水性涂料現(xiàn)狀及展望

1、水性涂料現(xiàn)狀及展望水性涂料現(xiàn)狀及展望陳修寧1許寧2何程林2楊勁松2徐玉華2徐玉俊2林建新21.昆山市板明電子科技；2.江蘇中科金龍化工0引言傳統(tǒng)溶劑型涂料在其制造和使用過程中含有大量的有機揮發(fā)物簡稱VOC,給環(huán)境帶來了或多或少的污染和破壞,對人體造成了損害.涂料的開展在不斷改善人類物質(zhì)生產(chǎn)、生活需求的同時,也使環(huán)境迅速惡化.在環(huán)保意識強化的現(xiàn)代,開發(fā)低VOC環(huán)保型的綠色涂料產(chǎn)品凸顯其重要性.新型、綠色環(huán)保型涂料技術(shù)主要有向高固含量涂料、粉末涂料及水性涂料方向開展,其中水性涂料增長最為迅速,市場占有率最局.水性涂料是以水作溶劑或分散介質(zhì)的一類涂料,在建筑涂料領(lǐng)域已普遍采用.汽車涂裝作為工業(yè)涂裝的

2、一個重要領(lǐng)域,在歐洲從底漆、中涂到面涂根本實現(xiàn)了水性化.但在一般的工業(yè)涂裝領(lǐng)域,包括防腐涂裝領(lǐng)域,仍大量使用溶劑型涂料,這顯然和環(huán)境保護法日益強化,人們普遍重視環(huán)境保護的今天很不和諧.在可能的情況下用水性涂料代替溶劑型涂料是必然的趨勢.1水性涂料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀歐、美、日等興旺國家對可持續(xù)的低VOC水性涂料的開發(fā)和應(yīng)用非常重視.到20紀(jì)末,水性涂料的產(chǎn)量已占世界涂料總產(chǎn)量的30%左右,與溶劑型涂料根本相當(dāng).歐洲是水性涂料全球最大的市場,市場占有率達40%.這要歸功于綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的由臺,促使水性涂料的需求量的增長.目前的歐洲水性涂料的普及率已比擬高,在德國,建筑涂料中的93%都使用水性涂料,就連開展最

3、慢的挪威也有47%的建筑涂料實現(xiàn)了水性化2.根據(jù)GrandViewResearch最新研究報告,預(yù)計到2022年水性涂料市場將到達1461.1億美元,隨著亞太地區(qū)根底建設(shè)工程的增加,201A2022年亞太地區(qū)水性涂料增長率最快將到達7.9%,屆時亞太地區(qū)將取代歐洲成為全球最大的水性涂料市場.近幾年隨著我國經(jīng)濟開展,在水性涂料領(lǐng)域取得了巨大的進步,但是與興旺國家相比,還有一定的差距.國內(nèi)建筑涂料已根本實現(xiàn)水性化,而木器涂料的水性化率還較低,由于環(huán)保意識的增強,木器涂料在家裝行業(yè)水性化已成為老百姓關(guān)心的問題.汽車制造行業(yè)也開始使用了水性涂料,據(jù)報道,本田在武漢建立的工廠將采用水性涂料,通用上海生產(chǎn)

4、的別克凱越汽車已實現(xiàn)水性化,但完全采用的國外水性涂料產(chǎn)品.皮革涂飾領(lǐng)域,國內(nèi)水性涂飾產(chǎn)品開發(fā)雖有一定根底但還遠(yuǎn)不夠深入,特別是高檔皮革涂飾材料,皮革涂飾行業(yè)國外公司產(chǎn)品的占有率超過了50%o紡織涂層領(lǐng)域水性涂料開展較快,水性化率已接近50%.近年來,隨著國內(nèi)汽車制造和電子工業(yè)的快速開展,推動了我國水性涂料行業(yè)的發(fā)展.2水性涂料的研究現(xiàn)狀水性涂料是以水基高分子為成膜物質(zhì)的.水性涂料自20世紀(jì)60年代由現(xiàn)以來,特別是90年代以后,開展的速度非?？?已形成多品種、多功能、多用途、多規(guī)格的龐大體系.根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類.本文按成膜物質(zhì)的不同,介紹了幾種常見水性涂料的研究現(xiàn)狀.2.1 水性醇酸

5、樹脂涂料醇酸樹脂是最先應(yīng)用于涂料工業(yè)的合成樹脂之一,它是由多元醇或者多元胺與多元酸和一元酸植物油縮聚而成的一種樹脂.醇酸樹脂配方靈活,原料來源廣泛,可通過用其他材料改性來提升醇酸樹脂的綜合性能.醇酸樹脂對各種底材有良好的潤濕性及相容性,附著力優(yōu)良,成為涂料行業(yè)中量大面廣的產(chǎn)品.目前,水性醇酸樹脂的制備方法可以大致分為2種：1自乳化法,是通過在分子鏈中引入親水基團或親水鏈段的方法使樹脂分散或溶解在水中；2成鹽法,通過化學(xué)反響將醇酸樹脂主鏈轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性的離子.水性醇酸樹脂繼承了溶劑型醇酸樹脂的優(yōu)點,自身也因水性化而產(chǎn)生了一些缺點：傳統(tǒng)的催干劑體系在水性體系中喪失了局部活性,需要選用新型的催干體系提

