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热固化、紫外光UV固化、电子束EB固化横向测评

发布时间:2023-03-13 人气:281

热固化、紫外光UV固化、电子束EB固化横向测评

2021年头部全屋定制品牌们公开发布了230余款产品,其中110款采用了水漆或油漆进行饰面,这说明涂饰类产品受到行业重视。

在涂饰多道工序里,“固化”是很关键的工序,决定产品的最终品质。

涂料(水性漆、溶剂型漆、粉末涂料等)涂布到材质上都需要有“固化”工序,它们需要在板材或附着物上变成固态进行覆着,固态之后涂料(涂层)的装饰或其它性能才能发挥,而这个过程就叫“固化”。

目前针对涂料(漆)的固化主要有几种:热固化、紫外光(UV)固化、电子束(EB)固化。前两种大家都很熟悉了,今天我们主要探讨的是电子束(EB)固化,本文会将这几种固化工艺进行对比。

01

电子束固化历史

始于20世纪60年代

1967年荷兰将绝缘芯型电子加速器用于研究涂料的固化;1973年第一条木材表面涂层电子束固化生产线在荷兰Svedex公司投入运行;1978年德国WKP公司率先装备了200 cm宽的电子加速器固化系统,用于装饰制品的色漆固化。

现在意大利的FENIX,日本的DNP公司都有在中国销售他们的电子束固化的装饰材料,大家只知到他们的产品性能好、价格贵,殊不知他们的高性能就得益于电子束技术的加持。

我们随机向板材压贴类供应链厂商、定制厂商的从业人员咨询,知道或了解电子束(EB)固化的人不到一半,更多的是没有听说过。

顿时让我们感觉责任重大,如此牛X的工艺,得让大家都Get到啊。

查了资料后才发现,电子束(EB)固化工艺最早的中文论文在1980年代,这就说明中国已在40几年前有人研究这个技术了。

如此“大龄”的技术却并不为人所知,无外乎两种情况,一种就是太先进了,我们还没有完全掌握。另一种可能是这种技术存在缺陷,被淘汰了,比如安全、品质等。

使用电子束固化的食品包装

事实如何呢?其实相当多的产品都已经用上这工艺了。早餐的牛奶盒,出门坐的汽车,随手买的饮料罐,路上阅读的书籍或杂志,抬头看到的飞机、航天器….它们都有可能是电子束固化的应用。

在国内的装饰人造板领域的该技术应用属于第一种,太先进了,根本没有应用起来。

全球竞争的最新趋势、不断上涨和波动的能源成本、严格的排放法规以及对环保意识政策的全面推动,导致许多专业人士寻找更优秀的固化技术。

过去几年,电子束(EB)技术发生了快速变化,使得 EB 固化成为传统固化方法更实用的替代方案,在此背景下,诞生了电子束(EB)固化装置供应商和EB固化解决方案供应商。

02

电子束固化技术

从天书到大白话

在搞清楚电子束固化(全称:Electron Beam Curing)之前,我们先来了解一下啥是电子束?这是一个物理问题。

人们认识物质的最基本单位或最小单位叫“基本粒子”,电子就是“基本粒子”之一,带负电。电子束是电子枪产生的电子在高压电场下被加速,经汇聚作用所形成的高速电子流。

形象举例:电子是一颗一颗的,被不间断快速发射出来后形成像光束、绳束一样的物体就叫电子束。

电子束固化设备原理

我们学习了关于电子束(EB)固化的一大堆文章,不到二十秒,人给整懵了,目前关于电子束固化的资料都是这么描述的。

EB固化作为一种革命性的涂料固化技术,可以在几秒甚至更短的时间内实现涂料的高度交联。固化时,能量很高的电子束流直接作用于不饱和分子形成活性自由基,引发不饱和树脂和单体聚合,形成交联网络。

