光（UV）固化技術(shù)是一種高效、環(huán)保、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)的面向21世紀(jì)的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于涂料、膠黏劑、油墨、光電子等領(lǐng)域。自1946年美國Inmont公司取得**個UV固化油墨專利、1968年德國Bayer公司開發(fā)了**代UV固化木器涂料以來，光固化涂料在全球獲得迅速發(fā)展。近幾十年來，一大批新型、高效的光引發(fā)劑、樹脂、單體和先進(jìn)的UV光源被應(yīng)用于UV固化，促進(jìn)了UV固化涂料工業(yè)的發(fā)展。
光固化技術(shù)不斷進(jìn)步
光固化技術(shù)是指以光為能源，通過光照使光引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基或離子等活性種，這些活性種引發(fā)單體聚合，使之由液體快速轉(zhuǎn)化為固體聚合物的技術(shù)，由于其能耗低（為熱聚合的1/5到1/10）、速度快（幾秒至幾十秒完成聚合過程）、無污染（沒有溶劑揮發(fā)）等優(yōu)點而被稱為綠色技術(shù)。
目前中國已成為光聚合材料的**應(yīng)用國之一，在該領(lǐng)域的發(fā)展備受國際關(guān)注。在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，發(fā)展無污染環(huán)保光聚合技術(shù)顯得十分重要。據(jù)統(tǒng)計，全球每年向大氣釋放的碳?xì)浠衔锛s為2000萬噸，大部分是涂料中的有機(jī)溶劑。在涂料制造過程中排放到大氣中的有機(jī)溶劑為涂料生產(chǎn)量的2%，在涂料的使用過程中揮發(fā)的有機(jī)溶劑為涂料量的50%~80%。為了降低污染排放，UV固化涂料正在逐漸取代傳統(tǒng)的熱固化涂料和溶劑型涂料。
隨著光固化技術(shù)的不斷進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域也將逐步拓寬。早期光固化技術(shù)主要是在涂料方面，因為當(dāng)時還無法解決光在有色體系中的滲透和吸收問題。但隨著光引發(fā)劑的發(fā)展以及光源功率的提高，光固化技術(shù)逐漸可以適應(yīng)不同油墨體系的需求，光固化油墨獲得了迅速發(fā)展。近年來光固化技術(shù)的不斷進(jìn)步，使其可以向其他領(lǐng)域滲透。由于基礎(chǔ)研究的進(jìn)步，對光固化基礎(chǔ)機(jī)理的理解更為深入，而社會環(huán)境的變遷也會對光固化技術(shù)提出新的要求，光固化技術(shù)得以創(chuàng)新發(fā)展。
光固化涂料應(yīng)用越來越廣泛
2019年，全球UV涂料的產(chǎn)值在150億美元，UV油墨的產(chǎn)值在50億美元左右，UV粘合劑的產(chǎn)值在2億美元以上；在我國，UV涂料的產(chǎn)值約為90億元，UV油墨產(chǎn)值約為60億元，UV粘合劑的產(chǎn)值在12 億元以上；按原料計算，光固化樹脂的產(chǎn)值為70億元，光固化單體產(chǎn)值為71億元，光引發(fā)劑的產(chǎn)值約為60億元。UV固化涂料包括：
光固化竹木涂料：作為我國的一個特色產(chǎn)品，竹家具和竹地板等制品目前多采用UV固化涂料。國內(nèi)各種地板UV涂裝的比例非常高，是UV涂料的重要用途之一。
