合成环氧树脂型光敏涂料

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学号： 2014年11月

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合成环氧树脂型光敏涂料的可行性报告

一、项目的背景与意义

日新月异的现代技术的发展需要很多新型材料的支持。自从第三次科技浪潮

席卷全球以来，新型材料同信息、能源一起，被称为现代科技的三大支柱。新材

料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生新的产业和技术领域。

而高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已成为国民经济基础产业以及

国家安全不可或缺的重要材料。一方面量大面广的通用高分子材料需要不断地升

级改造，以降低成本、提高材料的使用性能；另一方面各类新型的高分子材料将

应运而生，尤其是有机及聚合物分子或少数分子组合体的光、电和磁特性将成为

高分子向功能化以及微型器件化发展的重要方向。

随着人类对材料的性能与微观结构的研究与认识，决定材料性能的本质己被

或正在被人们揭示和掌握，并通过新工艺、新技术、新设备，在日益成熟的现代

材料设计理论的指导下，创造出各种性能更好的新型材料。

高性能化： 结构材料在向强度、刚度、韧性、耐高温、耐腐蚀、高弹、高

阻尼龙大幅度提高的方向发展。高性能结构材料不断出现和广泛应用，促进新产

品向体积小、重量轻、资源省、能耗低、成本低、和利润高的方向发展。

高功能化： 功能材料也在由单一功能向多种功能开发方向发展，并把功能

材料与元器件结合起来，实现一体化，即材料本身就具有元器件的功能，这样就

促进了元器件的小型化和多功能化。

高智能化：智能材料是近年来与信息科学紧密结合而产生的，它同时具有感

知和激励双重功能。如形状记忆合金，压电陶瓷，光导纤维，磁致伸缩材料等。

智能材料是一种超功能材料，这些功能往往能够解决传统材料难以解决的技术难

题。在重要工程和尖端技术领域具有重大的应用前景。例如，美国空军采用智能

材料制造飞机机翼，可随工作状态的不同自动调节形状，改变升力和阻力，以适

应飞机的起降，使飞机更加安全，降低油耗。将微型分子传感器植入材料和分子

结构中，用这些建造的构件和建筑物可进行自动监控，如果超负荷或者老化可发

出警报。

光敏涂料又称紫外光固化涂料。1967年西德巴尼莱公司研制成功，1968年

西德拜耳公司开始工业生产不饱和聚酯型光敏涂料。因其具有固化时间短(几秒

至几分钟可以固化)，固化温度低，物件受热时间短，不含探发性溶剂(是一种无

溶剂涂料)，节省能源.(与热固化涂料相比，节省能源达90%以上)，能改善涂膜

性能，特别是光泽和外观等优点。目前，光敏涂料可用于金属、木材、塑料、光

导纤维、纸加工、装饰材料、皮革、织物的涂饰。光敏涂料的光固化技术因其符

合当今环境保护的发展潮流，不仅被发达国家所推崇，而且也越来越得到了发展

中国家的重视，我国正处于经济高速发展时期，随着工业的快速发展，环保问题

已被政府和民间所广泛重视，减少涂料、油墨、粘合剂中挥发性溶剂的使用已成

为社会的要求。广泛采用光固化技术无论从减少环境污染、保护生态、节约能源

角度都将是非常有意义的。

二、应用前景及发展趋势

光敏涂料由于其独特的固化特点，在工业涂装领域应用很广。近年来，随着

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技术的日趋成熟，光固化不仅在传统领域中迅速发展，而且已开始广泛应用于光

