水性涂料的未来方向及性能

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1、水性涂料的未来方向及性能1、引言涂料是由高分子物质和配料组成的混合物，并能涂覆在基材表面形成牢固附着连续涂膜 的新型高分子材料。1867 年美国第一个涂料专利的出现标志着涂料科学与技术的开始。涂 料中的挥发性有机物（voc）以气态分子的形式在其生产、施工、干燥、固化成膜过程中散发 至空气中，不仅造成了环境一定程度的污染，而且对人体健康也构成了威胁。世界各国为了 保护环境，也为了保护地球上人类的生命安全，制定了有关环保的法律法规限制涂料中VOC 的含量以及排放。2001 年，我国针对挥发性有机化合物、甲苯和二甲苯总和、可溶性镉等 10种室内装饰装修材料有害物质，制定了强制性的安全标准以及排放限量

2、。近年来，中国 又进一步完善有关环保的法律法规，建立了较为完善的“中国涂料低污染化发展安全国家体 系标准”，其中包括涂料中有害物质的测试方法标准（如voc差值测定法、VOC气相色谱测 定法和乳胶漆中voc的测定方法等）和涂料中有害物质限量产品标准（如溶剂型木器涂料中 有害物质的限量和内外墙中有害物质限量等）。voc的重要来源之一就是涂料的主要组成物 质分散介质和成膜物，鉴于有机溶剂型涂料的这种缺点，水性树脂生产技术的进步和发展 刻不容缓，同时水性涂料逐步替代有机溶剂型涂料的前景一片光明。凡是用水作溶剂或者作 分散介质的涂料，都可称为水性涂料。水性涂料包括水溶性涂料、水稀释性涂料、水分散性 涂料

3、（乳胶涂料）3种。水溶性涂料是以水溶性树脂为成膜物，以聚乙烯醇及其各种改性物为 代表，除此之外还有水溶醇酸树脂、水溶环氧树脂及无机高分子水性树脂等。水性涂料&三森漆Hansenhttp:/2、水性涂料发展的优缺点2.1水性涂料的发展优势(1) 对环境友好。水性涂料从原料来源到生产及使用的全生命周期，均有利于环境的健康发展。它不仅在 生产过程中将易挥发的有机溶剂替代，而且使用时涂装工具可用水清洗，也减少了清洗溶剂 的消耗。有机溶剂的生产需要消耗化石原料，在资源紧缺的现阶段是对资源的一大挑战，水 性涂料的出现，解决了这一问题。同时，溶剂的削减，大大减少了生产及使用过程中挥发性 有机化合物的排放，为

4、改善周边大气环境作出了积极的贡献。马春庆等人对比了不同涂装体 系的VOC排放量，结果表明“溶剂型中涂+溶剂型色漆+单组份罩光清漆”工艺体系的VOC 排放量为120g/m3，而“水性中涂+水性色漆+水性罩光清漆”工艺体系的排放量仅为 28g/m3，排放量大幅度降低。另一方面，水性涂料仅采用少量低毒性醇醚类有机溶剂，有机 溶剂挥发量减少，极大改善了工作场所的环境，有利于工作人员的身体健康。(2) 安全性提高以溶剂中最常见的甲苯和二甲苯为例：甲苯的闪点为4C,蒸气能与空气形成爆炸性混 合物，爆炸极限1.2%7.0%(体积)；二甲苯闪点29C,蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆 炸极限约为1%7%(体积

5、)。两者均为易燃物质。因此，溶剂型涂料的易燃易爆原料储存和 使用的场所，具有发生火灾爆炸事故的风险。而水性涂料的生产和使用，减少了对易燃易爆 原材料的需求，极大地降低了风险。(3) 降低成本一是对原料成本的降低。随着人们对资源能源的需求日益增大，在世界范围内出现资源 能源短缺的问题，导致石油乃至下游产品价格持续上涨，作为下游产品的有机溶剂也不例外。 资源价格的压力下，以水作为稀释剂的价格优势正得以逐渐显现。二是对环境成本的降低。传统的溶剂型涂料生产过程中产生大量的有机废气，为了达到 排放要求，企业需要配置尾气处理设施及相关的配套设施，并负担日常运行及维护费用。水 性涂料的有机废气排放很少，为企

6、业减轻了负担。三是安全成本的降低。水性涂料以水作为稀释剂，使之成为更为安全的涂料，从生产到 运输再到应用中的火灾隐患较传统溶剂性涂料大幅降低。对于管理者来说，安全方面的投入 成本也将相应的降低。(4) 施工条件及外观性能水性涂料由于透气性比较好，基层内部的水蒸气可以向外扩散，不容易起泡，因此在对 基层的要求上，水性涂料施工的基层含水率应小于10%，溶剂型涂料施工的基层含水率应小 于 8%。水性涂料对材质表面适应性好，涂层附着力强，在潮湿环境中可直接涂覆施工。通V三森漆Hansenhttp:/ 常，溶剂型涂料的涂着固体份高达60%70%,而水性涂料的涂着固体份仅为20%30%，由此 可见，水性涂

