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光固化材料的骨架——低聚物

发布时间：

2025-06-21

在UV/EB固化技术的神奇世界中，一束光（紫外光或电子束）能在瞬间将液态涂层转变为坚固的固体。这个魔法背后的核心驱动力，除了光引发剂，便是扮演着“材料骨架”与“性能基石”的低聚物。它们不仅决定了固化后材料的基本性能，也深刻影响着加工与应用过程。今天，就让我们一同走进低聚物的微观世界。

一、低聚物：光固化体系的“骨架”

在化学语境中，低聚物是介于小分子单体和高分子聚合物之间的物质，通常由2到100个单体单元连接而成。其分子量适中，赋予其独特的液态流动性和在特定条件下可进一步反应增长的能力。

在UV/EB固化体系中，低聚物通常指含有可聚合官能团（最主要是丙烯酸酯基 CH2=CH-C(=O)-O-）的预聚物。它们在配方中占比最高（常为30%-70%），是固化膜物理化学性能的主要贡献者。根据化学结构主链的不同，UV/EB固化低聚物主要分为：

聚氨酯丙烯酸酯

聚酯丙烯酸酯

环氧丙烯酸酯

聚醚丙烯酸酯

纯丙烯酸酯

其中，聚氨酯丙烯酸酯（PUA）、聚酯丙烯酸酯（PEA）和环氧丙烯酸酯（EA）及其改性产品应用最为广泛。下面我们聚焦这三种关键低聚物。

二、核心低聚物详解：结构决定性能

聚氨酯丙烯酸酯

结构特征： 分子结构由三部分构成：多元醇构成的软段（提供柔韧性）、二异氰酸酯（如TDI, HDI, IPDI）构成的硬段（提供强度与硬度）、末端封端的丙烯酸酯基团（提供光固化反应活性）。结构可设计性极强。

产品特性：

优点： 综合性能优异。可通过选择不同的多元醇（聚酯、聚醚、聚碳酸酯、聚丁二烯等）和二异氰酸酯，精确调控其柔韧性、弹性、耐磨性、耐化学性、耐高低温性、附着力等。通常具有优异的柔韧性和耐磨性。

缺点： 原料成本相对较高；粘度通常较高（尤其在低官能度时），有时需要活性稀释剂调节；某些原材料（如芳香族异氰酸酯）可能带来黄变问题。

聚酯丙烯酸酯

结构特征： 主链由多元酸（如邻苯二甲酸酐、己二酸、间苯二甲酸）和多元醇（如新戊二醇、三羟甲基丙烷）缩聚而成，末端或侧链带有丙烯酸酯基团。分子结构中含有大量酯键。

产品特性：

优点： 成本相对较低；粘度范围较宽，可选择低粘度品种；对多种基材（尤其金属、塑料）附着力良好；固化速度快；提供良好的硬度和耐化学性（尤其耐溶剂和耐油）。

缺点： 酯键易受强碱或强酸水解，耐水解性通常不如PUA和EA；柔韧性一般不如PUA（可通过选择长链二元酸/醇改善）；耐候性（抗黄变）可能不如脂肪族PUA或改性环氧丙烯酸酯。

环氧丙烯酸酯

结构特征： 由环氧树脂（最常用双酚A型环氧树脂）与丙烯酸反应，将环氧基团开环酯化，在分子链上引入丙烯酸酯基团。主链含有刚性苯环和醚键，末端为丙烯酸酯基。

产品特性：

优点： 固化速度极快；硬度高、光泽度高；优异的耐化学药品性（耐酸、耐碱、耐溶剂）和耐腐蚀性；对极性基材（如金属）附着力强；成本较低。

缺点： 脆性大，柔韧性和耐冲击性差；固化收缩率相对较大；耐候性较差（芳香族结构易黄变）；粘度通常较高。

改性环氧丙烯酸酯： 为了克服标准EA的脆性和耐候性缺点，常进行改性：

脂肪酸改性： 用脂肪酸（如豆油酸、亚麻油酸）部分酯化环氧树脂上剩余的羟基，再丙烯酸化。显著提高柔韧性、耐候性（抗黄变）、降低粘度，但硬度和耐化学性有所牺牲。这是最主流的改性方式。

