水性紫外光固化材料雖然具有諸多優(yōu)勢，如柔韌性、耐磨性、耐沖擊性都非常好，但仍然有很多不足之處。首先，水的高蒸發(fā)熱導(dǎo)致了預(yù)干燥的耗能費(fèi)時(shí)，降低了光固化材料節(jié)省能源的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)，水的高表面張力對低表面能基材和顏料浸潤性差，易引起涂布不均;此外，與溶劑型紫外光固化涂料相比，水性紫外光固化涂料雙鍵含量和相對分子質(zhì)量太低，機(jī)械性能欠佳，而且固化膜中含有親水性基團(tuán)，因此不耐堿、不耐乙醇、不耐水，光澤和耐洗滌性差，體系的穩(wěn)定性也較差，對pH較為敏感等。
因此，要想將光固化水性體系完全代替現(xiàn)有的溶劑型紫外光固化涂料，還需要進(jìn)行深入的研究，對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。現(xiàn)階段對光固化水性體系的改性主要為以下5個(gè)方面。
2.1環(huán)氧改性
環(huán)氧樹脂之所以能夠應(yīng)用于特殊的領(lǐng)域，是由于環(huán)氧樹脂具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和韌性，將環(huán)氧樹脂與UV固化的水性聚氨酯相結(jié)合，可使改性產(chǎn)物即有較高的沖擊強(qiáng)度，又表現(xiàn)出高彈性。
KimaBK等使用季戊四醇制備出四官能度的聚氨酯預(yù)聚體，再使用縮水甘油酯或丙烯酸羥酯進(jìn)行封端，制得了封端型UV固化的水性聚氨酯，并討論了預(yù)聚體的相對分子質(zhì)量、封端劑的類型等對固化前后分散體的表面性能和力學(xué)性能的影響。
結(jié)果表明，模量、耐溶劑和熱穩(wěn)定性隨縮水甘油酯含量的增加而增加，吸水膨脹率隨縮水甘油酯含量的增加而減小。劉蕤采用環(huán)氧丙烯酸酯、TDI、聚丙二醇和丙烯酸羥乙酯等制備了環(huán)氧丙烯酸酯改性的光固化水性聚氨酯乳液。
結(jié)果表明：通過環(huán)氧丙烯酸酯改性的水性聚氨酯涂膜具有硬度高、耐水性和力學(xué)性能好等特點(diǎn)，并且克服了環(huán)氧樹脂直接用于水性聚氨酯改性制備過程中相容性不佳，而導(dǎo)致乳液貯存穩(wěn)定性差的不足。
魏丹等采用1，4-丁二醇、三羥甲基丙烷、環(huán)氧樹脂、水性涂料固化劑實(shí)現(xiàn)了漆膜的多重交聯(lián)，提高了分散體的相對分子質(zhì)量，提升了固化漆膜的交聯(lián)程度以及耐水性、耐溶劑性。
2.2有機(jī)硅改性
有機(jī)硅預(yù)聚物又名聚硅氧烷，是以一種主鏈結(jié)構(gòu)含有重復(fù)的Si)O鍵的預(yù)聚物，并具有可進(jìn)行聚合、交聯(lián)的反應(yīng)基團(tuán)如丙烯酰氧基、乙烯基或環(huán)氧基等。
主鏈中重復(fù)的Si)O結(jié)構(gòu)決定了它具有較高的柔性，而且無機(jī)性質(zhì)的Si)O主鏈還使得聚硅氧烷擁有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性以及較低的表面能。BAIChenyan等采用PDMS對UV固化水性聚氨酯進(jìn)行改性，將硅氧鍵引入聚氨酯主鏈中的軟段。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1采用PDMA改性的UV固化水性聚氨酯，分散體粒徑隨PDMA含量的增加而增大。oPDMA的加入雖使雙鍵轉(zhuǎn)化的速率有所降低，但不影響雙鍵的最終轉(zhuǎn)化率。
固化膜的表面能和吸水率都隨PDMA含量的增加有了大幅度的降低，水接觸角增加，這些都是PDMA憎水性的結(jié)果。PDMA的加入提高了固化膜的力學(xué)性能，當(dāng)PDMA的含量低于7%時(shí)，PDMA的加入對斷裂伸長率的影響可以忽略不計(jì)。
當(dāng)PDMA含量等于7%時(shí)，耐溶劑性和斷裂強(qiáng)度均較高，當(dāng)PDMA含量高于7%時(shí)，可顯示出較好的彈性和耐溶劑性。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)論為實(shí)際應(yīng)用研究奠定了較好的理論基礎(chǔ)。
王小軍等通過UV固化和有機(jī)硅交聯(lián)改性，引入多官能度的擴(kuò)鏈劑，制備出一種多重交聯(lián)固化的水性聚氨酯木器涂料，形成的涂膜固化前即具有較好的涂膜強(qiáng)度、機(jī)械性能和耐沾污性，固化后的涂膜具有更加優(yōu)異的耐水性、耐醇性、耐磨性和耐干熱性，以及良好的硬度和裝飾效果。
2.3超支化預(yù)聚體改性
