水性涂料现状及展望

水性涂料现状及展望水性涂料现状及展望陈修宁1许宁2何程林2杨劲松2徐玉华2徐玉俊2林建新2（1.昆山市板明电子科技有限公司；2.江苏中科金龙化工有限公司）0引言传统溶剂型涂料在其制造和使用过程中含有大量的有机挥发物（简称VOC），给环境带来了或多或少的污染和破坏，对人体造成了损害。涂料的发展在不断改善人类物质生产、生活需求的同时，也使环境迅速恶化。在环保意识强化的现代，开发低VOC环保型的绿色涂料产品凸显其重要性。新型、绿色环保型涂料技术主要有向高固含量涂料、粉末涂料及水性涂料方向发展，其中水性涂料增长最为迅速，市场占有率最高。水性涂料是以水作溶剂或分散介质的一类涂料，在建筑涂料领域已普遍采用。汽车涂装作为工业涂装的一个重要领域，在欧洲从底漆、中涂到面涂基本实现了水性化。但在一般的工业涂装领域，包括防腐涂装领域，仍大量使用溶剂型涂料，这显然和环境保护法日益强化，人们普遍重视环境保护的今天很不和谐。在可能的情况下用水性涂料代替溶剂型涂料是必然的趋势。1水性涂料产业化现状欧、美、日等发达国家对可持续的低VOC水性涂料的开发和应用非常重视。到20纪末，水性涂料的产量已占世界涂料总产量的30%左右，与溶剂型涂料基本相当。欧洲是水性涂料全球最大的市场，市场占有率达40%。这要归功于绿色建筑标准的出台，促使水性涂料的需求量的增长。目前的欧洲水性涂料的普及率已比较高，在德国，建筑涂料中的93%都使用水性涂料，就连发展最慢的挪威也有47%的建筑涂料实现了水性化[2]。根据GrandViewResearch最新研究报告，预计到2022年水性涂料市场将达到1461.1亿美元，随着亚太地区基础建设项目的增加，2015—2022年亚太地区水性涂料增长率最快将达到7.9%，届时亚太地区将取代欧洲成为全球最大的水性涂料市场。近几年随着我国经济发展，在水性涂料领域取得了巨大的进步，但是与发达国家相比，还有一定的差距。国内建筑涂料和控制亲水基团的中和度等方法来解决醇酸树脂易水解的问题。水性醇酸树脂涂料的未来研究趋势是：使用对环境友好的助溶剂，降低涂料的施工黏度，进一步增强薄涂膜的耐腐蚀性，降低成本，开发具有特殊功能的水性醇酸涂料。2.2水性环氧树脂涂料环氧树脂涂料具有：涂膜对各类底材附着力良好、收缩性小、硬度高，耐腐蚀性、耐化学药品性、耐磨性好和电气绝缘性好等优异性能，并且价格低廉。水性环氧涂料基本保持了传统溶剂型环氧涂料的诸多优点，而且具有自己特殊的优势（绿色环保、可以在潮湿的环境中固化），已成为环氧涂料的重要发展方向。水性环氧的制备方法主要有直接法、相反转法和自乳化法等。直接法和相反转法都是通过外加乳化使环氧树脂乳化成水分散体，其优点是成本低、制造工艺简单，但是制备的水性环氧树脂乳液粒径较大、形状不规整、稳定性较差，并且成膜性能也不好，限制了其使用范围。自乳化法是在环氧树脂分子链段中引入亲水的基团和链段，然后在外力作用下通过相反转形成稳定的乳液，该乳液粒子较细，且不含有外加的乳化剂。形成的涂膜的综合性能较好，可以达到甚至超过溶剂型环氧树脂。目前，水性环氧涂料应用较为广泛的是室温双组分体系，主要有2部分组成：甲组分是以分散形式存在的环氧树脂；乙组分是亲水性固化剂，在成膜过程中通过和环氧树脂反应形成涂膜。影响涂膜性能的因素很多，最关键的是提高环氧树脂与固化剂的相容性。目前这方面的研究取得了不错的进展。DowDeutschland公司开发了一种新型的双组分水性环氧树脂，该乳液的成膜温度低，综合性能优异，如对各种基材的附着力好，且具有优异的耐化学性、耐水性和耐溶剂性等。