第三节 UV固化金属涂料
在人类社会漫长的发展史上，金属材料的出现很大程度上推动了人类物质文明的进步和发展。然而大多金属材料均存在易腐蚀问题，从而大大缩减了使用年限，给人们带来巨大的经济损失。据统计，全世界每年因腐蚀造成的经济损失约为7000亿美元，约为地震、水灾、台风等自然灾害总和的6倍，占各国国民生产总值的2%～4%。金属表面涂层的主要作用是有效防止腐蚀、化学损伤和机械降解，经过涂料涂装后既美观又可以保护金属表面。为此，发展金属表面涂料，减少金属表面腐蚀所带来的损失是非常必要的。随着世界各国经济建设的高速发展，在建筑、交通运输、石化、水电等众多领域都出现了快速增长，从而带动了对相关配套产品需求的飞速增长，而其中金属涂料产业更是获得了极大的发展。
目前工业用的金属涂料多以溶剂型为主，但在涂装中会释放大量有机溶剂，环境污染严重。UV固化技术由于其环保、低能耗、固化速度快等特点，将其应用到金属涂料领域，具有重要的现实意义，能大大提高产品涂装的效率、降低成本和对环境的污染等。目前，市场上UV固化涂料大多用于金属标牌装饰、金属饰板制造、彩涂钢板、印铁制罐、易拉罐加工、铝合金门窗保护及钢管临时保护等方面。
预涂覆金属（PCM），是涂有耐腐蚀、耐化学性、耐紫外线、柔韧性好等涂料的金属产品。PCM预先在涂装生产线上涂装生产板材或卷材，然后在其他工厂加工组装成家用电器、建材等产品。通过直接使用PCM，电器和建材等工厂就可以消除由于油漆涂装过程中溶剂挥发引起的损害工人身体健康和污染空气等危害，而且还可以提高产品生产率，因此PCM的使用越来越广泛。通过紫外光固化的PCM被称为UV-PCM。UV-PCM应用了绿色环保的紫外光固化技术，从根本上解决了溶剂型金属涂料涂装过程中大量排放VOCs的问题。
但是，由于辊涂、喷涂、浸涂、旋涂和流动涂覆等涂装工艺的限制，目前不可避免地在UV-PCM生产过程中会使用有机溶剂或反应性稀释剂。据统计，市场上用于UV-PCM生产的紫外光固化涂料基本含30%～60%（质量分数）溶剂或活性稀释剂，减少这些溶剂和稀释剂用量的一个途径就是开发低黏度低聚物体系。Choi等以脂环族异氰酸酯、2-羟丙基丙烯酸酯和羟基己内酯丙烯酸酯为原料，合成了低黏度聚氨酯丙烯酸酯（LPUA）。在25℃下LPUA的黏度为20000mPa·s，具有良好的涂装性能。再配合不同浓度的树枝状丙烯酸酯（DA）作为反应性稀释剂，制备了LPUA-DAs涂料，用于金属板涂层，可得到高硬度UV固化涂层。由于树枝状丙烯酸酯具有较高的反应活性，当其添加量为20%（质量分数）时，涂层深冲成型性比其他试样差，当LPUA-DAs涂料中添加10%（质量分数）树枝状丙烯酸酯时，涂层各项性能优异。
不锈钢是目前工业应用最重要的工程金属材料之一，其使用率持续以每年约5%的速度增长。不锈钢合金被加工成线圈、薄板、板、条、线和管，用于炊具、餐具、五金件、手术器械、工业设备，以及汽车和航空航天结构合金和大型建筑的建筑材料等。但在使用中，点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀仍然是不锈钢的一个严重问题。虽然不锈钢广泛应用于食品加工和医疗器械行业，但细菌和有机残留物在其表面很容易吸附（生物黏附），并且还会释放铬、铁和镍等过渡金属离子。因此，为防止生物黏附和金属离子的不良释放，对表面改性的技术要求越来越高。此外，金属表面的外观和装饰涂层在各种应用中也很重要。一般情况下在涂装UV固化涂料前，金属表面就已经生成了一层氧化膜，降低了金属表面能，大大影响UV固化涂料的附着力。丙烯酸聚氨酯材料可以将聚氨酯的高耐磨性、韧性和撕裂强度等性能与聚丙烯酸酯的高光学性能和耐候性等性能结合起来。Choi等用异佛尔酮二异氰酸酯、聚己内酯三醇、丙烯酸2-羟乙基酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和丙烯酸（AA），制备紫外光固化聚氨酯-丙烯酸酯-丙烯酸（PU-co-AA）薄膜。通过提高AA的含量，薄膜的黏附力可以从0提高到31kgf/cm2（1kgf=9.8N）（表3.12）。
表3.12 UV固化PU-co-AA薄膜的附着力、剥离强度和接触角数据
铝合金因其独特的性能，如均衡的重量与强度比、高断裂韧性和低成本而广泛应用于航空工业，但是这种合金更容易发生局部腐蚀。为了保护合金基板免受腐蚀，通常的方法是叠层处理。六价铬酸盐化合物通常作为盐存在于第一表面处理层（阳极氧化或转化膜）中，除了顶部有机层（顶部涂层）外还作为第二层中的颜料（底漆）。六价铬可以很好地防止金属腐蚀，但是它是一种有毒、致癌、致突变和对环境有害的物质。通过UV技术可以很好地解决这一问题，如直接将液膜（二环氧单体，正烷基三甲氧基硅烷预聚体和二芳基碘六氟磷酸盐）涂装在金属（没有表面处理层）表面，用紫外线照射实现环氧单体交联，同时催化有机硅氧烷快速缩合交联形成硅氧烷网络，最后在金属表面形成13μm厚的有机-无机复合薄膜（图3.4）。这一过程无需溶剂甚至水，能够很好地取代表面处理和底漆。利用该方法制备的金属涂层经过2000h的盐雾测试，没有发生化学腐蚀。
图3.4 通过光酸催化溶胶凝胶和环氧树脂开环聚合形成两个非共价结合网络原理图
金属涂料参考配方见表3.13、表3.14。
表3.13 耐腐蚀金属涂料
表3.14 铝钢涂料
