一．UV-LED光固化簡介：

     光輻射固化（Radiation Curing）是一種借助于能量照射實現(xiàn)化學配方（涂料、油墨和膠粘劑等）由液態(tài)瞬間轉(zhuǎn)化為固態(tài)的加工過程。由于所使用的能量常常是紫外可見光（即UV光）光源，通常也稱為UV固化或UV技術(shù)。UV-LED光固化是指用LED光源發(fā)出的光使油墨、油漆、涂料、漿料、膠粘劑等液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。LED固化技術(shù)是從UV固化技術(shù)發(fā)展而來的，LED光源利用光電轉(zhuǎn)化原理，芯片中的電子和正電荷在移動過程中碰撞結(jié)合轉(zhuǎn)化成光能。由于LED具有低電耗、壽命長、小型化、輕量化、瞬時響應、高輸出性、不含汞、無臭氧等優(yōu)點，被稱為“解決環(huán)境問題的一張王牌”。作為一種節(jié)能環(huán)保的光源技術(shù)，LED產(chǎn)業(yè)已成為各國的國家戰(zhàn)略，被廣泛用于光固化行業(yè)。表1是 LED固化與UV固化的技術(shù)特點比較，可見，與傳統(tǒng)UV系統(tǒng)相比，LED固化系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：

（1）能耗低，只需UV的1/4的電能消耗，大大減少了能源消耗和CO2的排放量；

（2）輻射量可控，發(fā)熱量小，對于塑模等耐熱性差或者熱敏承印材料的印刷熱影響??；

（3）壽命長，LED光源約為UV光源壽命的10倍以上，光源更換頻率大幅降低，器材耗費隨之減少；

（4）可瞬時開啟和關(guān)閉，無需UV固化所必須的預熱和降溫時間，提高了效率；

（5）無臭氧產(chǎn)生，改善了工人的工作環(huán)境，無需在安裝捕捉和焚化設(shè)備來消除臭氧的危害；

（6）裝置緊湊，設(shè)置簡單，節(jié)省空間。

表1  LED固化與UV固化的技術(shù)特點比較

二．木器涂裝技術(shù)的發(fā)展趨勢

     穹頂之下的霧霾、PM 2.5、VOCs已經(jīng)嚴重影響了國民的生活和健康，在國家經(jīng)濟快速發(fā)展，科技日新月異的今天，環(huán)保問題不容忽視，環(huán)境治理刻不容緩。十二五期間，涂料行業(yè)飛速發(fā)展，生產(chǎn)總值以兩位數(shù)的速度激增，據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，涂料總產(chǎn)量從2010年的966.6萬噸增長至2015年的1718萬噸。目前，水性涂料在歐美、日本等國家的的市場占有率已達60%左右，而我國這一比例明顯偏低，除了在建筑行業(yè)得到普遍應用外，其他領(lǐng)域仍然是溶劑型涂料一統(tǒng)天下。我國是全球第一的涂料生產(chǎn)和消費大國，但涂料產(chǎn)品質(zhì)量低端化，同質(zhì)化嚴重，國內(nèi)市場尚不成熟，國際市場競爭力不足，產(chǎn)能過剩，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)亟需調(diào)整。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，涂料涂裝行業(yè)每年排放到大氣中的VOCs約700萬噸之多，涂料涂裝行業(yè)要責無旁貸的進行VOCs減排和防治。