陶永忠等采用低相对分子质量的环氧树脂与非离子表面活性剂(以BMJ表示)反应合成了BMJ环氧加成物，然后经封端和成盐制备出了新型水性环氧固化剂，再配合相应的环氧树脂得到了硬度高和耐水性、柔韧性优异的涂膜，但其耐酸碱性需要进一步的改善。刘汉杰等则将表面活性剂接枝到聚氨酯改性环氧树脂主体上，制备了水性聚氨酯改性环氧树脂固化剂，用该固化剂配制的地板涂料综合性能优良，且成本较低。环氧树脂涂料具有优异的防腐性能和附着力，作为底漆几乎可以应用于所有的材料表面。像混凝土、水泥地面封闭底漆、工业地坪涂料、防腐领域及木器领域。今后水性环氧树脂研究的热点将集中在：新型固化剂、交联度的提高、硬度和柔韧性的改善、提高固化效率、提高物理机械性能、拓展使用领域等方面。2.3水性聚氨酯涂料水性聚氨酯涂料指在涂膜中含有一定数量的氨基甲酸酯键（—NH—COO—）的水性涂料。水性聚氨酯涂料不仅具有水性涂料的低VOC、不燃、绿色环保等优点，而且保持了溶剂型聚氨酯涂料耐腐蚀性、柔韧性、附着力和耐化学品性等优异的性能，近年来在水性涂料领域发展较快。制备水性聚氨酯最成熟的方法是由D.Deterich发明的内乳化法。制备工艺是：在聚氨酯分子骨架上引入亲水基团（阴离子或阳离子）或亲水链段（非离子），先制成亲水的离聚体，再通过机械外力作用分散水中形成水分散体。水性聚氨酯涂料按照包装形式有单组分和双组分之分。由于水性聚氨酯的分子骨架上引入了亲水链段，因此乳液本身存在一些不足：自增稠性差、固含量低，涂膜的耐水性和耐溶剂性不良和表面光泽低等。近年来，人们利用聚氨酯聚合物优异的剪裁性，结合新型改性技术，开发出了一系列新型水性聚氨酯，其性能已经基本赶上甚至超过了溶剂型聚氨酯。王武生等[20]采用氨基丙基三乙氧基硅烷与端异氰酸酯聚氨酯预聚体反应合成了带有硅氧烷聚氨酯的预聚体，预聚体在分散过程中分子链上的硅氧烷发生水解缩合得到了微交联型的聚氨酯分散体。研究发现，这种微交联聚氨酯水分散体改善了涂膜的耐水性，力学性能也随分子链中有机硅含量的增加而提高。许戈文[21]等通过环氧改性水性聚氨酯，合成了具有高支化度的聚氨酯分散体，涂膜的附着力、干燥速率、硬度和耐水性都有较大的提升。水性聚氨酯涂料因其综合性能优异，已广泛应用于皮革涂饰、塑料、工业涂装、防腐涂料和木器家具涂料等领域。但是水性聚氨酯清漆对木器底材的润湿性存在问题，需要降低清漆表面张力以便与底材表面张力相匹配，开发高性能的木器涂料是近年来研究的热点。2.4水性丙烯酸酯涂料丙烯酸树脂的C—C主链具有特殊的光、热、化学稳定性。水性丙烯酸涂料保留了水性丙烯酸酯的优异性能，在耐候性、耐污性、耐酸性、耐碱性、机械性能、耐油和耐溶剂方面均有独特的优势[24]。水性丙烯酸酯一般采用乳液聚合的方法进行制备。普通丙烯酸乳液聚合技术已经比较成熟，种类名目繁多，在建筑涂装上应用也十分成功，这里不再提及。水性丙烯酸酯涂料的今后发展趋势是开发高性能和高功能化的涂料，其途径主要是：（1）杂化改性，即依靠分子设计，向大分子链引入含硅单体或含氟单体等，结合有机硅树脂或者氟碳树脂性能形成高性能化、高功能乳液；（2）通过粒子设计，结构控制获得特殊形貌的乳液，如核-壳结构乳液、互穿网络聚合物乳液等。另外，新型乳液聚合技术像无皂乳液聚合、微乳液聚合技术、细乳液聚合技术等新技术的出现，也促进了水性丙烯酸酯涂料的进步。水性丙烯酸酯涂料以其自身优势，加上近年来人们环保意识的增强，正逐渐取代溶剂型丙烯酸酯涂料，在塑料、金属、木材、建筑以及装饰等领域得到越来越广泛的应用。2.5水性氟碳涂料水性氟碳涂料以水性氟碳树脂为主要成膜物质，主要特点是树脂含有大量的F—C键。