超支化預(yù)聚物是一種端官能度很大的聚合物，端基的活性加之很大的官能度致使其反應(yīng)活性極高，與基材粘結(jié)性能較好。
若在端基引入親水基團(tuán)，在制得水性產(chǎn)物的同時(shí)，還可以引入較大的光引發(fā)活性基團(tuán)作為大分子光引發(fā)劑;另外，由于超支化預(yù)聚物有球狀外形，分子之間不易形成鏈段纏繞，所以黏度低，溶解性能好。
AnilaAsif等使用超支化的脂肪族聚酯作為原料制備出一種新型的可UV固化的水性聚氨酯產(chǎn)品。超支化的脂肪族聚酯與酸酐反應(yīng)可生成既帶有羥基又帶有羧基的產(chǎn)物，羥基的部分可與二異氰酸酯反應(yīng)生成氨基甲酸酯鍵，羧基雖然也含有活潑氫，但其反應(yīng)活性遠(yuǎn)小于羥基，在整個(gè)體系中作為離子基團(tuán)有助于整個(gè)離聚物在水中的分散。通過對改性后產(chǎn)品各種性能的測試，系統(tǒng)地討論了各種因素對產(chǎn)品最終性能的影響。隨著雙鍵含量增加，固化速度變快，固化膜的熱穩(wěn)定性提高，熱分解溫度升高。
2.4多硫醇-烯改性
傳統(tǒng)的UV固化水性聚氨酯材料，相比于一般的水性聚氨酯材料的性能雖然有了一定的提升，但仍然存在著一定的缺陷，其中氧氣對自由基引發(fā)的抑制作用在一定程度上限制了固化的效率。
DanielBOtts等[22]將多功能的硫醇交聯(lián)劑加入到聚氨酯-丙烯酸酯的分散體中，結(jié)果表明，硫醇烯的引入提高了UV固化水性聚氨酯的固化效率和機(jī)械性能，擴(kuò)大了聚氨酯材料在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
2.5雙重固化工藝的改性
光固化技術(shù)的固化過程是由光引發(fā)的，因此光固化體系會(huì)存在如下缺點(diǎn)：固化深度受限，在有色體系和不透明材質(zhì)中難以應(yīng)用;固化對象的形狀不能太復(fù)雜。為了提高固化速率，便發(fā)展出了將光固化與其它固化方式結(jié)合起來的雙重固化的方法。
在該方法中，體系的交聯(lián)或聚合反應(yīng)通過兩個(gè)獨(dú)立的具有不同反應(yīng)原理的階段來完成，一個(gè)階段是通過紫外光反應(yīng)來進(jìn)行，另一階段是通過熱固化、濕氣固化、氧化固化或厭氧固化反應(yīng)等暗反應(yīng)來進(jìn)行。
這樣不僅可以利用紫外光使體系快速定型或達(dá)到/表干0，而且可以利用暗反應(yīng)使/陰影0部分或內(nèi)層充分固化，達(dá)到/實(shí)干0。雙重固化技術(shù)的應(yīng)用，擴(kuò)展了UV固化涂料在不透明介質(zhì)、形狀復(fù)雜的基材、超厚涂層及有色涂層中的應(yīng)用，賦予UV固化涂料更強(qiáng)大的競爭力。
ChristianDecker等采用雙重固化的方法(不飽和鍵的UV固化和羥基與異氰酸酯基的熱固化反應(yīng))獲得三維網(wǎng)狀的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，材料的交聯(lián)密度、耐磨性、耐老化性和熱穩(wěn)定性都大大提高。
支劍等將3種雙固化聚氨酯丙烯酸酯低聚物與環(huán)氧丙烯酸酯組成不同的雙固化體系，利用實(shí)時(shí)紅外的方法研究了不同固化順序(先光固化后熱固化和先熱固化后光固化)對體系中CC雙鍵轉(zhuǎn)化率的影響。
結(jié)果顯示，先光固化后熱固化的固化順序更有利于體系達(dá)到高轉(zhuǎn)化率。通過測試不同體系固化后的硬度和柔韌性，證明涂膜硬度的大幅度提高是后期熱固化的結(jié)果。
3結(jié)語
紫外光固化水性聚氨酯是環(huán)保型高分子材料研究的一個(gè)新興領(lǐng)域，除了具有前面敘述的優(yōu)點(diǎn)以外，還有一個(gè)更重要的特點(diǎn)，就是能兼顧涂膜的硬度和柔韌性，已有不少科研機(jī)構(gòu)陸續(xù)投入對紫外光固化水性聚氨酯的研究，已經(jīng)取得了不少研究成果，也有部分產(chǎn)品投入市場。
盡管紫外光固化水性聚氨酯仍存在一些質(zhì)量問題，但它仍然是將來最有前途的樹脂品種。因此，將來開展UV固化水性聚氨酯研究的重要課題以及該產(chǎn)品今后的發(fā)展趨勢，主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)開發(fā)水溶性好、高沸點(diǎn)的光引發(fā)劑;(2)開發(fā)高相對分子質(zhì)量，表干性能好的UV固化水性聚氨酯樹脂;(3)開發(fā)雙鍵含量可調(diào)或高固含量UV固化水性聚氨酯樹脂，以滿足不同的使用要求;(4)開發(fā)多重固化體系，解決紫外線的穿透深度和陰影區(qū)域難固化的問題。