电子束固化是以电子束(EB)为辐射源,诱导经特殊配制的固含量为100% 的应性液体快速转变成固体的过程。

每一个字都认识吧,却完全不知道在讲些什么,什么是高度交联,什么是聚合,还有诱导?对的,目前这些电子束固化资料就是天书。

电子束固化的固化效果示意

我们给翻译一下就是:电子束固化是指通过设备发射电子束,电子束触达涂料后,让涂料从液态材料转化为固态材料,这个过程就叫电子束固化。

03

电子束固化优势

效率、成本、性能

前面提到热固化、紫外光(UV)固化、电子束(EB)固化,前两种都是很常见的固化工艺,为什么人们还要研究电子束固化工艺呢?这得从多个方面聊起。

A.能耗&成本

热固化 > 紫外光(UV)固化 > 电子束(EB)固化

同等条件下,电子束(EB)固化耗能占紫外光(UV)固化的5%,占热固化的1%,也就是说比UV固化、热固化节省95% ~ 99%的能耗。

如果能耗只是电能的话,那么综合成本的构成就要复杂得多,从生产场地、设备、人员、时间等等。

据加拿大原子能织公司Acsion industries研究数据来看,以航空件的固化环节为例,电子束固化综合制造成本比传统固化节省25 – 65%,如果是做原型打样的话,这个比例可能高达90 – 95%。

电子束(EB)固化胜出。

B.生产效率

热固化,直白一点就是把漆烤干,比方说“烤漆”产品就是典型的热固化出来的,这种工艺需要占用的生产时间较长,从几分钟甚至几天才能固化。

常见中国木作工厂的UV固化产线

紫外光(UV)固化,通过紫外光灯管发射紫外光让涂料产品形成固化,目前最快达到3~5秒的速度是比较优秀的水准。

电子束(EB)固化,约千分之5秒,可以实现1000英尺/分钟速度的连线,让生产效率大幅提升。

从天到小时、到分钟最后秒级、毫秒级的效率竞争上,电子束(EB)固化胜出。

C.热反应

热固化,在生产过程中必然会让产品受热,固化环境温度常在120-150摄氏度或以上,这对很多材质有了基础考验,同时加热过程中、加热后的产品气体释放或其它有害物质释放等都是问题。

常见木作工厂烤漆房

紫外光(UV)固化,同样会产生一定热度,对于一些热敏感基材这种固化就不适用了。

电子束(EB)固化,不产生热量,也不需要用到热能,这对于基材来讲是非常安全的隐形保护,所以在一些高精尖的涂饰上会选择EB固化呢,比如前文提到的航空航天器材等。

前两者需要对基材有要求,电子束(EB)固化无要求,电子束(EB)固化胜一局。

D.环保

热固化和紫外光(UV)固化常使用溶剂工艺,涂料的存放、生产中的排放、本身的可燃性以及能源消耗等都有环保隐患。

电子束(EB)固化是一种无溶剂工艺,排放和可燃性无需担心。挥发性有机化合物 (VOC) 已从原料中消除,并结合消除薄膜层提供了创建可回收包装的潜力。

当使用电子束固化时,无需热固化型树脂的化学交联剂、光引发剂等即可实现固化,这些剂可能是有毒和致癌的,电子束固化可以规避健康风险。

电子束(EB)固化胜出。

E.综合性能

热固化、紫外光(UV)固化,都会有黄变风险,特别是紫外光固化,本身固化过程中就需要用到“光引发剂”,固化使命完成后的残留光引发剂在紫外光(比如阳光)的影响下,同样会产生作用,即黄变。

电子束(EB)固化,不需要光引发剂等物质就可以进行,所以耐黄变性能更好,在PP、PE等材质上的固化效果有显著提升。

使用电子束固化的人造板

用电子束固化的涂层,因涂料中的化学物质通过交联反应形成了高分子立体网状聚合物,所以表面具有很强的耐化学性能、耐摩擦性能和耐候性。

耐化学性和耐候性可以认为是耐用度更强,原因是电子束固化的涂料里可以高度自由的添加各种添加剂,比如吸收紫外线的吸收剂提升耐候性。

EB固化后的划痕热修复能力强

马丁代尔测试仪,BSEN438-2-2016。海绵(型号7440), 摩擦样板漆膜160次。

固化后的固含量接近100%,不含VOC(有机挥发物),与普通涂料体系相比,无环境污染,更有利环保;电子束(EB)固化无溶剂挥发,固化膜均匀 ,表面光洁 ,在满足各项主要性能的前提下,比热固化涂层有更好的使用性能和外观。

