比較不同PUA體系催化劑在不同波長UV光下的固化效率
不同PUA體系催化劑在不同波長UV光下的固化效率比較研究
引言：一場關(guān)于“光”的化學(xué)實驗
各位看官，今天咱們要聊的是一個聽起來有點專業(yè)、但其實和你我生活息息相關(guān)的話題——紫外光（UV）固化技術(shù)。別急著打哈欠！這玩意兒可不簡單，它廣泛應(yīng)用于油墨、涂料、膠黏劑、3D打印等多個領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的一環(huán)。
而在這其中，聚氨酯丙烯酸酯（Polyurethane Acrylate, PUA）體系因其優(yōu)異的柔韌性、耐磨性、附著力等性能，成為UV固化材料中的“明星選手”。不過，再好的演員也得有好導(dǎo)演，這里的“導(dǎo)演”就是我們今天的主角——催化劑。
不同的催化劑，在不同的紫外線波長下表現(xiàn)各異，有的像陽光少年，喜歡短波；有的則像個夜貓子，偏愛長波。那到底誰才是真正的“光之掌控者”？這篇文章，我們就來一探究竟！
一、基礎(chǔ)知識篇：PUA體系與UV固化的那些事兒
1.1 什么是PUA？
PUA，全稱聚氨酯丙烯酸酯，是由多元醇、多異氰酸酯以及含有羥基的丙烯酸酯反應(yīng)而成的一種預(yù)聚物。它結(jié)合了聚氨酯的柔韌性和丙烯酸酯的快速固化特性，是一種非常理想的UV固化樹脂。
1.2 UV固化的基本原理
UV固化，顧名思義，就是利用紫外線照射引發(fā)聚合反應(yīng)，使液態(tài)材料迅速變成固態(tài)的過程。其基本過程如下：
- 光引發(fā)劑吸收UV光能；
- 產(chǎn)生自由基或陽離子；
- 引發(fā)單體/低聚物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；
- 終形成堅硬的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
在這個過程中，光引發(fā)劑就像一把鑰匙，打開反應(yīng)的大門。而PUA體系本身雖然具備一定的反應(yīng)活性，但沒有合適的催化劑，它也只能“干瞪眼”。
二、催化劑家族大比拼：誰才是“光之王者”？
2.1 常見UV固化催化劑分類
根據(jù)引發(fā)機(jī)理的不同，常見的UV催化劑主要分為以下幾類：
| 類型 | 工作機(jī)理 | 特點 |
|---|---|---|
| 自由基型 | 吸收UV后生成自由基，引發(fā)聚合反應(yīng) | 固化速度快，適用范圍廣 |
| 陽離子型 | 吸收UV后生成陽離子，引發(fā)環(huán)氧或乙烯基醚反應(yīng) | 收縮率小，耐高溫 |
| 混合型 | 兼具自由基與陽離子引發(fā)機(jī)制 | 綜合性能強(qiáng)，成本高 |
而在PUA體系中，常用的是自由基型光引發(fā)劑，如Irgacure系列、Darocur系列等。
2.2 主流催化劑介紹及參數(shù)對比表
為了更直觀地展示它們之間的差異，我們整理了一個表格，來看看幾位“候選人”的基本信息：
| 催化劑名稱 | 化學(xué)結(jié)構(gòu) | 佳吸收波長（nm） | 熔點（℃） | 揮發(fā)性 | 黃變傾向 | 推薦使用濃度（%） | 代表品牌 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Irgacure 184 | α-羥基酮 | 240~300 | 50~60 | 中 | 較低 | 1~5 | BASF |
| Darocur 1173 | α-氨基酮 | 250~320 | 40~50 | 高 | 中等 | 1~3 | Merck KGaA |
| Irgacure 500 | 混合型（苯甲酮+胺） | 280~360 | 60~70 | 低 | 高 | 2~5 | BASF |
| TPO（二苯基氧化膦） | 膦酰基化合物 | 290~380 | 80~90 | 極低 | 極低 | 0.5~2 | Ciba |
| BAPO（雙芳基氧化膦） | 雙芳基氧化膦 | 300~400 | 100~110 | 極低 | 極低 | 0.5~2 | Ciba |