学透镜、电子器件、光纤涂层等新技术领域。归纳起来，光敏涂料目前主要有以

下应用领域：

金属涂层：汽车和机械、器械装饰、包装器皿涂层、隧道护墙板等。

地板涂层：乙烯基地板等。

木材涂层：装饰板、建筑板材等。

纸张涂层：装饰纸、标签、卡片和书面等的上光、金属化纸张底材涂层。

电子涂层：保护涂层、封装化合物、光刻胶、光盘、磁带、光纤。

油 墨：平板印刷、丝网印刷和胶印。

粘 合 剂：层压材料(纸或薄膜/木材)、普通粘结(汽车部件、光学仪器)和压

敏胶。

交 联：热收缩膜、电绝缘材料。

从应用现状看印刷工业仍有很大潜力。由于使用了紫外光固化工艺，油墨的

光泽和耐磨性都有很大提高。印刷的综合成本有所下降。光固化的另一较大市场

是包装业。光固化在包装业有不同的发展趋势。美国倾向于电子束固化，欧洲倾

向于发展紫外固化。紫外固化胶印还被广泛的用在电话磁卡和信用卡的印刷上。

九十年代中后期以来，法国、意大利、丹麦、澳大利汽车工业广泛采用了紫外光

固化技术。法国采用光固化对汽车前灯，连锁保护和毅盖进行装饰已经取得满意

的成果。经辐射固化涂层的玻璃纤维复合材料己经成为辐射固化产品中的一个重

要领域，可用于大型航天器。光敏涂料用于光纤涂层，具有高的折光率。另外在

大规模集成电路和液晶显示屏制作中也得到广泛使用。据报道欧洲曾把光固化用

于钢管紫外保护涂层。使钢管获得良好的抗腐蚀性能。

从未来的发展趋势看，光固化涂层除了在汽车部件、电子器件、印刷和木材

处理等传统领域继续发展外，重点可能会向远距离通信和电子仪器、液晶显示和

彩显的光刻胶，以及激光唱盘和光盘涂层等高技术领域发展。随着技术的不断发

展和人们对环境污染问题越来越关注，不仅发达国家，而且发展中国家对光固化

技术的接收和应用程度也将不断扩大。可以预料，未来几年辐射固化产品在全世

界范围内将仍然会是一个迅速增长的时期。

我国目前正处于国民经济迅速发展的阶段，随着工业的快速发展，环境污染

问题越来越引人注目。减少各种涂料中的挥发成分污染已是当务之急，应用光固

化技术将是我国减少环境污染，保护生态环境，节约能源和提高产品质量的一条

重要途径。

三、项目实施主要内容、技术关键与创新点、预期目标

1.光敏涂料的基本组成

光敏涂料主要由预聚物（光敏树脂）、光敏剂和光引发剂、光敏交联剂、稀

释剂、热阻聚剂和调色颜料等组成。

1.1预聚体

带有环氧结构的低聚物是比较常见的光敏涂料预聚物。环氧树脂的特点是黏

结力强，耐腐蚀。环氧树脂中的碳—碳键和碳—氧键的键能较大，因此具有较好

的稳定性，它的高饱和度使其具有良好的柔顺性。下面是典型的可用于制取光敏

涂料预聚体的环氧树脂反应式。

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1.2 由基作为聚合反应的活性种。这种将吸收光能转移给另一个分子，并使该分子产

