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官能團種類與數量對涂層的影響。

2025-07-22

  UV 單體(或低聚物)中的官能團種類與數量是決定涂層性能的核心因素,直接影響固化反應速率、交聯密度、機械性能及化學抗性等。以下從官能團數量(官能度) 和官能團種類兩個維度,詳細解析其對涂層的具體影響:

  一、官能團數量(官能度)的影響

  官能度指分子中含有的可參與 UV 固化反應(如丙烯酸雙鍵、環氧基團等)的活性位點數量,是影響涂層交聯密度的關鍵因素。

  1. 低官能度單體(1-2 個官能團)

  單官能團(1 個活性位點)

  交聯密度低:分子間僅能形成線性或輕度支化結構,涂層柔韌性好、伸長率高,但硬度低、耐刮擦性差。

  固化速率較慢:單個活性位點反應概率低,需更長 UV 照射時間。

  稀釋性強:粘度低(如前文所述 1-50 mPa?s),常用于降低體系粘度,改善涂布性。

  典型應用:柔性基材(如塑料薄膜、皮革)的涂層,需兼顧附著力與柔韌性。

  雙官能團(2 個活性位點)

  交聯密度中等:形成網狀結構,平衡硬度與柔韌性(“剛柔并濟”)。

  固化速率適中:比單官能團快,比多官能團慢,適合對固化速度要求不極端的場景。

  適用性廣:可單獨使用或與其他單體復配,兼顧涂布性與基本機械性能(如抗沖擊、耐彎折)。

  典型應用:金屬表面底漆、木材涂層,需一定硬度且避免脆化。

  2. 多官能團單體(3 個及以上官能團)

  交聯密度高:多個活性位點同時反應,形成致密三維網狀結構,涂層硬度高、耐刮擦、耐化學性(如耐溶劑、耐酸堿)優異。

  固化速率快:多位點同時聚合,反應效率高,適合高速生產線(如印刷、卷材涂覆)。

  脆性增加:高交聯密度導致涂層柔韌性下降,易開裂(尤其在基材伸縮時,如塑料彎曲)。

  粘度較高:多官能團分子結構更復雜,粘度通常在 100 mPa?s 以上,可能需要搭配低官能度單體調節流動性。

  典型應用:地板耐磨涂層、光盤表面硬化層、玻璃防刮涂層。

  二、官能團種類的影響

  不同化學結構的官能團(如丙烯酸酯基、環氧基、乙烯基醚等)因反應活性、極性、分子間作用力不同,對涂層性能產生差異化影響。

  1. 丙烯酸酯基(-OOCCH=CH?)

  反應活性:最高(在 UV 引發下),固化速度快,是最常用的官能團。

  極性:中等,對極性基材(如金屬、玻璃)附著力較好。

  涂層性能:硬度與柔韌性可通過官能度調節,耐候性中等(長期紫外照射可能黃變)。

  代表單體:單官能團(HEMA)、雙官能團(HDDA)、多官能團(TMPTA)。

  2. 甲基丙烯酸酯基(-OOC (CH?)=CH?)

  反應活性:低于丙烯酸酯基,固化速度較慢,但儲存穩定性更好(不易自聚)。

  極性:略低于丙烯酸酯,涂層收縮率更低(因甲基位阻效應),尺寸穩定性更佳。

  涂層性能:硬度稍高,耐化學性略優,黃變傾向比丙烯酸酯小。

  代表單體:甲基丙烯酸羥丙酯(HPMA)、雙甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)。

  3. 環氧基(-C-O-C-,三元環結構)

  反應活性:需陽離子引發劑(如碘鎓鹽),固化速度較慢,但固化反應不受氧氣阻聚(丙烯酸酯易受氧氣影響)。

  極性:高,對金屬、陶瓷等極性基材附著力極強。

  涂層性能:硬度高、耐化學腐蝕性優異(尤其耐酸、耐溶劑),但柔韌性差,黃變風險低(適合白色或淺色涂層)。

  代表單體:環氧丙烷丙烯酸酯、雙酚 A 環氧二丙烯酸酯(低聚物,含環氧與丙烯酸雙重官能團)。

  4. 乙烯基醚基(-O-CH=CH?)

  反應活性:中等(陽離子聚合),固化速度介于丙烯酸酯與環氧基之間,同樣不受氧氣阻聚。

  極性:低,涂層表面能低,具有一定疏水性(抗污性好)。

  涂層性能:柔韌性優異,耐候性好(不易黃變),但交聯密度較低,硬度和耐刮性較弱。

  代表單體:乙基乙烯基醚、環己基乙烯基醚(多作為活性稀釋劑,改善低聚物流動性)。

  5. 含特殊基團的官能團

  羥基(-OH):引入羥基的單體(如 HEMA)可提升涂層與基材的附著力(通過氫鍵作用),并增強對顏料的潤濕性。

  氟代 / 硅代官能團:含氟(如氟代丙烯酸酯)或硅(如硅氧烷丙烯酸酯)的單體,可降低涂層表面能,賦予抗水、抗油、抗污性能,但成本較高。

  胺基(-NH?):少量引入可加速丙烯酸酯聚合(作為助引發劑),但可能增加黃變風險。

  三、官能團數量與種類的協同影響

  實際應用中,涂層性能需通過 “官能團數量 + 種類” 的組合設計實現平衡:

  例 1:高硬度 + 耐黃變需求 → 多官能團環氧丙烯酸酯(高交聯密度 + 低黃變)+ 少量甲基丙烯酸酯(降低收縮)。

  例 2:柔性 + 耐候性需求 → 雙官能團乙烯基醚(低極性 + 耐候)+ 單官能團丙烯酸酯(調節粘度與附著力)。

  例 3:快速固化 + 高附著力 → 雙官能團丙烯酸酯(快固化)+ 含羥基單體(增強附著力)。

  總結

  官能團數量:主要決定交聯密度,影響硬度、柔韌性、固化速度(官能度越高,交聯密度越大、硬度越高、固化越快,但柔韌性下降)。

  官能團種類:決定反應活性、極性、耐候性等,例如丙烯酸酯側重快速固化,環氧基側重耐化學性,乙烯基醚側重耐候與低表面能。

  通過合理搭配官能團的數量與種類,可精準調控涂層的綜合性能,滿足不同場景(如包裝、電子、建材)的需求。

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