     當下，國家重拳治理環(huán)境污染，“最嚴環(huán)保法”、“禁油令”、“涂料消費稅”、“油改水”等相關(guān)政策法律法規(guī)相繼頒布實施，國民環(huán)保意識也顯著提升，消費行為轉(zhuǎn)變，家具涂裝這種重點治理行業(yè)亟需轉(zhuǎn)型，走綠色節(jié)能環(huán)保之路是必然的選擇。目前的環(huán)保涂裝技術(shù)包括水性熱固化，100%UV光固化，水性UV光固化以及水性LED光固化。我國的水性漆發(fā)展了將近幾十年，始終是不溫不火，由于其對技術(shù)和生產(chǎn)工藝等要求更嚴格，成本更高，而且目前國內(nèi)多數(shù)水性涂料達不到傳統(tǒng)溶劑型涂料相同的涂裝效果，涂裝過程受施工環(huán)境影響。水性涂料要真正占據(jù)市場，首先還不是成本問題，亟需在核心技術(shù)攻關(guān)方面提升和突破，從而確保其涂裝效果媲美或超越油性漆。即便國內(nèi)有部分骨干城市政府以資金直接補貼企業(yè)的方式推動家具涂裝由溶劑型涂料向水性熱固化產(chǎn)品轉(zhuǎn)型，但是相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)仍然沒有意愿采用該技術(shù)。因為木器家具產(chǎn)業(yè)面臨如下的共性技術(shù)問題：

     {1}與木地板等高度規(guī)整平面部件使用UV涂裝截然不同，木器家具漆由于基材形狀各異，大小尺寸不一，且常常包含雕花鏤空等立體復雜三維結(jié)構(gòu)，這樣的現(xiàn)狀決定了木器家具涂裝只能用噴涂型涂料為普適性技術(shù)施工方案，只有局部規(guī)整部件可以使用UV光固化加工。因為家具涂裝中僅有小部分涉及平面規(guī)整涂裝，這解釋了為什么所有上馬了UV生產(chǎn)線的家具企業(yè)當前UV線均開工不足，而實際上處于產(chǎn)能閑置狀態(tài)；

     {2}在噴涂技術(shù)方案上，如果廠家選擇水性單組分或雙組分熱固化涂裝漆，由于熱固化自身化學交聯(lián)度不足的固有技術(shù)弱點，不可避免地造成漆膜硬度低下，以鉛筆硬度衡量普遍在HB或以下，且水性熱固化漆屬于慢反應性固化，即涂裝后必須等待較長時間，漆膜才能達到適度打磨的程度，從而進入下一道施工工序。這意味著漆膜干燥要么在條件可控因而投資成本較高的烘干和防塵潔凈操作室中進行，要么不得不“看天吃飯”，因為不良天氣濕度和空氣粉塵含量直接決定了漆膜固化效率和性能；時至今日，眾多家具木器產(chǎn)業(yè)從業(yè)者實際上從心態(tài)上已經(jīng)普遍認為水性熱固化涂裝技術(shù)是不可能得到實踐落地的方案；

     {3}在噴涂技術(shù)方案上，如果廠家選擇紫外光UV固化，即所謂100%固含量UV固化，則不得不使用低粘度的丙烯酸酯類型單體和樹脂復合體系配方，這樣的體系在噴涂操作中，由于丙烯酸酯單體自身也是高揮發(fā)性VOCs，不僅難聞氣味強烈，空氣污染大，且由于丙烯酸酯類化合物的皮膚或生理刺激性，則廠家被迫只能選用機械手在高度防護的空間中進行施工。這對于異型物件的大規(guī)模施工而言，由于機械手無法及時高效而精準地感知物件的三維形狀，是完全無法接受的施工方案；

     {4}在噴涂技術(shù)方案上，如果廠家選擇水性紫外光UV固化，則由于UV光源的自身特點，一方面仍然無法應對不規(guī)則曲面基材固化不足的難題，另一方面UV光源常常為中高壓汞燈，工作時需要半小時以上預熱且工作時短波長紫外光輻射不可避免地激發(fā)空氣中氧氣生成大量人體危害性臭氧（O3）物種，因此整個生產(chǎn)線不得不進行排風防護，造成“環(huán)保不節(jié)能”的尷尬結(jié)果，同時，更需要引起關(guān)注的是，UV光源啟動電壓很高，在家具廠的高濕度和高粉塵惡劣現(xiàn)實環(huán)境中，很容易造成電壓擊穿，在勞動密集型家具企業(yè)很容易引發(fā)群體性人身傷亡等重大安全事故。此外，UV光源普遍壽命低下，通常只有800小時左右使用壽命，因此大量含汞報廢燈管的環(huán)境處理也是現(xiàn)實頭疼的難題。上述種種原因解釋了為什么水性UV涂料也始終無法在家具廠家實現(xiàn)技術(shù)落地。

