使用紫外线UV,一样也是要搞事情。
常见的是利用光敏单体在UV引发体系中的聚合、交联和接枝,从而达到的表面涂层的固化和阻燃。同时,避免高温热处理对基材的损伤,降低能耗与VOC排放。
为什么是紫外线呢?
我们考虑的重点在UVA波段(315nm - 400nm),含下面特定的“峰值波长”:
365nm(经典): 穿透力强,能量较高。
385nm / 395nm(主流LED):UV-LED设备常用。能量适中,可以理解是“单色光”,能量集中在385/395nm,是冷光源。
紫外光的光子能量恰好能匹配光引发剂的吸收能级,能瞬间打断化学键足以打断有机分子中的化学键(如C-C键、C-H键),启动聚合反应(秒级固化),从而产生自由基,引发聚合链式反应。并且不产生过热,从而对热敏基材友好。
405nm(可见光紫光边缘): 波长最长,穿透力最强,用于3D打印等深层固化的场景。
为什么不用红外光(IR)?
红外光波长(>780nm),光子能量非常低。主要引起分子的振动和转动,宏观表现就是发热,是热反应。基材受热变形,固化慢,能耗高。
为什么不用X射线?
X射线的波长<10nm,光子能量极高,机制为电离辐射。其能量过高,会直接破坏材料结构,造成辐射损伤。
这里有个能量(时间与波长),光引发剂(Photoinitiator),基材等的匹配关系。X射线/γ射线,甚至可见光都可以有对应匹配的适用场合。
我们还是用例子的方式来理解这类UV手段的界面增效策略。
思路1):定制P-N协同的UV固化单体,使用紫外线引发该单体(或低聚物),从而在基材表面的交联,实现UV辅助阻燃涂层。
例如,科学家合成了P-N含乙烯基单体,通过UV固化技术在空气气氛中聚合并接枝到织物表面(包括乙烯基的链式聚合,还可能引发了氧化交联)。所得UV固化涂层可以赋予PA66和棉织物高阻燃性,包括增加LOI、降低pHRR和灭火性能。
阻燃机理:受热时,氮元素(通常是三嗪或哌嗪结构)分解释放出不燃气体(如 NH₃、N₂),稀释氧气;同时磷元素催化基底(尼龙66或棉)快速脱水成炭。气固两相配合。
思路2):微观胶水。用 UV 固化稳定基材表面亲和力弱的纳米颗粒和聚合物(如多壁碳纳米管 (MWNTs)),从而构建阻燃屏障。
例如,科学家使用乙烯基膦酸(VPA)单体作为交联剂,在 UV 照射下,VPA 不仅自身聚合,其长出来的分子链还能通过氢键、范德华力紧紧地把 MWNTs “死死粘住”在棉纤维表面,有点驯服的意思。所得棉织物的初始分解温度和残炭量显著提高。我们清楚,单独的MWNTs不仅难分散,还极易在洗涤中脱落。
此法的阻燃机理包括“导热”,粘接好的 MWNTs 在棉纤维表面形成了一张连续的导热网络,能迅速将局部火源的高温传导散发出去;和“炭层强化”,当火灾发生时,MWNTs 就像钢钉一样,嵌入到磷系阻燃剂催化生成的炭层中,防止炭层在高温下破裂。
思路3):因为UV诱导的涂层接枝率是处理织物阻燃耐久性的关键,可以在阻燃单体/低聚物中引入更多不饱和键以增加交联反应位点;也可以在基材表面接枝对UV诱导更具反应性的基团,然后再交联。科学家先在棉织物表面沉积含硫醇(-SH)的反应基团,然后使用UV光引发的硫醇-烯烃点击化学反应,硫醇基与含不饱和磷酸酯的双键就像磁铁一样迅速吸合、共价连接。经过30次洗涤循环后,处理过的织物仍能通过垂直燃烧测试,LOI值从27.2%降至25.1%。
前辈的科学探索值得尊重。
补充:在深色面料上UV面临的挑战是光线穿透力不足。深色颜料(尤其是炭黑)会强烈吸收紫外线,导致涂层表面固化而内部仍是液态。
可采用双重固化体系和针对性的工艺策略。
如,UV + 热固化
先用UV光快速引发涂层表面的交联反应,形成初步的固态结构。随后,通过80-150℃的温和热处理,激活体系中的热固化成分(如封闭型异氰酸酯),完成深层和阴影区域的聚合。算是“光热协同”吧。
或,UV + 湿气固化
与热固化类似,UV光照负责快速定位和表面固化。体系中的特定组分(如某些硅烷或异氰酸酯)会与空气中的水分反应,在光照停止后继续完成内部固化。此法适用于形状复杂、存在光照死角的织物,确保整个涂层网络完整交联。
也同时可选用长波长光(400nm以上)可见光引发剂,并可采用“薄涂多遍”的方式,和二呆在楼顶刷丙烯酸类防水涂层一样。
住老房子有住老房子的快乐。