生自由基的物质称为光敏剂。

在光化学反应中，直接反应的例子并不多见，较多的和较重要的是分子间能

量转移的间接反应。它是某一激发态分子D*将激发态能量转移给另一基态分子

A，使之成为激发态 A*，而自己则回 到基态。A*进一步发生反应成为新的化

合物。

这时，A被D增感了或光敏了，故D称为光敏剂或增感剂。而反过来，D*

的能量被A所获取，这种作用称为猝灭，故A称为猝灭剂。

光敏剂是光化学研究和应用中的一个十分重要的部分，它使得许多本来并不

具备光化学反应能力的化合物能进行光化学反应，从而大大扩大了光化学反应的

应用领域。

由于增感需要时间，因此光敏剂引起的化学反应一般都在三线态进行。单线

态寿命很短，通常不能有效地激发被增感物质。

作为光敏剂，必须具备以下的基本条件：

（1） 光敏剂三线态的能量必须比被增感物质的三线态能量大，以保证能量转移

的顺利进行。一般至少应高17 kJ/mol；

（2）光敏剂三线态必须有足够长的寿命，以完成能量的传递；

（3）光敏剂的量子收率应较大。

（4）光敏剂吸收的光谱应与被感物质的吸收光谱一致，且范围更宽，即被增感hv

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物质吸收的光波长应在光敏剂的吸收光谱范围内。

感光性高分子所涉及的光化学反应绝大多数是通过增感剂的能量传递而实

现的。

光敏剂应具有稳定的三线激发态。其激发能与被敏化物质（如，光引发剂）

要相匹配。常见的光敏剂多为芳香酮类化合物。如苯乙酮和二甲苯酮。

②、光引发剂

光引发剂是指，吸收适当波长和强度的光能后，可以发生光物理过程至某一

激发态，若该激发态的激发能大于化合物中某一键断裂所需的能量，因而发生光

化学反应，该化学键断裂，生成自由基或者离子，成为光聚合反应的活性种。具

备上述功能的化合物均可以用作光引发剂。

光引发剂通常是具有发色团的有机羰基化合物、过氧化物、偶氮化物、硫化

物、卤化物等。如，安息香、偶氮二异丁腈、硫醇、硫醚等。 在光敏涂料中，使用的部分光引发剂和光敏剂的种类与性能列于表7-3和7-4中。

光引发剂和光敏剂，均能促进光化学反应的进行。但是，光引发剂是吸收光

能后跃迁到激发态，当激发态能量高于分子键断裂能量时，断键产生自由基，光

引发剂则被消耗；而光敏剂是吸收光能后跃迁到激发态，然后发生分子内或分子

间能量转移，将能量传递给另一个分子，光敏剂则回到基态。光引发剂和光敏剂，

如同化学反应的反应试剂和催化剂

1.3光敏稀释剂

为了降低涂料的粘度，提高施工性能，同时提高涂层机械强度，在光敏涂料

中还需要加入光敏稀释剂。这些光敏稀释剂多是丙烯酸酯类单体和乙酸丁酯等。

2.合成光敏涂料所涉及的光化学反应

光聚合反应和光交联反应，都是以线型聚合物为反应物，吸收光能后发生光

化学反应，使生成的聚合物分子量更大。

其中，以分子量较小的线型低聚物作为反应单体，发生光聚合反应，生成分

子量更大的线型聚合物，则称光聚合反应；以分子量较大的线型聚合物作为反应

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物，在光引发下高分子链之间发生交链反应，生成网状聚合物的过程，称为光交联反应。

光聚合反应和光交联反应的主要特点是反应温度适应范围宽，特别适合于低温聚合反应。

2.1光聚合反应

根据反应类型，光聚合反应包括光自由基聚合、光离子型聚合和光固相聚合等三种。其中光引发自由基聚合反应相对普遍。在光自由基聚合反应中，低分子量聚合物中应该含有可聚合基团，这些可聚合基团列于下表中。

为了增加光聚合反应的速度，经常需要加入光引发剂和光敏剂

2.2光交联反应

光交联反应，按照反应机理可以分为链聚合和非链聚合两种。链聚合反应的反应速度较快，使线型聚合物链之间直接发生光交联反应，一般不需要交联剂。能够进行链聚合的线性聚合物主要有：带有不饱和基团的高分子，如丙烯酸酯、不饱和聚酯、不饱和聚乙烯醇、不饱和聚酰胺等 。非链聚合反应的反应速度较慢，除含有碳-碳双键的线型预聚物外，一般还需要加入交联剂。交联剂通常为重铬酸盐、重氟盐和芳香叠氮化合物。

3.预期目标

能得到环氧树脂型光敏材料产品；获得数个专利;产品的工业化生产，实现盈利。

四、研究计划及进度安排

第一阶段：2014.11—201412完成课题论证，课题计划及课题申报；初步制

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定课题试验项目与实施计划，确立个项目工作团队与负责人。

第二阶段：2015.2—2015.4购买与研究相关的各种原料和仪器，开始对合成环氧型光敏涂料进行初步尝试与研究，并做好相关实验数据记录。

第三阶段：2015.5—2015.9对初步合成的涂料进行物理化学手段分析后，在理论基础上改变组分比例及实验条件，找到最佳合成方式。

第四阶段：2015.10—2015.12对最佳合成方式得到的涂料进行生产测试后，判断相关含量是否符合国家标准，然后开始工业化生产。

五、现有的工作基础，条件与优势

光敏涂料与传统的自然干燥固化或热固化涂料相比具有许多优点，如：固化时间短，涂层在十几秒到几十秒内就可固化，因此可大规模、高速度地实现工厂化涂装。光敏涂料一般不含溶剂，不会因溶剂挥发而污染环境。常被称为绿色化工产品。光固化可在常温下进行，不需要耗能巨大的热烘烤设备，能量消耗与传统方法相比微不足道。光敏涂料基于这些优点，越来越受到人们的重视。自六十年代西德拜尔公司推出第一个光敏涂料产品以后三十年来，光敏涂料从品种、性能到固化装置都有了长足的发展。

1. 生产工艺已经比较成熟，有前人的经验可供参考。

2. 降低了环境污染，减小了材料消耗，使用更安全。

3. 逐步替代常规涂料，应用领域日益广泛。

4. 光敏材料各种性能优异，价格优势大，利润高。

六、承担单位和主要研究人员

承担单位：

研究人员：研究室导师及研究生

七、经费预算

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