光固化紙張涂料：作為最早使用的UV涂料品種之一，UV紙張上光涂料在各種印刷品中都有應(yīng)用，尤其是廣告及刊物封面，目前仍然是較大的UV涂料品種。
光固化塑料涂料：塑料制品為了美觀及耐性要求，都需進(jìn)行涂裝，UV塑料涂料的種類很多，要求差異大，但多以裝飾為主，最為常見的UV塑料涂料是各種家電、手機(jī)等的外殼。
光固化真空鍍膜涂料：為增加包裝的質(zhì)感，目前最常見的方法是將塑料通過真空蒸鍍進(jìn)行金屬化處理，這一過程中需要用到UV底漆、面漆等產(chǎn)品，其主要用途是化妝品包裝。
光固化金屬涂料：金屬的UV涂料包括UV防銹底漆、UV固化金屬臨時保護(hù)涂料、金屬UV裝飾涂料、金屬UV表面保護(hù)涂料等。
光固化光纖涂料：光纖的生產(chǎn)從底到面需要經(jīng)過4~5次涂裝，目前幾乎全部用光固化的方式完成，UV光纖涂料也是光固化應(yīng)用最為成功的例子，其光固化速度可到3000米/分鐘。
光固化保形涂料：對于戶外產(chǎn)品，尤其是電子產(chǎn)品，需要經(jīng)受風(fēng)吹雨淋等自然環(huán)境變化的考驗，為了保證產(chǎn)品的長期正常使用，需要對電器等進(jìn)行保護(hù)，UV保形涂料就是針對這一應(yīng)用開發(fā)的，旨在延長電器的使用壽命和使用穩(wěn)定性。
光固化玻璃涂料：玻璃自身的裝飾性很差，如果需要玻璃產(chǎn)生彩色效果，就需要進(jìn)行涂裝，UV玻璃涂料應(yīng)運(yùn)而生，該類產(chǎn)品對耐老化、耐酸堿的要求高，是一款高端UV產(chǎn)品。
光固化陶瓷涂料：陶瓷為了增加其美觀性，需要進(jìn)行表面涂裝，目前應(yīng)用于陶瓷的UV涂料主要有陶瓷噴墨涂料、陶瓷花紙涂料等。
光固化石材涂料：天然石材會有各種缺陷，為了提高其美觀度，需對石材進(jìn)行修飾，光固化石材涂料的主要目的就是修復(fù)天然石材的缺陷，對強(qiáng)度、色澤、耐磨、耐老化的要求高。
光固化皮革涂料：UV皮革涂料有兩大類，一是UV皮革離型涂料，用于人造皮革花紋紙的制備，其用量非常大；另一類是皮革的裝飾涂料，改變天然或人造皮革的外觀，增強(qiáng)其裝飾性。
光固化汽車涂料：車燈從內(nèi)到外都會用到光固化技術(shù)，燈碗、燈罩都需要通過光固化技術(shù)來進(jìn)行涂裝；汽車的內(nèi)外飾中有大量部件用到光固化技術(shù)如儀表盤、后視鏡、方向盤、檔把手、輪轂、內(nèi)飾條等；汽車的保險桿通過光固化技術(shù)制備，而表面涂裝也是光聚合來完成；汽車的大量電子部件如車載顯示器、中控板等等的制備也需要用到光固化材料；而現(xiàn)在流行的車衣，其表面的耐老化涂層也是通過光固化技術(shù)來完成的；而汽車車身涂料已經(jīng)實現(xiàn)了光固化；汽車的漆膜修復(fù)、玻璃破損修復(fù)等也會用到光固化技術(shù)。
光固化水性涂料：為解決UV涂料噴涂需要添加溶劑而造成污染的問題，目前一個重要的方向是UV涂料的水性化，以水為溶劑來提高UV涂料的施工性能，目前國內(nèi)外水性涂料都處于起步階段。
光固化粉末涂料：將普通粉末涂料與光固化技術(shù)結(jié)合，開發(fā)的光固化粉末涂料具有固化溫度低、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異、應(yīng)用面廣的特點。該涂料在我國處于研發(fā)階段，但國外已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。