F—C键在所有化学键中键能最大，为485kJ/mol。由于C—F键能比C—H键能大，氟原子的电子云对C—C键的屏蔽作用较氢原子强，同时由于氟原子的共价半径非常小，2个氟原子恰好把2个碳原子之间的空隙填满，使得反应试剂难以插入，有效地保护了C—C键，使得C—F键很难被热、光以及化学作用等破坏。因此，氟树脂具有许多优异的性能：分子间凝聚力低，表面自由能低，难以被液体或固体浸润或粘着；表面摩擦系数小，具有卓越的耐候性、耐腐蚀性、防水耐油性。水性氟碳树脂已成为当今涂料工业一个重要的发展方向。经过多年的发展，水性氟碳涂料已形成许多商业化产品。主要分为2类：（1）烘烤型氟碳涂料，聚四氟乙烯/全氟乙烯基醚共聚物（PFA）水分散体涂料、氟乙烯（PTFE）水分散体涂料以及乙烯/四氟乙烯共聚物(ETFE)水分散体等；（2）常温成膜涂料，氟烯烃/乙烯基醚(FEVE)水分散体涂料、偏氟乙烯（VDF）共聚物水分散体涂料等。水性氟碳涂料性能优异，也基本与溶剂型氟涂料相当。已广泛应用在建筑工程、文物保护、航空器、海洋、轻工业（纸品、织物、皮革）等领域。水性氟碳涂料具有超耐候性、耐污性等优异的性能，在水性涂料中具有良好的市场潜力。近年来，政府对外墙涂料提出的高标准，也给氟碳涂料带来了新一轮的商机。水性氟碳涂料中氟乳液的合成、配套助剂的研发、涂装配套体系的优化、施工工艺的改进都将是研发热点。2.6水性有机硅涂料水性有机硅涂料是以含硅聚合物作为成膜物质的。含硅聚合物主要是指有机硅树脂或者有机硅改性的树脂。从结构上看，含硅聚合物属于半有机半无机结构的材料，它兼有有机材料和无机材料的特性。水性有机硅涂料具有有机硅材料的优异性能，同时有机硅的引入能够改善因树脂水性化导致的涂膜耐水性降低的状况和解决了高表面张力引起水性涂料涂膜表面弊病的问题。因而水性有机硅涂料已成为最具发展前景的涂料品种之一。水性有机硅涂料具有良好的耐热性、耐腐蚀性、耐候性、耐水性等性能，且对各种基材的适应性好，已被广泛用于船舶、航空、机械、桥梁、建筑、电器、纺织整理和皮革涂饰等领域。用于建筑物的水泥基材表面的水性有机硅涂料可改善建筑物的耐水性、耐污以及耐候性，增加建筑物的使用寿命；用于皮革、织物和纸张的处理可赋予它们优异的柔滑性和耐水性。2.7水性无机涂料水性无机涂料是以硅酸盐、硅溶胶等为成膜物质、以水为溶剂或分散剂，可以配成低VOC甚至零VOC，具有优异性能，无毒、无味、无刺激性，是近年来发展较快，比较有发展潜力的一类环保型涂料。水性无机涂料在建筑建筑领域已取得成功应用，成膜物质的硅酸盐、硅溶胶对水泥基材可以自动渗入，使含颜、填料的涂膜在固化的作用下发生硅化作用而与底材牢固地合成一体。在高温下（甚至超过1000℃）依然抗热，不会龟裂。涂膜有阻燃、防火、防霉作用，而且耐酸碱。另外，利用纳米技术进行改性可以制成SMART标准认证涂料和空气净化涂料。国内无机涂料的制备方法都是用无机成膜物质（硅酸盐或硅溶胶）和有机树脂乳液物理共混制成。国外主要是采用溶胶-凝胶法制备。溶胶凝胶技术是选用一种可以形成溶胶-凝胶的前躯体，如烷氧基硅烷，水解成羟基，然后与含羟基的树脂或硅溶胶缩合交联成膜。溶胶-凝胶法技术的运用使水性无机涂料获得了新的突破，已有正式的产品在市场上推广。目前，水性无机涂料，尤其是凝胶-溶胶法技术制备无机涂料正处于发展初期，虽然在扩大原料来源、降低成本、装饰性方面面临着诸多问题和工作，但仍显示出强大的发展潜力。3水性涂料存在的问题从技术上，水性化产品要达到溶剂型产品的性能还存在一定的难度。虽然国际上水性涂料产品的性能已大幅提高，有些已接近和超过溶剂型产品，但国内技术发展还有很长的