导语
guide
光固化(UV 固化)是指在紫外光的照射下, 光引发剂吸收紫外光的辐射能量后分裂成自由基,引发预聚物发生聚合、交联等反应,在很短的时间内固化成网状高分子聚合物。由此使得涂料、油墨、黏合剂等在数秒内由液态转化为固态。UV 固化过程一般可分为以下五个阶段:
(1)光引发剂吸收紫外光,成为激发态的光引发剂。
(2)激发态的光引发剂不稳定,易分解形成自由基。
(3)自由基与预聚物中的不饱和基团相互作用引发加成、交联或聚合反应,形成自由基中间体。
(4)自由基中间体通过链增长反应,得到长链或网状的高分子聚合物自由基中间体。
(5)长链或网状的高分子聚合物自由基中间体产生链终止反应,原来的液态组分转变为固体聚合物。
01
产业链
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光固化产业链可以划分为上游基础化工原材料以及相关辅料,中游为固化材料配方生产商和相关的辐照设备制造商,下游为家居建材、家电、汽车、消费电子、油墨印刷、光纤等行业的终端客户。
(1)原材料生产供应商:光固化原料产品主要包括单体、低聚物、光引发剂和助剂。低聚物为光固化材料的基本骨架,性质决定了固化后基材涂层的主要性能;
单体是用于溶解和稀释低聚物,会影响光固化的反应速率和最终涂膜的性能;光引发剂在光固化产品中用量虽然不大,但是由于其对固化速度和固化程度起决定性作用,并且价格昂贵,是光固化原料产品中最关键的组分。
(2)化学配方产品生产供应商:化学配方产品(涂料、油墨、胶黏剂)为终端用户的辐射固化应用提供物质基础。
(3)装置设备制造供应商:这是为固化过程提供加工手段和装置设备的环节,包括紫外光源等制造供应商。
(4)下游用户:光固化材料作为节能环保型新材料与新科技紧密联系,光固化材料不仅可以替代传统的涂料、油墨和胶黏剂,还可以广泛应用于3D 打印、电子信息、医疗健康等新兴领域。
02
产业发展现状
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(一)光固化设备
UV 固化设备由UV 光源、反光镜、电源/ 转换器和外罩组成。材料经过UV 光源,部分光直接照射到材料上,另一部分光通过反光罩反射到材料上,材料通过吸收紫外光能量,使材料迅速交联固化。
目前市场上的UV 光源分高压汞灯、金属卤素灯、LED 灯。2013 年10 月10 日,我国签署了《水俣公约》,明确了相应添汞产品应于2020 年完成其生产和进出口的淘汰。
UV-LED 比传统的汞灯的优势表现在:
a) 超长寿命:使用寿命是传统汞灯式固化机的10 倍以上,约25000~30000 小时。
b) 冷光源、无热辐射,被照品表面温升低, 解决光通讯、液晶生产中长期存在的热伤害问题。特别适合液晶封边、薄膜印刷等要求温升小的场合适用。
c) 发热量小,可解决汞灯喷绘设备发热量大、工作人员难以忍受的问题。
d) 瞬间点亮,不需要预热即刻达到100% 功率紫外输出。
e) 使用寿命不受开闭次数影响。
f) 能量高,光输出稳定,照射均匀效果好, 提高生产效率。
g) 可定制有效照射区域,长度从20mm 到1000mm。
h) 不含汞,也不会产生臭氧,是替代传统光源技术的一种更安全、更环保的选择。
i) 能耗低,耗电量仅为传统汞灯式固化机的10%,能节约90% 电量。
j) 维护成本几乎为零,采用UVLED 固化设备每年至少节约10000 元/ 台的耗材费。
(二)光固化涂料
光固化涂料是光固化固化中紫外光主要接触的物质,属于涂料领域中的一个细分产品。
2017 年中国溶剂型涂料占比达到52%,环保型涂料占比48%,其中水性和粉末环保涂料占比分别约35% 和10%,UV 涂料占比约0.5%, 其他环保涂料占比约2.5%。
UV 涂料2018 年的总产值约在60 亿元左右, 其中占比最大的领域是木器UV 涂料。
光固化木器涂料
2018 年,中国木器漆产量为140 万吨,占涂料总产量的28.5% ;实现产值200 亿元,占涂料总产值的6%,其中UV 木器涂料约为30~40 亿之间。