6、升水性醇酸樹脂的枯燥速度和交聯(lián)密度；酯鍵在水性體系中容易發(fā)生水解,導(dǎo)致體系的穩(wěn)定性降低.新型催干體系和提升酯鍵的水解穩(wěn)定性等領(lǐng)域已成為水性醇酸樹脂研究的重點,近階段已經(jīng)取得了一些進展.如Servo公司、Vianova公司、OMG公司等正在開發(fā)新型催干劑來提升水性醇酸樹脂的枯燥速度,如鉆鹽和鉀鹽的絡(luò)合物；通過在分子鏈上引入耐水解的合成原料如用長碳鏈多元醇替代短碳鏈多元醇、間苯替代鄰苯等和限制親水基團的中和度等方法來解決醇酸樹脂易水解的問題.水性醇酸樹脂涂料的未來研究趨勢是：使用對環(huán)境友好的助溶劑,降低涂料的施工黏度,進一步增強薄涂膜的耐腐蝕性,降低本錢,開發(fā)具有特殊功能的水性醇酸涂料.2.2 水

7、性環(huán)氧樹脂涂料環(huán)氧樹脂涂料具有：涂膜對各類底材附著力良好、收縮性小、硬度高,耐腐蝕性、耐化學(xué)藥品性、耐磨性好和電氣絕緣性好等優(yōu)異性能,并且價格低廉.水性環(huán)氧涂料根本保持了傳統(tǒng)溶劑型環(huán)氧涂料的諸多優(yōu)點,而且具有自己特殊的優(yōu)勢綠色環(huán)保、可以在潮濕的環(huán)境中固化,已成為環(huán)氧涂料的重要開展方向.水性環(huán)氧的制備方法主要有直接法、相反轉(zhuǎn)法和自乳化法等.直接法和相反轉(zhuǎn)法都是通過外加乳化使環(huán)氧樹脂乳化成水分散體,具優(yōu)點是本錢低、制造工藝簡單,但是制備的水性環(huán)氧樹脂乳液粒徑較大、形狀不規(guī)整、穩(wěn)定性較差,并且成膜性能也不好,限制了其使用范圍.自乳化法是在環(huán)氧樹脂分子鏈段中引入親水的基團和鏈段,然后在外力作用下通過相

8、反轉(zhuǎn)形成穩(wěn)定的乳液,該乳液粒子較細(xì),且不含有外加的乳化劑.形成的涂膜的綜合性能較好,可以到達甚至超過溶劑型環(huán)氧樹脂目前,水性環(huán)氧涂料應(yīng)用較為廣泛的是室溫雙組分體系,主要有2局部組成：甲組分是以分散形式存在的環(huán)氧樹脂；乙組分是親水性固化劑,在成膜過程中通過和環(huán)氧樹脂反響形成涂膜.影響涂膜性能的因素很多,最關(guān)鍵的是提升環(huán)氧樹脂與固化劑的相容性.目前這方面的研究取得了不錯的進展.DowDeutschland公司開發(fā)了一種新型的雙組分水性環(huán)氧樹脂,該乳液的成膜溫度低,綜合性能優(yōu)異,如對各種基材的附著力好,且具有優(yōu)異的耐化學(xué)性、耐水性和耐溶劑性等.陶永忠等采用低相對分子質(zhì)量的環(huán)氧樹脂與非離子外表活性劑以

9、BMJ表示反響合成了BMJ環(huán)氧加成物,然后經(jīng)封端和成鹽制備生了新型水性環(huán)氧固化劑,再配合相應(yīng)的環(huán)氧樹脂得到了硬度高和耐水性、柔韌性優(yōu)異的涂膜,但其耐酸堿性需要進一步的改善.劉漢杰等那么將外表活性劑接枝到聚氨酯改性環(huán)氧樹脂主體上,制備了水性聚氨酯改性環(huán)氧樹脂固化劑,用該固化劑配制的地板涂料綜合性能優(yōu)良,且本錢較低.環(huán)氧樹脂涂料具有優(yōu)異的防腐性能和附著力,作為底漆幾乎可以應(yīng)用于所有的材料外表.像混凝土、水泥地面封閉底漆、工業(yè)地坪涂料、防腐領(lǐng)域及木器領(lǐng)域.今后水性環(huán)氧樹脂研究的熱點將集中在：新型固化劑、交聯(lián)度的提升、硬度和柔韌性的改善、提升固化效率、提升物理機械性能、拓展使用領(lǐng)域等方面.2.3 水性