光固化抗靜電涂料：光固化抗靜電涂料是在UV涂料中添加抗靜電組分，來增加涂層抗靜電能力的一種特殊涂料，雖然應(yīng)用量不大，但有其特殊性。
光固化阻燃涂料：光固化涂料有時需要阻燃的效果，因而可以通過添加特殊阻燃劑的方法來解決涂料的阻燃問題。雖然一些通用的阻燃劑可以應(yīng)用到UV涂料中賦予其阻燃效果，但由于UV涂料的特殊性，比如透光要求等，UV阻燃涂料的阻燃劑還有其特殊結(jié)構(gòu)要求。
光固化氟碳涂料：氟碳涂料由于其良好的耐候性能被廣泛應(yīng)用，目前光固化氟碳涂料的應(yīng)用也越來越普遍，關(guān)鍵是解決不同組分的互溶性問題，需從材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計開始，制備出符合使用要求的UV氟碳涂料原料。
從原料和技術(shù)等方面提升光固化技術(shù)
就光固化技術(shù)本身而言，為了保持其固有的優(yōu)勢，增強(qiáng)其競爭力，也需要不斷對自身技術(shù)進(jìn)行更新，從原材料、新技術(shù)等方面來不斷進(jìn)步，主要有以下幾個方面：
1.光固化表面改性 光固化技術(shù)由于光線傳播的限制，不能滲透到材料內(nèi)部，因而其應(yīng)用主要是材料表面的化學(xué)反應(yīng)。在通用材料表面應(yīng)用方面，從普通的印刷上光到家裝、建材、汽車內(nèi)飾、戶外保護(hù)，光固化技術(shù)也都在發(fā)揮其優(yōu)勢。對于一些特殊環(huán)境和對時間要求較高的應(yīng)用，光固化技術(shù)有不可替代的地位，例如對學(xué)校、醫(yī)院、室內(nèi)賣場、車庫等場地的裝修。由于時間的限制，如學(xué)校需要利用短暫的假期完成返修、醫(yī)院需要利用夜間休診完成手術(shù)室的裝修等等，需要一種既快速又安全的技術(shù)來完成，光固化技術(shù)是**的選擇。另一方面由于光固化涂料沒有溶劑排放，使得其安全性大大提高。
2.光固化圖案化 光固化由于其時空可控性，可用于圖形的制備及轉(zhuǎn)移。光刻技術(shù)就是利用光固化技術(shù)時空可控的性質(zhì)來實現(xiàn)的。通過光聚合技術(shù)，可以實現(xiàn)芯片、LCD顯示、線路板制造的不同級別的光刻應(yīng)用，將不同尺寸的圖形轉(zhuǎn)移到不同基材上，實現(xiàn)精密圖形制作。當(dāng)前，微電子部件體積越來越小，性能越來越高，一個重要的原因就是光刻技術(shù)越來越高，所得到的線條越來越小，使得微電子器件的小型化成為可能，而且能耗也越來越低。另外，光固化技術(shù)還可以用于微流道加工、三維圖像制備、復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工等方面，這些精密的加工技術(shù)對光固化材料的要求非常高，他們的純度完全不同于普通的油墨、涂料。
3.光固化3D打印 光固化由于其快速固化的特性，特別適用于快速加工成型，如3D打印等，可以實現(xiàn)復(fù)雜物件的快速成型。目前3D打印技術(shù)中，光固化3D 打印的應(yīng)用最為廣泛，例如以激光為光源的立體光刻技術(shù)是3D打印的基礎(chǔ)，是**代3D打印技術(shù)，利用激光作為光源進(jìn)行快速掃面，實現(xiàn)三維圖形的固定。目前光固化3D打印技術(shù)已經(jīng)拓展出眾多產(chǎn)品，光源也從最早的紫外光逐漸向可見光發(fā)展。
