摘 要

紫外光固化工艺技术因其高效、污染少、涂膜综合性能优异等特点得到了迅速发展。本文以双酚A型环氧树脂（E-51）和丙烯酸为原料，由开环酯化反应，得到了不饱和双键封端的环氧丙烯酸酯齐聚物；通过加入顺丁烯二酸酐在齐聚物中引入亲水性基团，并用有机胺将聚合物中和成盐，得到紫外光可固化的水溶性环氧丙烯酸酯聚合物。重点研究了不同催化剂及其用量、反应温度等对聚合反应速率的影响；采用红外光谱等方法表征了所得聚合物的基本结构；详细研究了该不同组成比例水溶性环氧丙烯酸酯的光固化特性和涂膜的基本性质。实验研究结果表明：中和后制备的固含量为60%水溶性聚合物光固化后铅笔硬度为3H，附着力为0级，耐水性优良。

关键词：水溶性；紫外光固化；环氧丙烯酸酯

Abstract

UV curing technology has been rapidly developed because of its high efficiency, low pollution, excellent performance of the film and other characteristics. In this paper, Epoxy acrylate oligomers capped with unsaturated double bond were obtained by ring-opening esterification with bis-phenol A epoxy resin (E-51) and acrylic acid. By adding maleic anhydride， the hydrophilic groups were introduced into the oligomer and the polymer was neutralized with an organic amine to obtain a UV-curable water-soluble epoxy acrylate polymer. The effects of different catalysts, their dosage and reaction temperature on the polymerization rate were studied. The basic structures of the polymers were characterized by infrared spectroscopy. The photo curable properties of the water-soluble epoxy acrylates and the basic properties of the film were studied in detail. The results show that the hardness of the pencil is 3H, the adhesion is 0, and the water resistance is excellent when the solid content of the water-soluble polymer is 60%

Key Words：water-soluble；UV curing；Epoxy acrylate

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2紫外光固化涂料 1

1.2.1 紫外光固化机理 2

1.2.2 紫外光固化涂料发展概况 3

1.3 UV固化水性涂料 5

1.4 UV固化水性环氧丙烯酸酯 7

1.5 主要研究内容及技术方案 8

第2章 UV固化水性环氧丙烯酸酯的合成 9

2.1 实验原料与仪器 9

2.1.1 实验原料 9

2.1.2 实验仪器及设备 9

2.2 合成路线及工艺 9

2.3 实验方案 10

2.3.1 环氧丙烯酸酯的合成 10

2.3.2 顺酐改性环氧丙烯酸酯的合成 11

2.3.3 紫外光固化水溶性环氧丙烯酸酯的合成 11

2.3.4 涂膜制备 11

2.4 树脂物性测试 11

2.4.1 酸值的测定 11

2.4.2 树脂水溶性测试 12

2.4.3 固含量测定 12

2.5 红外光谱表征 13

2.6 涂膜性能测试 13

2.6.1 光固化速度 13

2.6.2 硬度测试 13

2.6.3 附着力测试 13

2.6.4 耐水性测试 13

第3章 实验结果分析与讨论 14

3.1 环氧丙烯酸酯（EA）的合成 14

3.1.1 催化剂种类对反应速度的影响 14

3.1.2 催化剂用量对反应速度的影响 14

3.1.3 温度对反应速度的影响 15

3.1.4 红外光谱表征 16

3.1.5 合成环氧丙烯酸酯（EA）最佳条件 17

3.2 顺酐改性环氧丙烯酸酯（EB）的合成 18

3.2.1 温度的影响 18

3.2.2 羧基含量和固含量对水溶性的影响 18

3.2.3 红外光谱表征 18

3.2.4 合成顺酐改性环氧丙烯酸酯（EB）的最佳条件 19

3.3 涂膜性能比较 19

第4章 结论 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

开发具有低挥发性有机化合物（VOC）的高质量涂料是涂料行业如今的研究开发热点之一。为了寻求满足环保、安全、耐光、耐化学品尤其是低VOC等各种新要求的涂料，紫外光（UV）固化、水性、高固体分和粉末等环境友好型涂料得到了越来越多的关注^{[1, 2]}。但光固化涂料由于含有较多活性稀释剂存在着污染环境，附着力不高等问题^{[1, 3]}，而水性涂料存在润湿性差、涂布不均、涂膜光泽度较低等缺点^[4]。

水性涂料以水为溶剂，包含水溶性、水分散性和水乳性三种，具有环境友好、安全性高等优点^[5]。丙烯酸酯涂料因在实践中显现出防腐、耐碱、耐水、涂膜性能好、保色性佳、无污染等优良性能而经常被用来作为高品质水性涂料的基体^[3]。

UV固化是辐射固化的一种，是一种高效、环保、节能的新型固化技术，指的就是液态预聚物受到紫外光辐照，光引发剂分解形成阳离子（或自由基），从而引发固化体系中所含活性基团的自由基或阳离子聚合，进一步形成体型大分子结构的过程^[6-8]。UV固化具有高效、环保、固化所需温度低、设备占地面积小、经济效益高等优点^[9-11]。

基于以上特点的水性光固化涂料以水作为稀释剂，由水基UV树脂、光引发剂和表面活性剂三大部分组成，显而易见兼具了低能量消耗、高化学稳定性、低VOC、低成本、高安全性、设备易于清洗等特点，更重要的是，使涂膜具有高硬度的同时还具有高柔韧性^{[8, 12]}。不饱和聚酯（UP）、环氧丙烯酸酯（EA）等是水性UV树脂的常见类型^[10]。

相比于存在挥发性、气味和毒性的传统UV固化涂料和具有固化时间较长、需加热固化、能耗高等缺点的水性涂料，水溶性光固化涂料的粘度和流变性能可通过向其中加水或各种助剂来进行调节；并且在使用高粘度的树脂时，该涂料用水作为稀释剂，可以增大固化膜对底材的附着力，故而以其环保安全、性能优良的优点而赢得了人们的青睐，被广泛应用于水性油墨、木器清漆等领域，还有适用于各种类型油墨、皮革涂层等领域的水性UV涂料正在研究中。

1.2紫外光固化涂料

紫外光（UV）固化是指反应性液体在紫外线照射下吸收辐射能量快速转变为固体的过程。与热固化、常温固化等方法相比，UV固化：①高效，是各种对固化速度要求高的产品的福音；②无需加热，这对于热稳定性差或热容量大的材料很实用；③配方中可以避免使用溶剂，对环境保护有较大贡献；④节能，固化效率高；⑤可以使用机器替代人工，节省人力，提高自动化水平^{[13, 14]}。