[发明专利]高分子涂料的激光化学固化方法

说明书

本发明涉及涂料和油墨的固化，更确切地讲，涉及所述涂料和油墨的激光固化。

易于进行紫外光固化的透明或加颜料的涂料和油墨，譬如，用于油漆和印刷工业的那些，由于它们能被很快固化，固化所需空间小，并能减少或消除溶剂向环境的逸散，它们正在得到更广泛的承认。紫外涂料通常由一种液体或固体聚合物和/或齐聚物和/或一种单体，和一种光引发剂所组成。光引发剂可选择性地加有氢给体，如胺或硫醇及它们的同类物，包括高分子化的同类物，以便增加用来引发聚合物链的自由基的量。当光引发剂分子吸收一个光子后形成一个自由基，该自由基与一个单体或聚合物结合，引发聚合物长链的增长，从而达到涂料或油墨的固化。通常的紫外灯体系需要每平方厘米1焦耳或更大的通量，以保证固化的涂料或膜具有实用的厚度。在消耗此种能量以达到实用的固化速度的同时，如果能够减小通量，使得用同样的光能固化更多的膜从而提高效率，便可获得更大的优越性。能够自由选择最佳波长及波长带宽，也是有利的。另外，当涂层较厚时，涂层的表面常常比其内部先固化，导致涂层起皱以及表面粘着力差。

现在是用炉子来除去溶剂，从而干燥和/或聚合以传统溶剂或以水溶液为主的涂料。这种炉具占据相当大的空间，并需要相对多的能量以维持炉温并保障通风以除去溶剂蒸气。在整个涂层深度具有更均匀的固化速度的必要性，如同通过减小光通量以达到光聚合所得到裨益一样，是显而易见的。现在，用紫外灯干燥透明的涂料和油墨，但臭氧、散热及无用波长的光都可降低其效力。这些灯发出的光，只有很少一部份能够穿透通常的厚的颜料涂层，以至用于这种目的灯没有什么商业价值。

本发明利用特别选择的紫外激光能量完成涂料和油墨的预定形式的固化，期望解决与先前的涂料和油墨的固化工艺体系有关的一些问题。

一方面，本发明包括一种固化涂料、包括将涂料用于一表面的方法，该涂料包括一液体或固体聚合物和/或齐聚物和/或一单体及至少一种光引发剂，并用至少一个预定波长的紫外激光对涂料进行辐照，其中选用至少一个预定波长的光，使它被至少一种光引发剂而不被涂料的其它组份所优先吸收。在该涂料为一种带颜料涂料或油墨的形式时，涂料还可含有一种颜料，并且至少选择一个预定波长的激光，使颜料对光的吸收达到最小。

按照本发明所述，实际上优先选用的方法是将激光以脉冲形式施于涂料。更具体地说，完成固化至少需要25个激光脉冲，另一种方案至少需要50个脉冲。希望所用激光单脉冲通量保持在低水平，最好是小于3毫焦/厘米²。更有利的是，已经发现，若保持一给定脉冲重复频率，减小单脉冲通量并增加施于涂料或油墨的脉冲总数，则可大大减少完成固化所需要的总能量。

另一个实施方案中使用两种光引发剂，两者中的每一个各选择性地吸收一个不同的给定波长的激光，使得一种光引发剂用于固化整个涂层，而另一种用于固化涂层的表面。

通常，颜料涂层的厚度≥0.5微米;透明涂层的厚度≥2微米;印刷油墨的厚度≤20微米。

本发明的激光固化工艺仅需涂料或油墨中含有很少或不含有溶剂，因而所需空间最小，并提供一种环境系统允许的工艺。另外，用本发明的工艺进行激光固化，其成本仅为现有热固化工艺的一小部份，而且还避免了空气干燥的有关问题。通常颜料涂料的热炉干燥需要相当大的空间和能量，以维持一定的温度及消除溶剂蒸气的通风设施。

利用本发明，通量低至0.0001毫焦/厘米²/脉冲的激光脉冲即可用于透明涂料的固化。最佳通量为0.002毫焦/厘米²/脉冲，施加180次脉冲。在该通量下，一个100瓦紫外激光灯可固化宽1米、厚7微米的膜，走速为750米²/分。可以将此与单紫外灯固化（1米宽内灯光强为200-300瓦/英寸）及单电子束固化相比较，前者通常的走速为80米²/分，后者为400米²/分。利用低单脉冲通量和多脉冲辐照，可在透明高分子涂料的固化中获得极高的能量效率。对于低通量固化，可用比尔定律来确定在所需的涂层厚度下光引发剂的最佳浓度，从而使涂层的整个厚度都能够得到固化。利用本发明，除光引发剂所需外，不需要用更多的光能，因为从优先选择的角度考虑，涂料中的其它组份在所选定的波长下基本不产生吸收。与固化涂料所常用的通量相比，这种工艺使通量大大降低，并且由于最终所需的光子数少得多，因而完成固化的净花费低许多，尽管用激光器产生一个光子的成本比用普通灯要高。同样，与以前相比，所需通量的降低，则转化为敷有涂料的材料产量大大增加。