4.光固化生物材料 光固化技術(shù)在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用主要有口腔修復(fù)材料、骨修復(fù)、快速組織無線縫合、手術(shù)臨床模擬模型、心臟手術(shù)固定、組織缺損修復(fù)、軟組織水凝膠制備等。最早開發(fā)的光固化生物材料是光固化牙齒修復(fù)材料，目前正畸模型的光固化3D打印已廣泛應(yīng)用；光固化骨科材料主要是用于取代傳統(tǒng)骨修復(fù)的不銹鋼材料，既可以實現(xiàn)快速修復(fù)，又減少二次手術(shù)取出固定部件的痛苦；光固化心臟手術(shù)固定、組織缺損修復(fù)與光固化骨修復(fù)比較類似，只是部位不同，所用材料要求不同，比如心臟由于需要跳動，所以材料需要有彈性，而不像骨頭那樣是剛性的，而不同人體組織具有不同功能及結(jié)構(gòu)，就需要修復(fù)的材料同樣具有這種結(jié)構(gòu)及功能，否則修復(fù)后的組織無法正常工作。無線縫合技術(shù)是利用光固化的技術(shù)，使病人的傷口快速修復(fù)，不需要進(jìn)行縫合，而且這些光固化粘合劑還可以降解，不需要取出，因而可以減少病人的拆線過程，這對于在體內(nèi)的手術(shù)十分重要，但是在臨床上，光固化無線縫合面臨眾多的挑戰(zhàn)。
5.光固化本體材料 隨著光固化技術(shù)的進(jìn)步，光聚合與其他技術(shù)結(jié)合的工藝已經(jīng)開始應(yīng)用，如光-熱、光-潮氣技術(shù)、前線光聚合、陽離子光聚合等。光固化已經(jīng)開始從表面改性逐漸向本體材料轉(zhuǎn)移，用于制備各種本體材料如光固化復(fù)合材料、光固化塊體材料、光固化的汽車、飛機(jī)、航天器部件等。例如以光為動力驅(qū)動，首先實現(xiàn)材料表面的聚合，由于材料聚合時會放出大量的熱量，當(dāng)聚合釋放的熱量足夠引發(fā)傳統(tǒng)熱聚合的時候，就不再需要光照，熱聚合同樣會產(chǎn)生熱量進(jìn)一步引發(fā)后續(xù)聚合。同樣，利用光聚合實現(xiàn)材料表面聚合后，如果后續(xù)能夠發(fā)生潮氣聚合，空氣中的水可以源源不斷地滲透到材料中去，使潮氣固化能夠持續(xù)發(fā)生，直到所有材料聚合而停止，這樣就可以用來制備厚度很大的材料。而對于光陽離子聚合，陽離子一旦產(chǎn)生，就將長期存活，這樣就可以利用光先引發(fā)陽離子聚合，而對于光不能穿透到的部位，可以利用已經(jīng)存在的陽離子，通過加熱實現(xiàn)陽離子的繼續(xù)固化。這些技術(shù)已經(jīng)在汽車保險杠、汽車內(nèi)飾件、航空部件、飛機(jī)部件的制作上得到應(yīng)用，尤其是汽車輕量化提上日程后，碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用逐漸實現(xiàn)量產(chǎn)，光固化技術(shù)的應(yīng)用也越來越多。
6.光固化的其他潛在應(yīng)用 太陽能電池板在制備過程中會用到光固化技術(shù)如EVA隔膜的交聯(lián)、太陽能表面的耐污涂裝、有機(jī)太陽能電池的卷對卷光固化涂裝等等；風(fēng)力發(fā)電葉片的制備已經(jīng)可以實現(xiàn)光固化，而風(fēng)力葉片的破損修復(fù)時，光固化是最簡便、最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法之一。