UV 木器涂料是我国UV 技术的起源,也是当前UV 涂料发展最成熟的领域。德国Bayer 公司1968 年所开发了第一代UV 光固化木器涂料, 我国在20 世纪70 年代就开始研发光固化木器涂料,但在90 年代才开始步入产业化的发展阶段。当前,木器涂料主要应用在家装方面,其三大消费大户分别为木门、橱柜、地板。
目前我国木器涂料行业格局比较分散,企业数量众,80% 以上市场份额仍由本土品牌占据;总的来说分为共分为三个梯队,分别为10 亿元以上规模(第一梯队);3 亿元~10 亿元规模(第二梯队)和3 亿元以下规模(第三梯队)。
第一梯队:展辰、嘉宝莉、大宝、宣伟华润、君子兰、巴德士(花王)。
第二梯队:立邦长润发、漆宝、百川、紫荆花、汇龙、迪邦、名仕达、千叶松、树熊。
第三梯队:长颈鹿、三棵树、阿克苏诺贝尔、美涂士、欧文、伯丁克、涂芭、雷巴、首邦、华轩、华隆、优耐、明邦、鸿昌化工、晨阳、邦弗特、鸿昌涂料等。
光固化光纤涂料
光固化真空镀膜涂料
真空镀膜涂料主要是底涂与面涂2 种。底涂处于基材与真空镀膜之间,一般起封闭底材、改善底层 平整度以增加镀膜镜面效果、改善底材与镀膜结合力等作用,从而使底材和镀膜有良好的附着力、流平性、 耐热性;对于柔性基材还要求涂膜具有良好的柔韧性。面涂除了对镀膜起保护作用外,更重要的是提供优良的耐磨性、耐刮伤性等表面防护性能,有的还要求具有良好的耐候性( 耐黄变性)。
(三)光固化油墨
2018 年7 月环保部正式发布《环境标志产品技术要求 凹印油墨和柔印油墨》,对凹印油墨和柔性油墨原材料、生产过程及产品中有毒有害物质提出了环保要求,其中明确要求将凹印油墨和柔性油墨的VOCs 排放限定在5% 以内,并于2018 年10 月1 日起正式实施,未达标企业将依法关停整治。
2017 年共统计了27 家UV 油墨生产企业, 其总产量为5.6 万吨,比2016 年增长了11.24% ;总产值为29.1 亿元,比2016 年增长了20.64%。
UV 油墨品种产量大的有阻焊油墨(14,793 吨,占比26.4%,增长15.38%)、光成像助焊剂油墨(10,724 吨,占比19.1%,增长28.54%)、胶印油墨(9,588 吨, 占比17.1%, 增长72.04%) 和丝印油墨(5,999 吨, 占比10.7%, 增长36.56%)、其它(5,412 吨,占比9.6%)及凹印油墨(3,508 吨,占比6.3%,增长3.79%)。
(四)光固化粘合剂
胶粘剂是指通过界面的黏附和内聚等作用, 能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的物质。
胶粘剂下游应用非常广泛,包括医疗、电子信息、高铁、城市轨道交通、航空航天、新能源、工业装配自动化、智能终端设备等战略性新兴市场。
2017 年全球胶粘剂市场达428 亿美元,中国占全球市场约1/3,2018 年我国光固化胶粘剂在胶粘剂中占比极小,胶产量约为2000 吨,产值约为2.5 亿元。
03
光固化材料发展建议
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(一)在紫外光固化设备方面
随着我国签署《水俣公约》,明确相应添汞产品应于2020 年完成其生产和进出口的淘汰, UV-LED 代替汞灯的趋势在愈加明确。但UV-LED 设备存在一些应用中的难点,需要加大研发力度来解决当前存在的问题。比如:表面固化的问题,照射强度较弱,若印刷速度过快,易导致油墨固化不彻底;只能发出长波紫外光,不能发出短波紫外光,因此不利于UV 光油的固化;UV-LED 有效照射距离较短(10mm ~50mm),距离在8~10cm UVLED 能量是无法满足现今固化市场的需求,唯有突破才能使固化市场运用更加广泛。UV LED 只适合一些平面固化的产品。对于一些不规则的产品和异形产品是无法固化的。
配套引发剂的问题:对UV-LED 光源发出的紫外光发生反应的光引发剂较少(现在与UV-LED 光源比较匹配的光引发剂有TPO、TEPO、819、ITX、DETX 等),因此需要精选出反应性能优异的光引发剂。
