化。當(dāng)然對于 3D 固化裝置也有特殊要求，要根據(jù)物體大小和形狀；物體是垂直的還是水平的；能否通過旋轉(zhuǎn)使?jié)撛诘年幱安课坏玫秸丈涞葘?shí)際情況設(shè)計(jì)生產(chǎn)線。為了對物體的陰影部分進(jìn)行光固化，將燈源裝在機(jī)器人上是一個(gè)重要的解決方案。采用機(jī)器人有很多優(yōu)點(diǎn)，許多固定燈源不能照射到的部分都可得到有效的照射。

2 展望與前景

      “低碳經(jīng)濟(jì)”將成為世界上第 4 次技術(shù)革命。哥本哈根聯(lián)合國氣候大會上，中國政府向世界承諾，到 2020 年，中國單位 GDP 的排放水平將在 2005 年的基礎(chǔ)上降低40%~45%。這一承諾對整個(gè)汽車行業(yè)都帶來巨大挑戰(zhàn)。環(huán)保對于汽車產(chǎn)業(yè)已成為越來越重要的話題。汽車涂料及涂裝作為涂料行業(yè)最高端的技術(shù)領(lǐng)域，引領(lǐng)著行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。面對環(huán)保要求日益提高，水性汽車涂料正扮演著越來越重要的角色，吸引著業(yè)界的大量關(guān)注與投入。而可 UV固化水性聚氨酯作為水性汽車涂料的重要組成部分，隨著技術(shù)進(jìn)步正得到更多的關(guān)注和發(fā)展。2010 年 6 月 1 日國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《GB 24409—2009 汽車涂料有害物質(zhì)限量》實(shí)施，明確規(guī)定了溶劑型汽車涂料中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)含量以及溶劑型和水性(含電泳漆)、粉末及光固化汽車涂料的限用溶劑含量及重金屬含量，必將極大地促進(jìn)水性汽車涂料的技術(shù)進(jìn)步和市場推廣。UV 固化水性聚氨酯作為一種性能優(yōu)異的水性涂料成膜物，也將獲得更大的應(yīng)用。根據(jù)目前 UV-WPU 發(fā)展中存在的問題，未來的主要發(fā)展方向是：

(1) 合成低成本低 VOC 甚至零 VOC 且性能優(yōu)異的樹脂；

(2) 開發(fā)出新的適用于 UV-WPU 的具有較高引發(fā)效率的光引發(fā)劑；

(3) 解決 UV-WPU 交聯(lián)度與韌性的矛盾；

(4) 解決固化后附著力變差的問題；

(5) 開發(fā)適用于 UV-WPU 的助劑；

(6) 解決涂層深層固化、復(fù)雜面固化困難的問題
；
(7) 拓展 UV-WPU 在汽車涂料上的應(yīng)用領(lǐng)域。

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