10、聚氨酯涂料水性聚氨酯涂料指在涂膜中含有一定數(shù)量的氨基甲酸酯鍵一NH-COO-的水性涂料.水性聚氨酯涂料不僅具有水性涂料的低VOC、不燃、綠色環(huán)保等優(yōu)點,而且保持了溶劑型聚氨酯涂料耐腐蝕性、柔韌性、附著力和耐化學(xué)品性等優(yōu)異的性能,近年來在水性涂料領(lǐng)域開展較快.制備水性聚氨酯最成熟的方法是由D.Deterich創(chuàng)造的內(nèi)乳化法.制備工藝是：在聚氨酯分子骨架上引入親水基團陰離子或陽離子或親水鏈段非離子,先制成親水的離聚體,再通過機械外力作用分散水中形成水分散體.水性聚氨酯涂料根據(jù)包裝形式有單組分和雙組分之分.由于水性聚氨酯的分子骨架上引入了親水鏈段,因此乳液本身存在一些缺乏：自增稠性差、固含量低,涂膜

11、的耐水性和耐溶劑性不良和表面光澤低等.近年來,人們利用聚氨酯聚合物優(yōu)異的剪裁性,結(jié)合新型改性技術(shù),開發(fā)生了一系列新型水性聚氨酯,其性能已經(jīng)根本趕上甚至超過了溶劑型聚氨酯.王武生等20采用氨基丙基三乙氧基硅烷與端異匐酸酯聚氨酯預(yù)聚體反響合成了帶有硅氧烷聚氨酯的預(yù)聚體,預(yù)聚體在分散過程中分子鏈上的硅氧烷發(fā)生水解縮合得到了微交聯(lián)型的聚氨酯分散體.研究發(fā)現(xiàn),這種微交聯(lián)聚氨酯水分散體改善了涂膜的耐水性,力學(xué)性能也隨分子鏈中有機硅含量的增加而提升.許戈文21等通過環(huán)氧改性水性聚氨酯,合成了具有高支化度的聚氨酯分散體,涂膜的附著力、枯燥速率、硬度和耐水性都有較大的提升.水性聚氨酯涂料因其綜合性能優(yōu)異,已廣泛

12、應(yīng)用于皮革涂飾、塑料、工業(yè)涂裝、防腐涂料和木器家具涂料等領(lǐng)域.但是水性聚氨酯清漆對木器底材的潤濕性存在問題,需要降低清漆外表張力以便與底材外表張力相匹配,開發(fā)高性能的木器涂料是近年來研究的熱點.2.4 水性丙烯酸酯涂料丙烯酸樹脂的C-C主鏈具有特殊的光、熱、化學(xué)穩(wěn)定性.水性丙烯酸涂料保存了水性丙烯酸酯的優(yōu)異性能,在耐候性、耐污性、耐酸性、耐堿性、機械性能、耐油和耐溶劑方面均有獨特的優(yōu)勢24o水性丙烯酸酯一般采用乳液聚合的方法進行制備.普通丙烯酸乳液聚合技術(shù)已經(jīng)比擬成熟,種類名目繁多,在建筑涂裝上應(yīng)用也十分成功,這里不再提及.水性丙烯酸酯涂料的今后開展趨勢是開發(fā)高性能和高功能化的涂料,其途徑主要

13、是：1雜化改性,即依靠分子設(shè)計,向大分子鏈引入含硅單體或含氟單體等,結(jié)合有機硅樹脂或者氟碳樹脂性能形成高性能化、高功能乳液；2通過粒子設(shè)計,結(jié)構(gòu)限制獲得特殊形貌的乳液,如核-殼結(jié)構(gòu)乳液、互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物乳液等.另外,新型乳液聚合技術(shù)像無皂乳液聚合、微乳液聚合技術(shù)、細(xì)乳液聚合技術(shù)等新技術(shù)的由現(xiàn),也促進了水性丙烯酸酯涂料的進步.水性丙烯酸酯涂料以其自身優(yōu)勢,加上近年來人們環(huán)保意識的增強,正逐漸取代溶劑型丙烯酸酯涂料,在塑料、金屬、木材、建筑以及裝飾等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用.2.5 水性氟碳涂料水性氟碳涂料以水性氟碳樹脂為主要成膜物質(zhì),主要特點是樹脂含有大量的F-C鍵.F-C鍵在所有化學(xué)鍵中鍵能最大