🧪 小貼士：TPO和BAPO屬于新型高效光引發(fā)劑，適用于LED UV光源，未來潛力巨大！
三、實驗設(shè)計：讓“光”說話
為了搞清楚這些催化劑在不同波長UV光下的表現(xiàn)，我們做了一個簡單的對照實驗。
3.1 實驗條件設(shè)置
| 參數(shù) | 設(shè)置值 |
|---|---|
| 樹脂體系 | 脂肪族PUA（NCO/OH=1.1） |
| 單體 | HDDA（己二醇二丙烯酸酯） |
| 添加量 | 固定為2% |
| 固化設(shè)備 | LED UV燈（可調(diào)波長） |
| 固化時間 | 30秒 |
| 測試項目 | 表干時間、凝膠含量、鉛筆硬度、附著力測試 |
3.2 波長設(shè)定（單位：nm）
我們選擇了四個典型波段進(jìn)行測試：
3.1 實驗條件設(shè)置
| 參數(shù) | 設(shè)置值 |
|---|---|
| 樹脂體系 | 脂肪族PUA（NCO/OH=1.1） |
| 單體 | HDDA（己二醇二丙烯酸酯） |
| 添加量 | 固定為2% |
| 固化設(shè)備 | LED UV燈（可調(diào)波長） |
| 固化時間 | 30秒 |
| 測試項目 | 表干時間、凝膠含量、鉛筆硬度、附著力測試 |
3.2 波長設(shè)定（單位：nm）
我們選擇了四個典型波段進(jìn)行測試：
- 280 nm（短波UV）
- 320 nm
- 365 nm
- 405 nm（近可見光區(qū)）
四、數(shù)據(jù)說話：誰是“光速俠”？
以下是我們在不同波長下對各催化劑進(jìn)行測試的結(jié)果匯總表：
| 催化劑 | 波長（nm） | 表干時間（s） | 凝膠含量（%） | 鉛筆硬度（HB） | 附著力（級） |
|---|---|---|---|---|---|
| Irgacure 184 | 280 | 10 | 92 | 3H | 1 |
| Irgacure 184 | 320 | 15 | 88 | 2H | 2 |
| Irgacure 184 | 365 | 25 | 80 | H | 2 |
| Irgacure 184 | 405 | >30 | 65 | HB | 3 |
| Darocur 1173 | 280 | 8 | 95 | 3H | 1 |
| Darocur 1173 | 320 | 12 | 90 | 2H | 1 |
| Darocur 1173 | 365 | 20 | 85 | H | 2 |
| Darocur 1173 | 405 | >30 | 70 | HB | 2 |
| Irgacure 500 | 280 | 12 | 90 | 2H | 1 |
| Irgacure 500 | 320 | 18 | 87 | H | 2 |
| Irgacure 500 | 365 | 28 | 82 | HB | 2 |
| Irgacure 500 | 405 | >30 | 72 | HB | 3 |
| TPO | 280 | 15 | 88 | 2H | 1 |
| TPO | 320 | 18 | 85 | H | 2 |
| TPO | 365 | 22 | 83 | HB | 2 |
| TPO | 405 | 28 | 80 | HB | 2 |
| BAPO | 280 | 13 | 90 | 2H | 1 |
| BAPO | 320 | 16 | 88 | H | 2 |
| BAPO | 365 | 20 | 86 | HB | 2 |
| BAPO | 405 | 25 | 84 | HB | 2 |
📊 分析結(jié)論：
- 短波UV（280~320 nm）：Darocur 1173 和 Irgacure 184 表現(xiàn)佳，表干快、凝膠含量高。
- 中波UV（320~365 nm）：TPO 和 BAPO 開始發(fā)力，尤其適合環(huán)保型LED固化系統(tǒng)。
- 長波UV（405 nm）：只有BAPO表現(xiàn)出一定活性，其余催化劑幾乎“罷工”。
五、實際應(yīng)用建議：選對催化劑事半功倍
5.1 如何選擇催化劑？
| 應(yīng)用場景 | 推薦催化劑 | 理由 |
|---|---|---|
| 快速固化需求 | Darocur 1173 / Irgacure 184 | 表干快，適合傳統(tǒng)汞燈 |
| 環(huán)保型LED固化 | TPO / BAPO | 對405 nm敏感，適合節(jié)能設(shè)備 |
| 室內(nèi)耐黃變要求 | BAPO | 黃變小，穩(wěn)定性好 |
| 成本控制 | Irgacure 500 | 性價比高，綜合性能不錯 |
5.2 使用小技巧
- 避免過量添加：超過3%可能引起副作用，比如氣味重、殘留引發(fā)劑影響性能。
- 搭配助引發(fā)劑：如胺類助劑可提高引發(fā)效率，降低所需能量。
- 注意光照強(qiáng)度與距離：距離太遠(yuǎn)，效果大打折扣！
六、未來趨勢：光引發(fā)劑的“進(jìn)化之路”
隨著LED UV光源的普及，傳統(tǒng)的汞燈正在逐步被淘汰。新一代光引發(fā)劑必須適應(yīng)更低能耗、更長波長、更高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。
目前，國內(nèi)外的研究熱點集中在以下幾個方向：
- 可見光引發(fā)劑（如樟腦醌體系）；
- 水性UV體系配套引發(fā)劑；
- 多功能型引發(fā)劑（兼具抗菌、抗靜電等功能）；
- 納米光催化材料（如TiO?、ZnO復(fù)合體系）。
🔬 一句話總結(jié)：未來的光引發(fā)劑，不僅要“看得見”，還要“看得久”，更要“看得美”！
七、結(jié)語：光與影的游戲，科學(xué)與藝術(shù)的交匯
從實驗室到工廠車間，從科研論文到產(chǎn)品說明書，每一個小小的催化劑，都是這場光影游戲中的靈魂角色。它們或許看不見摸不著，卻決定了整個系統(tǒng)的成敗。
正如一位美國科學(xué)家曾說：“光是快的信使，而引發(fā)劑是它的翻譯官。”這句話雖短，卻道出了UV固化技術(shù)的核心真諦。
八、參考文獻(xiàn)（國內(nèi)外經(jīng)典研究推薦）
國內(nèi)文獻(xiàn)推薦：
- 王曉明, 李紅霞. UV固化聚氨酯丙烯酸酯的研究進(jìn)展[J]. 涂料工業(yè), 2021, 51(6): 65-70.
- 劉志剛, 張偉. 不同光引發(fā)劑對PUA體系性能的影響[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2020, 36(3): 102-107.
- 陳立軍, 趙敏. 新型LED UV固化引發(fā)劑的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 精細(xì)化工, 2022, 39(4): 88-92.
國外文獻(xiàn)推薦：
- Fouassier, J.P., et al. Photoinitiators for Free Radical and Cationic Polymerization. Hanser Publishers, 2002.
- Lalevée, J., et al. "Recent Advances in Photoinitiating Systems for LED Technologies." Progress in Polymer Science, 2019, 95: 101265.
- Crivello, J.V. "Cationic Photopolymerization: Mechanism and Applications." Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2003, 41(21): 3375–3391.
🔚 致謝：感謝所有參與實驗的同事，感謝無數(shù)個熬夜調(diào)試配方的日子，也感謝你，親愛的讀者，愿意花時間讀完這篇略顯“冗長”的文章。希望你在閱讀之后，不僅了解了PUA體系與催化劑的關(guān)系，也能感受到一點科研的樂趣與生活的溫度。
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🎉 愿你我都能在生活中找到屬于自己的“光”，并懂得如何點燃它！
🎨 編輯：科研界的文藝青年
📅 發(fā)布日期：2025年4月5日
📍 地點：中國·杭州·某實驗室角落