(二)在紫外光固化涂料方面
木器是当前UV 涂料产值最大的领域,而木器环保涂装升级是大趋势,以“水性、UV、粉末涂料”为代表的环保涂料成为未来家具涂装方向,市场份额将不断飙升。木器领域是服务与市场为主导的领域,在强调环保技术的同时要注重产品质量、服务水平以及销售渠道的有效构建。相比之下,综合性的大型涂料企业更具发展优势。
以3C 电子产品、汽车内饰件以及化妆品领域应用的真空镀UV 涂料在产品工艺上复杂程度更高,同时产品更新换代的频率更快,尤其在3C 领域,需要不断满足电子产品更新迭代的速度,因此需要较高的研发投入,并保持高效的产品产出。
(三)在紫外光固化油墨方面
环保治理和行业的规范经营将使油墨的成本有所上升,但也是油墨企业生存的必要保证,大型的油墨企业应该会得到更快、更多的发展机会。
当前,印刷企业针对VOCs 的处理主要采用的是末端环保处理的方式,但是从政策导向上来看,加强源头控制是大势所趋。
2017 年9 月环保部发布《“十三五”挥发性有机物防治工作方案》,明确要求深入推进包装印刷行业VOCs 综合治理,大力推广使用低(无)VOCs 油墨、涂料、胶黏剂、润版液等, 到2019 年底替代60%。油墨行业将继续沿着绿色环保型油墨为主线的发展思路前进,水性油墨、UV(UV-LED)/EB 油墨和柔版等环保油墨将成为油墨行业的主要增长点。
(四)在紫外光固化粘合剂方面
由于保护环境、珍惜资源的理念日益深入人心,胶粘剂的高固含量、无溶剂、水性、光固化等环境友好特性将越来越受到重视,高性能环保型胶粘剂将成为市场新宠,环保节能型产品( 无溶剂、高固含量、水性、光固化、低温固化、热熔型及热熔压敏胶等) 将成为主流。当前光固化粘合剂占比较低,需要光固化材料企业在市场应用发掘与推广上不断创新。
来源:水漆助手等
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光固化(UV 固化)是指在紫外光的照射下, 光引发剂吸收紫外光的辐射能量后分裂成自由基,引发预聚物发生聚合、交联等反应,在很短的时间内固化成网状高分子聚合物。由此使得涂料、油墨、黏合剂等在数秒内由液态转化为固态。UV 固化过程一般可分为以下五个阶段:
(1)光引发剂吸收紫外光,成为激发态的光引发剂。
(2)激发态的光引发剂不稳定,易分解形成自由基。
(3)自由基与预聚物中的不饱和基团相互作用引发加成、交联或聚合反应,形成自由基中间体。
(4)自由基中间体通过链增长反应,得到长链或网状的高分子聚合物自由基中间体。
(5)长链或网状的高分子聚合物自由基中间体产生链终止反应,原来的液态组分转变为固体聚合物。
01
产业链
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光固化产业链可以划分为上游基础化工原材料以及相关辅料,中游为固化材料配方生产商和相关的辐照设备制造商,下游为家居建材、家电、汽车、消费电子、油墨印刷、光纤等行业的终端客户。
(1)原材料生产供应商:光固化原料产品主要包括单体、低聚物、光引发剂和助剂。低聚物为光固化材料的基本骨架,性质决定了固化后基材涂层的主要性能;
单体是用于溶解和稀释低聚物,会影响光固化的反应速率和最终涂膜的性能;光引发剂在光固化产品中用量虽然不大,但是由于其对固化速度和固化程度起决定性作用,并且价格昂贵,是光固化原料产品中最关键的组分。
(2)化学配方产品生产供应商:化学配方产品(涂料、油墨、胶黏剂)为终端用户的辐射固化应用提供物质基础。
(3)装置设备制造供应商:这是为固化过程提供加工手段和装置设备的环节,包括紫外光源等制造供应商。
(4)下游用户:光固化材料作为节能环保型新材料与新科技紧密联系,光固化材料不仅可以替代传统的涂料、油墨和胶黏剂,还可以广泛应用于3D 打印、电子信息、医疗健康等新兴领域。
02
产业发展现状
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(一)光固化设备
UV 固化设备由UV 光源、反光镜、电源/ 转换器和外罩组成。材料经过UV 光源,部分光直接照射到材料上,另一部分光通过反光罩反射到材料上,材料通过吸收紫外光能量,使材料迅速交联固化。
目前市场上的UV 光源分高压汞灯、金属卤素灯、LED 灯。2013 年10 月10 日,我国签署了《水俣公约》,明确了相应添汞产品应于2020 年完成其生产和进出口的淘汰。
UV-LED 比传统的汞灯的优势表现在:
a) 超长寿命:使用寿命是传统汞灯式固化机的10 倍以上,约25000~30000 小时。
b) 冷光源、无热辐射,被照品表面温升低, 解决光通讯、液晶生产中长期存在的热伤害问题。特别适合液晶封边、薄膜印刷等要求温升小的场合适用。
c) 发热量小,可解决汞灯喷绘设备发热量大、工作人员难以忍受的问题。
d) 瞬间点亮,不需要预热即刻达到100% 功率紫外输出。
e) 使用寿命不受开闭次数影响。
f) 能量高,光输出稳定,照射均匀效果好, 提高生产效率。
g) 可定制有效照射区域,长度从20mm 到1000mm。
h) 不含汞,也不会产生臭氧,是替代传统光源技术的一种更安全、更环保的选择。
i) 能耗低,耗电量仅为传统汞灯式固化机的10%,能节约90% 电量。
j) 维护成本几乎为零,采用UVLED 固化设备每年至少节约10000 元/ 台的耗材费。
(二)光固化涂料
光固化涂料是光固化固化中紫外光主要接触的物质,属于涂料领域中的一个细分产品。
2017 年中国溶剂型涂料占比达到52%,环保型涂料占比48%,其中水性和粉末环保涂料占比分别约35% 和10%,UV 涂料占比约0.5%, 其他环保涂料占比约2.5%。
UV 涂料2018 年的总产值约在60 亿元左右, 其中占比最大的领域是木器UV 涂料。
光固化木器涂料
2018 年,中国木器漆产量为140 万吨,占涂料总产量的28.5% ;实现产值200 亿元,占涂料总产值的6%,其中UV 木器涂料约为30~40 亿之间。
UV 木器涂料是我国UV 技术的起源,也是当前UV 涂料发展最成熟的领域。德国Bayer 公司1968 年所开发了第一代UV 光固化木器涂料, 我国在20 世纪70 年代就开始研发光固化木器涂料,但在90 年代才开始步入产业化的发展阶段。当前,木器涂料主要应用在家装方面,其三大消费大户分别为木门、橱柜、地板。
目前我国木器涂料行业格局比较分散,企业数量众,80% 以上市场份额仍由本土品牌占据;总的来说分为共分为三个梯队,分别为10 亿元以上规模(第一梯队);3 亿元~10 亿元规模(第二梯队)和3 亿元以下规模(第三梯队)。
第一梯队:展辰、嘉宝莉、大宝、宣伟华润、君子兰、巴德士(花王)。
第二梯队:立邦长润发、漆宝、百川、紫荆花、汇龙、迪邦、名仕达、千叶松、树熊。
第三梯队:长颈鹿、三棵树、阿克苏诺贝尔、美涂士、欧文、伯丁克、涂芭、雷巴、首邦、华轩、华隆、优耐、明邦、鸿昌化工、晨阳、邦弗特、鸿昌涂料等。
光固化光纤涂料
光固化真空镀膜涂料
真空镀膜涂料主要是底涂与面涂2 种。底涂处于基材与真空镀膜之间,一般起封闭底材、改善底层 平整度以增加镀膜镜面效果、改善底材与镀膜结合力等作用,从而使底材和镀膜有良好的附着力、流平性、 耐热性;对于柔性基材还要求涂膜具有良好的柔韧性。面涂除了对镀膜起保护作用外,更重要的是提供优良的耐磨性、耐刮伤性等表面防护性能,有的还要求具有良好的耐候性( 耐黄变性)。
(三)光固化油墨
2018 年7 月环保部正式发布《环境标志产品技术要求 凹印油墨和柔印油墨》,对凹印油墨和柔性油墨原材料、生产过程及产品中有毒有害物质提出了环保要求,其中明确要求将凹印油墨和柔性油墨的VOCs 排放限定在5% 以内,并于2018 年10 月1 日起正式实施,未达标企业将依法关停整治。
2017 年共统计了27 家UV 油墨生产企业, 其总产量为5.6 万吨,比2016 年增长了11.24% ;总产值为29.1 亿元,比2016 年增长了20.64%。
UV 油墨品种产量大的有阻焊油墨(14,793 吨,占比26.4%,增长15.38%)、光成像助焊剂油墨(10,724 吨,占比19.1%,增长28.54%)、胶印油墨(9,588 吨, 占比17.1%, 增长72.04%) 和丝印油墨(5,999 吨, 占比10.7%, 增长36.56%)、其它(5,412 吨,占比9.6%)及凹印油墨(3,508 吨,占比6.3%,增长3.79%)。
(四)光固化粘合剂
胶粘剂是指通过界面的黏附和内聚等作用, 能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的物质。
胶粘剂下游应用非常广泛,包括医疗、电子信息、高铁、城市轨道交通、航空航天、新能源、工业装配自动化、智能终端设备等战略性新兴市场。
2017 年全球胶粘剂市场达428 亿美元,中国占全球市场约1/3,2018 年我国光固化胶粘剂在胶粘剂中占比极小,胶产量约为2000 吨,产值约为2.5 亿元。
03
光固化材料发展建议
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(一)在紫外光固化设备方面
随着我国签署《水俣公约》,明确相应添汞产品应于2020 年完成其生产和进出口的淘汰, UV-LED 代替汞灯的趋势在愈加明确。但UV-LED 设备存在一些应用中的难点,需要加大研发力度来解决当前存在的问题。比如:表面固化的问题,照射强度较弱,若印刷速度过快,易导致油墨固化不彻底;只能发出长波紫外光,不能发出短波紫外光,因此不利于UV 光油的固化;UV-LED 有效照射距离较短(10mm ~50mm),距离在8~10cm UVLED 能量是无法满足现今固化市场的需求,唯有突破才能使固化市场运用更加广泛。UV LED 只适合一些平面固化的产品。对于一些不规则的产品和异形产品是无法固化的。
配套引发剂的问题:对UV-LED 光源发出的紫外光发生反应的光引发剂较少(现在与UV-LED 光源比较匹配的光引发剂有TPO、TEPO、819、ITX、DETX 等),因此需要精选出反应性能优异的光引发剂。
(二)在紫外光固化涂料方面
木器是当前UV 涂料产值最大的领域,而木器环保涂装升级是大趋势,以“水性、UV、粉末涂料”为代表的环保涂料成为未来家具涂装方向,市场份额将不断飙升。木器领域是服务与市场为主导的领域,在强调环保技术的同时要注重产品质量、服务水平以及销售渠道的有效构建。相比之下,综合性的大型涂料企业更具发展优势。
以3C 电子产品、汽车内饰件以及化妆品领域应用的真空镀UV 涂料在产品工艺上复杂程度更高,同时产品更新换代的频率更快,尤其在3C 领域,需要不断满足电子产品更新迭代的速度,因此需要较高的研发投入,并保持高效的产品产出。
(三)在紫外光固化油墨方面
环保治理和行业的规范经营将使油墨的成本有所上升,但也是油墨企业生存的必要保证,大型的油墨企业应该会得到更快、更多的发展机会。
当前,印刷企业针对VOCs 的处理主要采用的是末端环保处理的方式,但是从政策导向上来看,加强源头控制是大势所趋。
2017 年9 月环保部发布《“十三五”挥发性有机物防治工作方案》,明确要求深入推进包装印刷行业VOCs 综合治理,大力推广使用低(无)VOCs 油墨、涂料、胶黏剂、润版液等, 到2019 年底替代60%。油墨行业将继续沿着绿色环保型油墨为主线的发展思路前进,水性油墨、UV(UV-LED)/EB 油墨和柔版等环保油墨将成为油墨行业的主要增长点。
(四)在紫外光固化粘合剂方面
由于保护环境、珍惜资源的理念日益深入人心,胶粘剂的高固含量、无溶剂、水性、光固化等环境友好特性将越来越受到重视,高性能环保型胶粘剂将成为市场新宠,环保节能型产品( 无溶剂、高固含量、水性、光固化、低温固化、热熔型及热熔压敏胶等) 将成为主流。当前光固化粘合剂占比较低,需要光固化材料企业在市场应用发掘与推广上不断创新。
来源:水漆助手等
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