14、,為485kJ/mol.由于CF鍵能比CH鍵能大,氟原子的電子云對C-C鍵的屏蔽作用較氫原子強,同時由于氟原子的共價半徑非常小,2個氟原子恰好把2個碳原子之間的空隙填滿,使得反響試劑難以插入,有效地保護了C-C鍵,使得CF鍵很難被熱、光以及化學(xué)作用等破壞.因此,氟樹脂具有許多優(yōu)異的性能：分子間凝聚力低,外表自由能低,難以被液體或固體浸潤或粘著；外表摩擦系數(shù)小,具有卓越的耐候性、耐腐蝕性、防水耐油性.水性氟碳樹脂已成為當(dāng)今涂料工業(yè)一個重要的開展方向.經(jīng)過多年的開展,水性氟碳涂料已形成許多商業(yè)化產(chǎn)品.主要分為2類：1烘烤型氟碳涂料,聚四氟乙烯/全氟乙烯基醍共聚物PFA水分散體涂料、氟乙烯PTFE水

15、分散體涂料以及乙烯/四氟乙烯共聚物ETFE水分散體等；2常溫成膜涂料,氟烯燒/乙烯基醍FEVE水分散體涂料、偏氟乙烯VDF共聚物水分散體涂料等.水性氟碳涂料性能優(yōu)異,也根本與溶劑型氟涂料相當(dāng).已廣泛應(yīng)用在建筑工程、文物保護、航空器、海洋、輕工業(yè)紙品、織物、皮革等領(lǐng)域.水性氟碳涂料具有超耐候性、耐污性等優(yōu)異的性能,在水性涂料中具有良好的市場潛力.近年來,政府對外墻涂料提由的高標(biāo)準(zhǔn),也給氟碳涂料帶來了新一輪的商機.水性氟碳涂料中氟乳液的合成、配套助劑的研發(fā)、涂裝配套體系的優(yōu)化、施工工藝的改良都將是研發(fā)熱點.2.6 水性有機硅涂料水性有機硅涂料是以含硅聚合物作為成膜物質(zhì)的.含硅聚合物主要是指有機硅樹

16、脂或者有機硅改性的樹脂.從結(jié)構(gòu)上看,含硅聚合物屬于半有機半無機結(jié)構(gòu)的材料,它兼有有機材料和無機材料的特性.水性有機硅涂料具有有機硅材料的優(yōu)異性能,同時有機硅的引入能夠改善因樹脂水性化導(dǎo)致的涂膜耐水性降低的狀況和解決了高外表張力引起水性涂料涂膜外表弊病的問題.因而水性有機硅涂料已成為最具發(fā)展前景的涂料品種之一.水性有機硅涂料具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、耐候性、耐水性等性能,且對各種基材的適應(yīng)性好,已被廣泛用于船舶、航空、機械、橋梁、建筑、電器、紡織整理和皮革涂飾等領(lǐng)域.用于建筑物的水泥基材外表的水性有機硅涂料可改善建筑物的耐水性、耐污以及耐候性,增加建筑物的使用壽命；用于皮革、織物和紙張的處理可

17、賦予它們優(yōu)異的柔滑性和耐水性.2.7 水性無機涂料水性無機涂料是以硅酸鹽、硅溶膠等為成膜物質(zhì)、以水為溶劑或分散劑,可以配成低VOC甚至零VOC,具有優(yōu)異性能,無毒、無味、無刺激性,是近年來開展較快,比擬有發(fā)展?jié)摿Φ囊活惌h(huán)保型涂料.水性無機涂料在建筑建筑領(lǐng)域已取得成功應(yīng)用,成膜物質(zhì)的硅酸鹽、硅溶膠對水泥基材可以自動滲入,使含顏、填料的涂膜在固化的作用下發(fā)生硅化作用而與底材牢固地合成一體.在高溫下甚至超過1000C依然抗熱,不會龜裂.涂膜有阻燃、防火、防毒作用,而且耐酸堿.另外,利用納米技術(shù)進行改性可以制成SMART標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證涂料和空氣凈化涂料.國內(nèi)無機涂料的制備方法都是用無機成膜物質(zhì)硅酸鹽或硅溶膠和有機樹脂乳液物理共混制成.國外主要是采用溶膠-凝膠法制備.溶膠凝膠技術(shù)是選用一種可以形成溶膠-凝膠的前軀體,如烷氧基硅烷,水解成羥基,然后與含羥基的樹脂或硅溶膠縮合交聯(lián)成膜.溶膠-凝膠法技術(shù)的運用使水性無機涂料獲得了新的突破,已有正式的產(chǎn)品在市場上推廣.目前,水性無機涂料,尤其是凝膠-溶膠法技術(shù)制備無機涂料正處于開展初期,雖然在擴大原料來源、降低本錢、裝飾性方面面臨著諸多問題和工作,但仍顯示由強大的開展?jié)摿?3水性涂料存在的問題從技術(shù)上,水性化產(chǎn)品要到達溶劑型產(chǎn)品的性能還存在一定的難