7、料的平滑性相对较好。2.2 水性涂料的缺点虽然水性涂料对环境的湿度和基层含水率的要求方面优于溶剂型涂料，但在其他方面的 适用性不及溶剂型涂料。(1) 因水的表面张力大，难以浸润底材，易产生缩孔，水性涂料对施工过程中及材质表 面清洁度要求也较高。(2) 两种类型的涂料分散介质的熔点差异很大，水为0C,而有机溶剂的熔点相对低很 多，甲苯为- 95C,二甲苯为- 25C左右。因此，对于施工温度，水性涂料施工一般要求在 5C以上，而溶剂型涂料在0C也可以施工。(3) 喷涂水性涂料对喷漆室的湿度也有一定的要求，水性涂料在环境相对湿度85%以上 时表干缓慢，水溶剂在较饱和湿度环境下无法正常挥发，当湿度过高

8、(达到90%以上)时，在 被涂物上的涂膜会流淌下来。因此需要喷漆室有良好的空气循环，保持适当的湿度。(4) 由于水的蒸发潜热大，是一般溶剂的57倍，往往需提高烘干温度或延长烘干时间。(5) 虽然水性涂料具有普通溶剂型涂料的防护与装饰功能，但是在高装饰性要求的场合， 无法达到很高的丰满度，需要溶剂型涂料来实现。3、几种常用水性涂料3.1 环氧树脂环氧树脂具有优异的物化性能，如良好的附着力，优异的耐化学品性和耐溶剂性，硬度 高，耐腐蚀性和热稳定性优良，因此，一直引起人们的关注。水性环氧树脂可分为水乳型环 氧脂和水溶型环氧树脂2种。其制备方法主要有直接乳化法、相反转法和自乳化法3种。此 外，还有人采

9、用纤维素单晶纳米材料混合改性法，制成柔韧性和硬度都较好的水性环氧涂料。水性环氧涂料通过环氧树脂与固化剂反应交联成膜，固化剂的性能对涂膜物化性能影响 很大，故水性固化剂的改性研究已成为当前国内外研究热点。目前常用的水性环氧树脂固化 剂主要是3种改性胺类固化剂：(1)36碳链二聚酸和多胺缩聚而成的聚酰胺;(2)18碳链脂肪 酸和多元胺反应制得的酰胺化多胺;(3)环氧树脂与多元胺制得加成产物。对于水性环氧固化 剂的合成，一般常用的胺主要包括脂肪族多胺、间苯二胺、曼尼希碱和聚氧乙烯二胺等。由 于该类固化剂与环氧树脂相容性比较差，故具有适用期短、耐水性差的缺点，所以对其进行 改性是首要问题。一般常用的改

10、性方法主要有3种：1)降低伯胺的含量，以降低固化剂的总 体反应性;2)采用单环氧化合物或丙烯腈封端;3)通过减压蒸馏法除去未反应的游离胺，并加 入有机酸，以提高其水溶性。石亚军等人研究了水性环氧树脂乳液与固化剂的配比、防锈颜 填料配比以及颜填料体积浓度等对水性环氧防腐涂料性能的影响。研究结果表明：采用优选 的高性能水性双酚A环氧乳液和改性的多胺固化剂，当水性环氧乳液和固化剂的质量比为V三森漆Hansenhttp:/2：1时，涂料性能最好当铁钛粉、铁红、滑石粉3者的质量比为1：1：1.5时，涂料的力 学性能、耐酸碱性、附着力等性能都达到最好;在保证铁钛粉、铁红、滑石粉的质量比为 1：1：1.5的

11、前提下，当颜填料聚氯乙烯的体积浓度达47.7%时，涂料的硬度、附着力等综 合性能达到最佳。近几年，除了对水性固化剂进行大量的研究外，还对纳米材料改性的水性环氧涂料作了 大量研究工作。将纳米Si02、纳米Ti02等纳米材料用于水性环氧涂料中，制成水性纳米改 性环氧涂料，可使其附着力、耐擦洗性、耐候性、硬度、柔韧性、耐老化性等性能得到很大 提高。黄丽等人研究了复合改性的纳米SiO2/环氧涂料的性能。首先将纳米SiO2与溶剂混 合，再按一定的配比加入偶联剂和超分散剂，制得改性纳米SiO2。然后将改性纳米SiO2与 E-44环氧树脂混合，便制得纳米SiO2/环氧复合涂料。研究结果表明：改性纳米SiO2