其他改性： 如用聚氨酯、有机硅等进行改性，进一步提升特定性能。

三种主要UV/EB固化低聚物特性对比表

特性	聚氨酯丙烯酸酯 (PUA)	聚酯丙烯酸酯 (PEA)	环氧丙烯酸酯 (EA) 及其改性
柔韧性/弹性	▲▲▲ 优异，可调范围广	▲▲ 中等，可调	▼ 差 (标准EA) / ▲ 改善 (脂肪酸改性)
硬度	▲▲ 良好，可调	▲▲▲ 高	▲▲▲ 很高 (标准EA) / ▼ 降低 (改性)
耐磨性	▲▲▲ 非常优异	▲▲ 良好	▲▲ 良好
耐化学性(溶剂/油)	▲▲▲ 优异	▲▲▲ 优异	▲▲▲ 非常优异 (尤其耐酸碱)
耐水解性	▲▲▲ 优异 (尤其聚醚/聚碳酸酯型)	▼ 较差 (酯键水解)	▲▲ 良好
附着力	▲▲▲ 优异，对多种基材好	▲▲▲ 优异 (尤其金属/塑料)	▲▲▲ 优异 (尤其极性基材如金属)
固化速度	▲▲ 快	▲▲▲ 很快	▲▲▲ 极快
粘度	▼▼ 通常较高	▲ 范围宽，有低粘度品	▼▼ 通常较高 / ▲ 降低 (脂肪酸改性)
耐候性/抗黄变性	▲▲ 良好 (脂肪族) / ▼ 差 (芳香族)	▲ 中等	▼ 差 (标准EA-芳香族) / ▲▲ 良好 (改性EA)
耐温性	▲▲▲ 优异 (可设计耐高低温)	▲▲ 良好	▲▲ 良好
成本	▼▼ 较高	▲ 中等偏低	▲ 低 (标准EA) / ▲▲ 中等 (改性EA)
主要缺点	成本高，可能黄变(芳香族)，粘度高	耐水解性差，柔韧性一般	脆性大(标准)，耐候差(标准)，收缩较大
典型应用	高性能木器漆、弹性涂料、胶粘剂、汽车/电子涂层、皮革涂料	一般工业涂料、塑料涂料、油墨、色漆底漆	金属防腐底漆、罐头涂料、高硬度罩光漆、PCB油墨、纸张上光

三、低聚物未来发展方向

随着环保法规趋严和终端应用对性能要求的不断提升，UV/EB固化低聚物的发展呈现以下趋势：

生物基与可持续性： 利用可再生资源（如植物油、松香、糖类衍生物）开发生物基低聚物，降低对化石原料的依赖和碳足迹。

高性能化与功能化： 开发具有特殊功能的低聚物，如超低粘度、超高硬度同时兼具韧性、自修复性、阻燃性、导电/导热性、抗菌性、特殊光学性能（如低折光、高折光）等。

低迁移性与安全性： 针对食品接触、玩具、医药包装等敏感应用，开发更低气味、更低可萃取物、更低迁移性的低聚物，满足日益严格的法规要求（如EU 10/2011）。

水性化与无稀释剂体系： 开发水性UV低聚物乳液或分散体，以及100%固含的高性能低聚物，减少甚至消除挥发性有机化合物（VOC）和活性稀释剂的使用，提高施工安全性和环境友好性。

适应新型固化技术： 发展适应LED UV光源（长波长）、阳离子固化、双重固化（UV/热、UV/湿气、UV/氧化）等技术的配套低聚物。

结构精准设计与可控聚合： 利用现代高分子合成技术（如RAFT, ATRP等），实现低聚物分子结构的更精确设计与控制，以获得更均一、更优异的性能。

结语

聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯及其改性产品，构成了UV/EB固化技术王国里稳固而灵活的“材料骨架”。它们各具特色，优缺点鲜明，为配方设计师提供了丰富的选择空间，以满足从坚硬耐磨到柔韧弹性、从快速固化到耐候持久等千变万化的应用需求。随着材料科学的持续进步，更绿色、更智能、更高性能的新一代低聚物正在不断涌现，推动着光固化技术向更广阔、更可持续的未来迈进。理解这些“骨架”的特性，是掌握光固化技术魅力的关键一步。

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