除前面提到的汽車、飛機(jī)等光固化的應(yīng)用外，光固化技術(shù)在高鐵的內(nèi)飾件、高鐵復(fù)合材料、輪船的內(nèi)飾材料方面也有大量的應(yīng)用，如光固化防火內(nèi)飾板用于高鐵及郵輪、高鐵整體衛(wèi)生間的涂裝等。光固化技術(shù)對破損道路進(jìn)行維修，其性能與混凝土類似，能夠?qū)崿F(xiàn)30分鐘快速完成，這樣不會造成大面積交通堵塞。對于公路指示牌，由于長期暴露在復(fù)雜的環(huán)境中，既有高溫、又有高濕，還有極低溫度、風(fēng)吹日曬，而且不宜經(jīng)常更換，因此要求極高，國外已經(jīng)用電子束（EB）固化技術(shù)對高速公路指示牌進(jìn)行表面涂裝，來達(dá)到耐老化、耐高溫高濕、耐雨雪等目的。近年來，隨著微電子制備技術(shù)的發(fā)展，光固化技術(shù)在光學(xué)膜方面的應(yīng)用日趨成熟，從普通的硬化膜到增亮膜，從偏光膜到擴(kuò)散膜的制備都有光固化的身影，而芯片制造的光刻膠更是十分關(guān)鍵。
未來光固化技術(shù)趨勢
光固化的發(fā)展與其原料、設(shè)備、技術(shù)的進(jìn)步密不可分，未來光固化的發(fā)展包括以下幾方面：
1.功能化樹脂的開發(fā) 將含有低表面能官能團(tuán)的樹脂用于耐污涂層，這些包括含硅、含氟結(jié)構(gòu)單元，其硅氟結(jié)構(gòu)能有效降低體系的表面能，從而起到耐污、自清潔的作用。光固化水性化樹脂主要是含有陽離子、陰離子或非離子基團(tuán)的樹脂，其在水中可以溶解或分散，這樣可以用水作為稀釋劑，減少有機(jī)溶劑的應(yīng)用，從而減少VOCs排放。目前水性UV樹脂**的問題是制備的涂層最終性能如抗水性、耐酸堿、耐溶劑、耐劃傷性能不能滿足需求。無機(jī)-有機(jī)雜化樹脂用于高性能表面涂層的制備，可提高硬度及耐劃傷能力，這些樹脂主要是通過溶膠-凝膠法制備納米無機(jī)粒子，使其均勻分散于有機(jī)相中，有機(jī)相提供聚合性能，無機(jī)粒子提供其他功能化。近年由于3D打印、噴墨打印、無溶劑噴涂等光固化產(chǎn)品的發(fā)展，對低粘度樹脂的需求逐年增加，超低黏度樹脂的開發(fā)勢在必行。由于現(xiàn)代光固化材料對固化涂層的性能要求越來越高，為提高材料性能，需要用高官能度的樹脂來提高聚合物性能以提高材料性能，比較有優(yōu)勢的方案是用超支化聚酯等進(jìn)行改性，合成可聚合樹脂。以可再生資源為基礎(chǔ)的樹脂開發(fā)是目前發(fā)展的熱點，如以天然油脂、天然糖類化合物、天然高分子、動植物提取物為基礎(chǔ)的樹脂的制備已經(jīng)在進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究，一些產(chǎn)品如大豆油改性丙烯酸酯、糠醛樹脂丙烯酸酯等已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。
2.光源的發(fā)展 傳統(tǒng)光固化以高壓汞燈為光源，使用過程中會產(chǎn)生臭氧而污染環(huán)境、大量放熱而導(dǎo)致能源浪費(fèi)，且汞本身是有毒物質(zhì)等，使得汞燈的應(yīng)用受到限制，開發(fā)新型光源是當(dāng)前的重大任務(wù)，節(jié)能、安全、高效的LED光源是有效的替代品。開發(fā)不同波長，尤其是波長處于300nm到365nm之間的LED光源是光固化技術(shù)的重大需求，光源的高效發(fā)光是節(jié)能的關(guān)鍵。