12、用量 为2%时，能够与树脂基料有效复合，可使热分解温度达296C，比纯树脂基料提高了50C, 漆膜的机械力学性能也得到很大提高。3.2 聚氨酯聚氨酯含有强极性异氰酸酯基（一NCO）、一OH以及脲基等，并且聚氨酯分子间能形成氢 键、存在范德华力作用力和较高的内聚力，对极性塑料表面具有很好的粘接力。对于非极性 塑料（如PE、PP），除了处理塑料的表面外，也可在聚氨酯树脂上接枝具有与这些非极性树 脂相似化学性质、表面张力和溶解度参数的链段。按水性聚氨酯的外观，分为聚氨酯水溶液、聚氨酯水分散体和聚氨酯乳液。实际应用最 多的是聚氨酯乳液及分散液，一般统称为水性聚氨酯或聚氨酯乳液。按组成分有单、双组分 之

13、分，单组分属于热塑性树脂，聚合物在成膜过程中不发生交联，方便施工;双组分水性聚 氨酯涂料由含有活泼一NCO固化剂组分和含有可与一NCO反应的活泼氢（羟基）的水性多元醇 组成，施工前将二者混合均匀，成膜过程中发生交联反应，涂膜性能好。3.2.1 单组分水性聚氨酯涂料单组分水性聚氨酯涂料是水性聚氨酯涂料中最常见的一种，也是最常用的，具有高断裂 伸长率（可达800%）、适当的强度（20MPa）和常温干燥的优点。传统意义上的单组分水性聚氨 酯涂料一般具有较低的相对分子质量或低交联度。为进一步提高单组分水性聚氨酯涂料的机 械性能和耐化学品性能，可通过引入反应性基团进行交联或使用复合改性基料的方法来提高

14、涂料性能，选用诸如多元醇、多异氰酸酯和多元胺等多官能团化合物合成具有交联结构的水 性聚氨酯分散体;添加内交联剂，如碳化二亚胺、甲亚胺和氮杂环丙烷类化合物;采用热活化 交联和自氧化交联等。与环氧树脂复合，将环氧树脂较高的支化度引入到聚氨酯主链上，可 提高乳液涂膜的附着力、干燥速率、涂膜硬度和耐水性。3.2.2 双组分水性聚氨酯涂料20世纪90年代初，Jacobs等成功开发出能分散于水的多异氰酸酯固化剂，从而使双组 分水性聚氨酯涂料进入实用研究阶段，其具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度高以 及耐化学品性、耐候性好等优越性能。为得到表观和内在质量均匀的实用涂料，双组分聚氨 酯水分散体涂料应满足

15、： （1）多元醇体系应具有乳化能力，从而保证两组分混合后，容易把V三森漆Hansenhttp:/ 聚氨酯固化剂(特别是未经亲水改性的固化剂)乳化,具有分散功能，使分散体粒径尽可能小， 以便在水中更好地混合扩散;(2)固化剂的黏度要尽可能小，从而减少有机溶剂的用量，甚至 不用有机溶剂，同时又能保证与含羟基的组分很好地混合。如应用于汽车内饰件的涂装，鉴 于单组分水性聚氨酯的附着力更佳，可采用单组分水性聚氨酯制作底漆和中涂，双组分水性 聚氨酯作面漆和罩光漆。3.3 丙烯酸酯丙烯酸酯乳液以其优良的耐候性、耐光性和气味小等特点，推动了丙烯酸酯乳液涂料的 飞速发展，并且采用核壳结构能很好地解决乳液的Tg和

16、最低成膜温度(MFT)之间的矛盾。目 前，根据加入壳体单体方式的不同，可将丙烯酸酯类乳液聚合的方法分为间歇法、平衡溶胀 法、半连续法和连续法。影响丙烯酸酯乳液性能的因素有乳化剂、核层/壳层的单体质量比 和壳层Tg。目前，对水性丙烯酸酯类涂料的改性有多种方法，例如聚氨酯改性、有机硅改 性、含氟单体改性以及纳米材料改性等。冯利邦等人通过紫外光固化技术合成了水性聚氨酯-丙烯酸酯涂料，并对其进行了研究。 Jin 等人通过两步乳液聚合法合成了一种用于增韧聚甲基丙烯酸甲酯的聚氨酯/聚甲基丙烯 酸甲酯核壳结构的丙烯酸酯乳液，结果显示：聚合物乳液的柔韧性得到了很大提高。黄志彬 等人制备了纳米Si02/聚丙烯酸酯复合乳