[发明专利]用于UV-LED固化乙烯基超支化水性聚氨酯及其合成方法

说明书

本发明公开了用于UV‑LED固化乙烯基超支化水性聚氨酯及其合成方法；合成方法为：1)二异氰酸酯与二元醇反应制备含NCO基的中间体A₂；在低温下与支化剂反应制备AB₂中间体，在40℃‑55℃反应制备含羟基超支化聚氨酯。2)二异氰酸酯与亲水单体反应后与(甲基)丙烯酸羟基酯反应制备含亲水基团和NCO基的半加成物。3)将羟基超支化聚氨酯加入反应釜，与含亲水基团的半加成物反应至NCO含量低于0.1％，中和乳化得到乙烯基超支化水性聚氨酯。本发明所得超支化水性聚氨酯乙烯基官能度高达16，易于通过配方和工艺调控产物的分子量、乙烯基官能度、涂膜硬度和柔韧性，非常适用于水性UV‑LED固化涂料。

技术领域

本发明涉及UV固化涂料的制备领域，具体涉及一种用于UV-LED固化乙烯基超支化水性聚氨酯的制备方法。

背景技术

UV固化是指在紫外光的照射下物质从低分子转变为高分子的一个过程，不同于普通的热固化、自然固化和交联剂固化等。其固化机理为：光照射使得光引发剂裂解成为自由基或阴阳离子，进一步引发含活性基团的单体发生聚合反应，聚合成不溶不熔的固体涂膜。与传统的固化技术相比，UV固化技术节约能源、固化速度快、涂膜性能好、适用于大规模工业化生产。

常规溶剂型UV固化树脂在使用前必须加入活性单体稀释以调节其粘度，改善流动性，活性稀释剂虽然挥发性很低，对环境污染较小，固化后成为涂膜的一部分，但是它具有强烈的气味，对皮肤及呼吸系统有一定的刺激性，对产品的安全卫生和长期性能造成不良影响，而且活性稀释剂的加入增大了涂膜的收缩率，使涂膜的力学性能下降。随着人们环保意识的增强和国家环保法规的制约，用活性单体稀释的光固化涂料将会被逐步限制使用。

为避免由活性稀释剂带来的负面影响，水性UV固化体系成为近年来研究的焦点。它有如下优点：流变性能易控制，从而避免了使用活性稀释剂调节体系黏度时所导致的固化收缩等现象；最终产品具有低VOC排放量、低毒性和低刺激性气味等特点；提高了固化胶膜的光洁度，降低了胶层的易燃性；其低聚物是高相对分子质量的水性分散体，但其黏度只与固含量有关，与分子量无关，从而解决了光固化涂层高硬度和高柔韧性不能同时兼顾的难题。但其仍有一点不足，目前用于UV固化的水性树脂固化所需能量比传统溶剂型树脂高。

在UV固化体系中使用的典型光源有：中高压汞灯、金属卤素灯、无极灯、氙灯和UV-LED灯。常规UV光源为高压汞灯，然而像汞灯这样的传统光固化设备发射出的光的光谱范围较宽，大多数波段的光都无法应用在光聚合过程中；而且汞灯的使用寿命有限，为1500-2000h；此外，汞灯的能耗较大，输入的能量中大约只有30％的能量可用于产生紫外光，同时散发大量的热。另外，长时间使用汞灯容易产生大量的臭氧，而且在回收废旧汞灯的过程中，汞可能会释放到环境中，严重危害人体健康和生态安全。为降低汞污染，联合国环境规划署理事会已经在水俣公约中提倡减少汞设备的使用，因此，寻找一种可以替代汞灯的光源设备非常有必要。

在UV-LED固化体系中使用的UV-LED光源与传统UV光源相比，表现出了诸多优点：(1)使用寿命长，可达30000-40000h，更换维护周期长，节省使用费用；(2)红外辐射低，发热量小，适合液晶、薄膜等热敏感材料的固化；(3)环保安全，不含汞；(4)波峰单一，能量集中在狭窄的紫外光谱段；(5)高效节能；(6)低压直流电工作，驱动安全方便，用于便携设备时可用电池供电；(7)可近距离直接照射，结构简单，体积小巧，安装灵活；(8)照射头形式灵活多变，方便制作点、线、面光源及3D光源；(9)可瞬间启动与关闭，无需快门，无需预热就可达100％功率输出，作业效率得到提高；(10)可实现脉冲驱动与输出精确调节，有助于消除应力；(11)光电衰减特性个体差异小，光输出稳定，适合生产线批量使用PLC控制与设备管理；(12)UV-LED方式无臭氧产生，改善了工人的工作环境，无需再安装捕捉和焚化设备来消除臭氧的危害。从上述各种优势可见，UV-LED固化系统不仅明显降低了成本而且还减少了对环境的污染和能源的损耗。此外，UV-LED固化系统几乎不产生热量，适用于多种热敏介质，如塑料薄膜印刷基材。