Powłoki lakierowe zaraz po nałożeniu są ciekłe (z wyjątkiem farb proszkowych, ale i w tym przypadku przed utwardzeniem powłoka przechodzi przez stan ciekły). Użytkową postać powłoki lakierowej uzyskujemy dopiero po jej wyschnięciu (utwardzeniu). Proces schnięcia może przebiegać na drodze: fizycznej, czyli przez odparowanie rozpuszczalnika lub chemicznej poprzez reakcje chemicznego sieciowania. Praktycznie, w tym drugim przypadku proces sieciowania chemicznego jest poprzedzony zwykle etapem schnięcia fizycznego, czyli odparowania rozpuszczalników.
Wyroby lakierowe ulegające sieciowaniu chemicznemu można podzielić według różnych kryteriów. Jednym z nich jest temperatura sieciowania powłoki – może ono zachodzić w temperaturze otoczenia (alkidowe, poliuretanowe, epoksydowe i inne) oraz w temperaturach podwyższonych nawet do 250°C (np. wyroby sieciowane żywicami aminowo-formaldehydowymi, niektóre poliuretany czy farby proszkowe). Innym kryterium jest postać wyrobu: dwuskładnikowe, gdzie tuż przed użyciem miesza się ze sobą dwa składniki – może to być składnik podstawowy i utwardzacz (poliuretany, epoksydy), może to być też cała kompozycja plus dodatkowo katalizator sieciowania oraz jednoskładnikowe zawierające wszystkie potrzebne do sieciowania składniki, a sam proces rozpoczyna się dopiero po nałożeniu na podłoże (np. alkidowe czy poliuretanowe sieciowane wilgocią z powietrza). Jak więc widać proces sieciowania powłoki może być inicjowany chemicznie lub termicznie. Innym sposobem inicjowania reakcji sieciowania jest promieniowanie. W praktyce do tego celu wykorzystuje się promieniowanie podczerwone (IR), ultrafioletowe (UV) oraz elektronowe (EB). Promieniowanie podczerwone jest tylko innym sposobem transferu energii cieplnej do powłoki i nie będzie tu omawiane. Przedmiotem niniejszego artykułu będzie zastosowanie promieniowania UV i elektronowego do utwardzania powłok lakierowych. Podstawą tej technologii jest inicjowanie polimeryzacji rodnikowej (lub kationowej) pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (UV) lub elektronowego (EB). Promieniowanie UV stosowane do utwardzania powłok jest fragmentem promieniowania elektromagnetycznego o zakresie długości fali 200-400 nm. Promieniowanie elektronowe jest to wiązka elektronów przyspieszana w polu elektrycznym o napięciu 100-400 kV. W przypadku promieniowania elektronowego jego energia jest dostatecznie duża, aby bezpośrednio oddziaływać na wiązania podwójne monomerów i oligomerów, powodując inicjowanie reakcji polimeryzacji. Natomiast w przypadku promieniowania UV jego energia jest zbyt niska i dlatego do inicjowania polimeryzacji potrzebne jest pośrednictwo fotoinicjatorów. Rozwój tej technologii związany jest z jej zaletami tak technicznymi jak i związanymi z ochroną środowiska. (tabela 1)
Należy tu zaznaczyć, że bardzo intensywny rozwój chemii oligomerów i monomerów akrylowych oraz środków pomocniczych sprawia, że wiele z wymienionych wyżej wad powoli przechodzi do historii.Chemia utwardzania radiacyjnego
W zakresie utwardzania powłok promieniowaniem UV stosuje się dwa typy mechanizmu polimeryzacji: polimeryzację rodnikową oraz polimeryzację kationową. Natomiast do utwardzania wiązką elektronów (EB) stosuje się tylko mechanizm polimeryzacji rodnikowej.
Rys.1 Mechanizm polimeryzacji rodnikowej
Inicjowanie
R ----> 2R*
Wzrost łańcucha
R* + R* ----> RR*
Przeniesienia łańcucha
RR1* + AH ----> RR1H + A*
Zakończenie łańcucha
Rm* + Rn* ----> RmRn
Proces polimeryzacji rodnikowej przebiega etapowo. W trakcie etapu inicjowania pod wpływem promieniowania UV lub EB powstają wolne rodniki, które w następnym etapie wzrostu łańcucha reagują z monomerem z wytworzeniem nowego rodnika, który reaguje z następną cząsteczką monomeru itd. Proces przebiegałby tak aż do wyczerpania monomerów w mieszaninie reakcyjnej i utworzenia polimeru o bardzo wysokim ciężarze cząsteczkowym. Jednak zachodzą również reakcje kończące łańcuch polimeryzacji. Jedną z nich jest przeniesienie rodnika na inną niż monomer cząsteczkę z wytworzeniem rodnika o małej reaktywności. Drugą z nich jest zakańczanie łańcucha, czyli reakcja dwóch rosnących makrorodników ze sobą. Powodują one obniżenie możliwego do uzyskania ciężaru cząsteczkowego.
W technologii rodnikowego utwardzania radiacyjnego najszerzej stosuje się następujące typy nienasyconych związków chemicznych:• nienasycone żywice poliestrowe
• oligomery z końcowymi grupami (met)akrylowymi, allilowymi, winylowymi.
Poważnym problemem utwardzania radiacyjnego jest inhibicja tlenowa. Powoduje ona, że powierzchnia powłok utwardzanych na powietrzu pozostaje niedotwardzona, bardzo podatna na zarysowanie. Powodem tego są reakcje powstających rodników z tlenem. Aby temu zapobiegać w technice utwardzania UV stosuje się dodatek amin III rzędowych, a w technice EBC stosuje się przedmuch strefy utwardzania gazem inertnym nie zawierającym tlenu (N2 lub spaliny).
Innym rozwiązaniem problemu inhibicji tlenowej jest zastosowanie mechanizmu polimeryzacji kationowej. W tym przypadku stosuje się następujące surowce:
