在地球上，我们主要的辐射能来源是太阳。它提供热量(热量或红外辐射)、光辐射(可见光和紫外光)和各种其他类型的能量(如X射线、伽马射线和宇宙射线)。这些能量形式，以及无线电波、电视波和雷达波，都是电磁辐射这一现象的密切相关的表现。能量形式的不同仅在于它们的波长(波型的峰到峰的距离)，其范围可以从几千米(几千米)到小于一纳米(十亿分之一米)。

这些能量形式表面上的多样性主要是由于它们被感知的方式不同。例如，人眼具有吸收可见光范围内的辐射能的独特能力，但是在这个相当有限的范围(380 nm-780 nm)之外将不能充分地作为受体。无线电接收器可以识别0.1米至20米范围内的能量，但接收不到可见光范围内的辐射。这个月，我们将研究电磁辐射对涂层的影响。

不同形式的电磁辐射可以根据它们的波长λ(lambda)或它们的频率υ(nu)来分类，如图1所示。术语“频率”是每秒波数的量度，并通过图2所示的公式与波长相关，其中c是光速。

电磁辐射对暴露材料的影响

所有类型的分子都被电磁波谱中特定波长的辐射能(来自辐射的能量)激发并选择性地吸收。玻璃允许可见光通过而不被吸收，但它对紫外光不透明，对较短波长的紫外光几乎不透明。这就是为什么涂膜在室内比室外持久的原因之一。大多数有机聚合物在电磁波谱的红外部分被各种特定波长的辐射能激发并吸收。这一特性有利于有机漆膜分子结构的红外光谱分析。

当波长变短时，辐射的能量增加到足以分裂化学物质的键，并在辐射照射到的任何材料中产生深刻的变化。高能X射线、伽马射线和宇宙射线是如此强大的辐射，它们可以电离气体，并在动物组织中引起深刻的和潜在致命的化学变化。而可见光虽然没有那么高能，对人体健康威胁不大，但会诱发一定的化学反应，比如照相过程中银盐的照射。

然而，紫外光具有足够的能量来破坏和打断有机分子的共价键。在某些辐射固化方法中，可以利用这种特性(辐射能用于激活光化学活性引发剂，然后引发聚合反应)。紫外线、氧气和水是导致许多有机聚合物缓慢降解(老化)的三个主要因素之一。这些有机聚合物包括粘合漆膜的聚合物和构成人体组织的聚合物。

紫外线的影响与辐射强度成正比，与辐射波长成反比。从图3中可以看出，我们的大气层就像一个巨大的过滤器，在短波紫外线到达地面之前，吸收了大部分更强的短波辐射。波长在300纳米以下的辐射几乎完全被大气吸收，只有相对少量的长波紫外光残留(300纳米至380纳米之间)。但是，即使是这么少量的辐射对漆膜分子结构的有害影响现在也已得到充分认识。

紫外线对涂层的降解机制

为了充分解决紫外光降解的问题，我们必须了解光降解的机制。我们将首先考虑它对未着色胶片的影响。光化学降解以逐步的方式进行，如图4所示。第一阶段被称为光解，聚合物吸收紫外线辐射，当它吸收紫外线辐射时，被激发并被提升到比正常情况下更高的能量状态。这种多余的能量必须消除。

完成这种消除的一种方式是通过聚合物的一级键合结构的断裂形成高活性自由基。这种共价键断裂的难易程度取决于键的强度(例如，-C-C-键的粘合强度大于- C = C -键)。由较强键组成的聚合物在任何给定波长下对紫外线诱导的击穿都有更强的抵抗力。然而，随着辐射波长的降低，这些聚合物变得更加脆弱。

在光解开始后，聚合物光化学降解的第二阶段，即自动氧化，可以通过自由基与氧反应形成过氧自由基而进行。

过氧自由基然后可以通过夺取(除去)氢原子与聚合物主链反应，形成氢过氧化物和另一种自由基。因为氢过氧化物极易光解，所以它很容易分裂，产生更多的自由基。这些自由基然后会攻击聚合物主链上的其他位点。

涂层中其他原子的光解也是可能的，再次产生激发的高能部分，然后产生自由基。在较高的能量水平下，自由基可与氧、水或其它与粘合剂无关的原子反应。所有这些反应都会产生更多同样危险的自由基，这些自由基可能随后引发反应，最终导致粘合剂分子的攻击和断裂。

膜内高活性自由基产生的增加会导致许多复杂的内部聚合反应的发生。这些反应可能包括断链(分裂)、解聚，甚至更小的聚合物片段的挥发(蒸发)。相反，链间交联导致过度交联密度和脆化是可能的。

虽然变化的确切性质将取决于聚合物结构，但净效应是物理、化学和性能的显著变化(恶化)。在一些反应中，例如氯化物质的脱氯化氢，反应产物(在这种情况下是HCI)可能会对薄膜原本要保护的基材产生腐蚀。

缓解技术使用非吸收性(紫外线透明)粘合剂

幸运的是，配方可以大大减轻这些破坏性的影响。载体可以选自不吸收紫外光但对辐射透明的脂肪族聚合物(丙烯酸、乙酸乙烯酯、脂肪族聚氨酯等。)并因此不受暴露的影响。由芳族部分组成的载体粘合剂，如双酚a环氧树脂和酚醛树脂，吸收性强得多，因此容易受到紫外线的攻击。

必须强调的是，如果聚合物不吸收辐射，它就不会受到辐射的影响。然而，它可能对来自膜中其他材料(例如，添加剂)的吸收和激发的自由基的攻击敏感。紫外辐射会攻击透明面漆下面的紫外光敏感层。在使用这种紫外线透明的载体时，还必须注意确保光敏底漆和基底得到适当的保护。

选择性吸收

这可以通过用颜料或其他紫外线吸收剂或反射剂适当地改变光稳定的面漆或通过适当地给底漆着色来实现。某些颜料还吸收紫外线，这种紫外线可用来攻击对紫外线敏感的涂层载体。有些颜料本身可能把辐射能转变成破坏性的能量形式(化学能)，这些材料必须小心使用。然而，如果选择得当，颜料可以有效地以危害较小的方式(如热)消散破坏性的辐射能，而不是将其转化为化学能。颜料对紫外光的选择性吸收保护了载色剂粘合剂并增加了涂膜的耐久性。氧化锌、硫化锌、氧化铁红、炭黑和金红石型二氧化钛等材料都是有效的紫外线吸收剂，能很好地保护敏感聚合物。如图5所示，氧化锌在这方面是特别有价值的颜料。它几乎可以吸收360纳米以下危险波长的所有紫外线辐射，并为其粘合剂提供出色的保护。

并非所有的颜料都是同样有效的紫外线吸收剂。硅酸镁和重晶石等填充剂对紫外线相对透明，几乎没有保护作用。其他的，如锐钛矿型二氧化钛，可能通过一种被称为光催化降解的机制使事情变得更糟。

锐钛矿二氧化钛在其表面的晶格中具有变形的离子。这些离子很容易被波长低于405纳米的紫外光还原成较低的氧化态。这种还原反应释放出高活性的初生氧，迅速氧化周围的载体，形成水溶性分解产物。虽然颜料表面的还原反应通过随后的氧化是可逆的，但是载体的氧化是不可逆的。载体的氧化表现为严重的粉化。颜料周围的降解载体基本上被洗去，未结合的颜料作为松散的白垩层留在表面上。载体上的光催化侵蚀在颜料表面附近最强烈(不同于简单的光化学侵蚀 其中颜料的存在减弱了效果)。对于锐钛矿二氧化钛，颜料/载体边界处的界面完整性更容易被破坏，并且随着颜料变得松散，粉化更严重。所有锐钛矿型二氧化钛颜料都具有这种极端的白垩倾向。虽然通常被认为是一个缺点，但颜料的侵蚀性粉化倾向已被用于某些用于室外木质壁板的自洁式房屋涂层中。与光化学降解不同，锐钛矿型涂层的光催化降解不会随着辐射波长的减小而明显增加。

与锐钛矿型二氧化钛不同，金红石型二氧化钛具有更紧密的晶格结构，变形更小，并且氧更不容易被提取。用无机水合物如二氧化硅、氧化铝和氧化锆对颜料进行表面处理也能进一步减轻粉化。这些处理，现在被广泛使用，使金红石型二氧化钛成为涂层载体的优良紫外线屏蔽剂。

颜料在涂膜中分布的有效性(即颜料分散的效率)可能对涂层的紫外光稳定性有深远的影响。根据所用颜料的类型，分散也可能产生不同的效果。当颜料是吸收性的并保护载体时，它们的过度聚集(由差的分散引起)或过度絮凝(由差的分散稳定性引起)会导致膜的耐紫外光性降低(与良好分散的体系相比)。由于膜的颜料饱和(聚集和絮凝)区域的存在，膜的一些区域局部失去了颜料。当这种聚集和/或絮凝发生在用光催化敏感颜料如锐钛矿二氧化钛配制的漆膜中时，光催化氧化的潜在位置被局限并在一定程度上被屏蔽，导致与类似着色但更好分散的体系相比，粉化减少。

反射性颜料

选择性吸收并不是颜料减少紫外线对涂膜攻击的先进方法。

高反射性的颜料，如铝箔，可以被用来从涂膜上反射紫外线，就像镜子反射光线一样。这些颜料将在本系列的下一部分中讨论。本系列中的一个部分将讨论这些颜料。

发光颜料

发光颜料吸收近紫外和紫色波长的辐射能，并以更长的波长重新发射，以产生红色、橙色、黄色和绿色波长的更高色度或强度的颜色。这种用于产生艳丽荧光颜色的概念，还没有被用来专门保护涂层载体免受侵蚀。

有机添加剂

在透明涂层中，以及在一些需要高水平抗紫外线的着色涂层中，使用少量的选择性吸收紫外线的有机添加剂。

这些紫外光吸收剂在化学性质上各不相同，但包括羟基二苯甲酮衍生物、羟基苯基苯并三唑和取代的丙烯腈。它们本质上类似于防晒霜中使用的防晒剂。像色素一样，它们吸收短波紫外线并将其转化为热能，而不会被紫外线降解。

更有效的是这些材料和非紫外光吸收光稳定剂如空间位阻胺的协同组合。胺吸收降解过程中产生的自由基。这些组合通常用于光敏基材上的透明涂层，如木材和高色度有机颜料涂膜。否则，这些基材可能会在紫外线透明的透明物如丙烯酸树脂和脂肪族聚氨酯下降解。