     LED面光源進行水性涂料固化，本質(zhì)上仍然是一種光促聚合（photo-curing）固化技術(shù)，因此光交聯(lián)密度高，漆膜致密，能輕易達到2H-3H或以上的漆膜硬度，以及高光澤高豐滿度特性，從而造就性能優(yōu)異的木器防護和美觀效果，這是水性熱固化技術(shù)所完全無法比擬的優(yōu)勢。水性LED光固化首先是成本低，其次是節(jié)能和環(huán)保都做到了極致，是木器家具涂裝環(huán)保的終結(jié)者，該技術(shù)既克服了傳統(tǒng)水性熱固化涂料性能不足的缺點，同時賦予用戶亟需的施工自由度和效果特質(zhì)，又兼具低成本，節(jié)能減排和綠色環(huán)保的優(yōu)勢，已經(jīng)在山東萬家園，山東華日，南通臺森，上海澳瑞等家具領(lǐng)頭企業(yè)得到了實踐推廣應用。這個創(chuàng)新技術(shù)的大規(guī)模示范推廣將真正從源頭解決傳統(tǒng)家具產(chǎn)業(yè)的污染問題，更重要的是，在節(jié)能減排的同時跨越式提升我國家具產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

三．水性UV-LED光固化涂裝技術(shù)的關(guān)鍵：

     傳統(tǒng)汞燈是連續(xù)的光譜，從200nm-400nm都有紫外線發(fā)射，目前LED只有在365nm、385nm、395nm、 405nm等幾個很窄的波段發(fā)射紫外線，且譜寬不超過40nm。LED固化技術(shù)在木器涂裝領(lǐng)域應用的關(guān)鍵是開發(fā)與之配套的涂料，為了適應LED固化裝置的光譜特性，LED涂料的技術(shù)開發(fā)要求很高，光源的發(fā)射波長與顏料的透光窗口和光引發(fā)劑的吸收光譜三者要匹配：一方面需要光引發(fā)劑的吸收峰最好處于顏料的“透光窗口”；另一方面需要光引發(fā)劑具有更強的吸光能力和更高的反應效率，同時吸收峰要與發(fā)射波長匹配。

     水性LED光固化木器家具綠色涂裝技術(shù)，一方面從材料技術(shù)角度，有兩個復配水性光固化涂料的關(guān)鍵組分：

     (1) 水性聚氨酯丙烯酸樹脂分散液，一般固體含量在30-60%之間，是光固化的主體成分，其主鏈上烯鍵（C=C）密度，羧酸（carboxylic acid）有機胺（tertiary amine）中和成鹽度，聚氨酯鍵（NHCO）親水基團分布模式，端基官能度高低，以及玻璃化溫度（glass-transition temperature）等性質(zhì)參數(shù)對成膜性能有直接影響；

     (2)水性LED光引發(fā)劑，一般添加量在3-5%，但是是最核心的關(guān)鍵原材料，由于LED光源發(fā)射功率較低（通常2-8瓦/平方厘米功率密度）且波長范圍狹窄，這直接決定了適合于家具木器涂裝的光引發(fā)劑產(chǎn)品必須同時具備兩個關(guān)鍵性能，即一是該引發(fā)劑自身在純水中有足夠的溶解度（water-solubility），從而能和水性樹脂以及其他功能添加劑等復配成貯存高度穩(wěn)定的涂料產(chǎn)品，二是該引發(fā)劑自身的UV-Vis光吸收最大波長必須精準地對準LED光源的發(fā)射波長，從而最大限度地利用光子能量并以高度感光敏感的方式產(chǎn)生誘發(fā)化學聚合的活性自由基物種。