對于長波長LED如385~405nm波長的產(chǎn)品，目前已很成熟，但問題是與這些波長相匹配的引發(fā)劑目前還很少，使得其應(yīng)用受到限制；另一方面，長波長LED光源還不能很好地解決材料表面固化的問題，因而需要開發(fā)短波長LED光源。但是，波長越短，光的能量越高，高能量會破壞有機(jī)分子使之分解，因而短波長LED的封裝材料是目前的**困難，如果能最終解決短波長LED的封裝及其高能量，那將使得光固化技術(shù)的應(yīng)用得到更大的發(fā)展，因為LED光源壽命長、成本低、能耗小，這些將十分有利于光固化技術(shù)的推廣。
3.光固化新技術(shù) EB固化技術(shù)本質(zhì)上講也是光聚合技術(shù)，其差別是EB技術(shù)的波長更短，能量更高。目前EB已經(jīng)在印刷油墨、表面涂裝、不干膠、復(fù)合材料、離型膜、卷鋼涂層等方面進(jìn)行應(yīng)用，其速度可達(dá)300 米/分鐘，既節(jié)能又環(huán)保，具有良好的發(fā)展前景。EB固化技術(shù)在我國還處于起步階段，但隨著國產(chǎn)EB設(shè)備的成熟，該技術(shù)的應(yīng)用將會得到推廣。近幾年EB固化在印刷方面的應(yīng)用已經(jīng)起步，因為EB固化印刷更節(jié)能、速度更高、產(chǎn)品質(zhì)量更好。香煙的過濾嘴是一個直接與人體口腔接觸的材料，因而其要求極高，既不能溶解于水，又不能有任何的化合物遷移出來，還不能有氣味。但是，過濾嘴是一種紙，完全不耐水，需要在這種紙上涂裝一層涂層，來實現(xiàn)耐水性、生物安全等性能，而EB固化涂層就是**的選擇之一。
EB固化離型膜在我國也開始應(yīng)用，主要是利用EB的高能量，使得材料能夠高度交聯(lián)，這樣離型層中就不會有任何的小分子釋放出來，保證離型膜的離型穩(wěn)定性，尤其對于像光學(xué)膜這種高性能的膜材料，離型層中的任何污染都會使光學(xué)膜的性能降低而無法使用，因而EB離型膜主要用于高端產(chǎn)品。
EB在卷鋼涂層中的應(yīng)用已經(jīng)在國外實現(xiàn)量產(chǎn)，但在我國還處于起步階段，其**的優(yōu)勢是固化速度快，能大大提高生產(chǎn)效率，降低能耗，另外其產(chǎn)品的性能也非常優(yōu)異，尤其是戶外耐老化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光固化涂層和傳統(tǒng)的熱固化涂層。無溶劑噴涂技術(shù)主要是為解決噴涂需要添加一定量的溶劑來進(jìn)行稀釋而造成溶劑污染這一問題而發(fā)展起來的。
4.陽離子光聚合技術(shù) 目前快速發(fā)展的自由基體系由于其自身的缺點，無法滿足一些應(yīng)用領(lǐng)域的要求，因而發(fā)展陽離子光聚合是有效的補(bǔ)充。如對高柔順涂層，一般自由基光聚合由于材料自身的特性而無法實現(xiàn)，而光陽離子聚合以環(huán)氧為主體，可以較容易獲得高柔性涂層。另外對金屬基材的涂裝，自由基光聚合體系由于其快速聚合及體積收縮的原因，涂層附著力較差，而采用陽離子光聚合，環(huán)氧在聚合過程中開環(huán)而引起體積的膨脹，可以大大提高涂層的附著力。
光聚合技術(shù)的發(fā)展既與自身的技術(shù)進(jìn)步相關(guān)，也與國家政策、其他領(lǐng)域的要求、其他行業(yè)的技術(shù)突破有關(guān)聯(lián)，在我國嚴(yán)格的環(huán)保政策之下，溶劑排放受到限制，無污染的光聚合技術(shù)必將受到青睞。