固化后,基于纳米表面控制系统的成果

电子束(EB)固化还因为其工艺特性在反应过程中可控性强,能微调出多种效果、品质的产品,并且良品率近于100%,这为研发创作提供了丰富灵感。

电子束(EB)固化胜出。

F.紫外光(UV)固化 VS 电子束(EB)固化

时至今日紫外光(UV)固化仍是当今主流的固化工艺,短期内无法替代,但深层次来看,电子束(EB)固化已优胜于紫外光(UV)固化,除开前面讲到的几点外,还包括紫外光的本身弱点引起的。

比较材料横截面中的 UV 和 EB 能量沉积的图示。

这是一张示例图,紫外光(UV)固化时,紫外光的穿透性和可触达的深度会随着涂层厚度而衰减,从而造成固化不均匀的情况,使用电子束(EB)固化,电子在进入涂层后产生一系列的交联反应,让涂层的固化效果更佳。

用一个不恰当的比喻,用强光照到人体身上,可能会看到骨头和血管,但无法穿透整个躯干,让人看到五脏内腑。但如果用电击到人体身上,四肢百骸都能强烈感受到。紫外光固化和电子束固化时,涂料就像人体反应,深度、广度和效果是完全不相同的。

显微镜下EB和UV固化后产品对比,EB固化效果更细腻,色彩更饱满

紫外光(UV)固化还会受到颜色的影响,不同的颜色会有不同的反射性能,电子束(EB)固化的无差别固化无视颜色,出来的产品性能更加可控。

总结

电子束(EB)固化工艺在目前的各项实验结果来看领先于传统固化工艺,具有更好性能和能想象的更大应用空间。中国有没有供应商呢?有的。

国内领先的电子束(EB)固化装置供应商和EB固化解决方案供应商,成立于2016年,是中国核工业集团战略投资的高新科技公司,致力于材料表面加工技术的革新。

顺便提一下中核集团,中国核工业集团有限公司(英文:China National Nuclear Corporation,简称CNNC,中文简称中国核工业集团或中核集团)是由中国国家出资设立,经国务院批准组建、中央直接管理的国有重要骨干企业(中央企业)。

中国核工业集团有限公司作为国家核科技工业的主体,拥有完整的核科技工业体系,是国家战略核力量的核心和国家核能发展与核电建设的主力军,肩负着国防建设和国民经济与社会发展的双重历史使命。

中国核工业集团有限公司主要从事核军工、核电、核燃料循环、核技术应用、核环保工程等领域的科研开发、建设和生产经营,以及对外经济合作和进出口业务,是国内投运核电和在建核电的主要投资方、核电技术开发主体、最重要的核电设计及工程总承包商、核电运行技术服务商和核电站出口商,是国内核燃料循环专营供应商、核环保工程的专业力量和核技术应用的骨干。

在之前,中国的电子束固化设备和技术主要靠进口,相对成本高昂,在预涂装板领域如果想用到电子束固化的产品也只能靠进口。出现之后,人造板厂商、定制家具厂商们多了一种固化工艺的解决方案。

目前的电子束(EB)固化产品可以通过两种方式获得:一种是直接购买设备和技术自产,可以找公司实施,另一种是提出需求找使用该技术的板材供应商购买。

我们实地体验过公司通过电子束(EB)固化出来的产品,在可感知的范围内非常优秀,包括但不限于视觉、触觉、嗅觉等体验感很美好。

我们认为电子束(EB)固化的低能耗、高效、高环保、高性能等优质属性有望在中国市场被更多品质厂商选择,向中国市场推出更优质产品。

   

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