     另一方面，從復配技術(shù)上，關(guān)鍵是要全面克服水性光固化終端涂料的配方兼容性和貯存穩(wěn)定性這一業(yè)界長期的技術(shù)難題。既要考慮水性聚氨酯丙烯酸酯類型樹脂分散液的化學合成，固含量，分子量，酸堿中和度及玻璃化溫度控制技術(shù)，柔性-剛性聚合物鏈段耦合，親水-疏水鏈段耦合及樹脂成膜效應關(guān)系，水性樹脂與水性光引發(fā)劑，配方助劑，水性顏料或染料分散體的兼容性。又要兼顧水性LED光引發(fā)劑的水溶解性，引發(fā)劑-樹脂兼容性，引發(fā)劑-助劑兼容性，引發(fā)劑在不同木器家具涂料配方體系的光吸收特性。通過研究系列水性樹脂分散液與水性光引發(fā)劑在成膜助劑和顏料/染料存在下的配伍關(guān)系，光固化構(gòu)效關(guān)系（structure-function relationship），配方的加速老化和貯存穩(wěn)定性考察，配方的噴涂穩(wěn)定性等問題，最終確定設(shè)計最優(yōu)的配方并不斷優(yōu)化和提升改進。

     此外，與之配套的LED光源是LED光固化木器家具綠色涂裝技術(shù)的關(guān)鍵，不僅要能實現(xiàn)有效固化，而且要操作方便，可以根據(jù)流水線訂制大小和形狀。LED作為點光源用于照明行業(yè)早已陷入慘烈競爭的市場格局，但是LED面光源系統(tǒng)由于芯片密集散熱要求嚴苛則是非常新生的事物，只是在近五年才有市場萌芽，技術(shù)門檻高。鑒于LED的小尺寸靈巧性特征，LED面光源體系可以依據(jù)客戶要求加工成任意形狀，特別適合于任何異型非規(guī)整部件的光固化操作，可以配套往復噴涂機，也可用于吊線，地盤線，相比UV燈管節(jié)能和節(jié)電方面有巨大的優(yōu)勢（如表2）：

四．結(jié)論

     水性LED光固化木器家具涂裝新技術(shù)市場以來，用戶可以切實體驗到如下突出的科技效益：

     1. 由于實現(xiàn)了VOCs排放源頭治理，原有工廠就地整改即可滿足政府環(huán)保要求，不必搬遷造成固定資產(chǎn)大規(guī)模減損或浪費；

     2. 水性LED固化漆噴涂中使用水為綠色介質(zhì)，徹底消除了危害環(huán)境和人工健康的溶劑釋放，使得傳統(tǒng)噴房等政府安監(jiān)消防部門重點監(jiān)控設(shè)施投資大幅度減少，并保障了工廠穩(wěn)定日常安全運營；

     3. LED光固化漆膜性能全面超越水性單組份或雙組分熱固化型漆膜，并完全媲美溶劑型涂料涂裝效果，使得終端用戶對水性LED光固化涂料的使用信心顯著增強；

     4. LED光固化適合應對各種異型物件涂裝，大大增加工廠生產(chǎn)效率，且LED漆膜光固化瞬間完成（形成強烈對比的，傳統(tǒng)溶劑型漆膜則需要一天到數(shù)天方能干燥充分），使得傳統(tǒng)3天的工作量在導入本技術(shù)后僅僅2小時內(nèi)即可完成，大大降低了企業(yè)用工成本，并大幅度提升了企業(yè)盈利能力；

     5. LED光固化使用長波長光源，波長越長穿透力越好，因此非常有利于實現(xiàn)厚膜漆膜（20-40微米）的一次性快速固化，而傳統(tǒng)溶劑型為了達到特定漆膜厚度，必須多次施工反復固化（單次僅能固化約10微米左右漆膜厚度），這進一步增強了生產(chǎn)效率；

     6. 水性LED家具漆無色無味無人體健康風險，一線工人喜聞樂見，與溶劑型噴漆生產(chǎn)線相比大幅度降低了人工工資成本；

     基于上述因素和實踐考核，水性LED涂裝技術(shù)的導入能為下游家具涂裝廠家節(jié)省約30-50%的運營成本，是一個典型的通過技術(shù)創(chuàng)新挖掘價值的范例。