水性涂料的性能特點與發(fā)展趨勢
劉濤（上海匯精亞納米新材料有限公司）
水性涂料，就是以水作為稀釋劑的一種涂料，組成中70%—90%是對人體及環(huán)境無害的水，制作過程中無需添加有機(jī)溶劑(如：苯，酮，酯，醚等有害物質(zhì)。)和甲醛、鉛、鉻等有害物質(zhì)。水性漆以水為分散介質(zhì)，在施工中水分揮發(fā)，以汽化狀態(tài)回歸大自然，不產(chǎn)生對人體和環(huán)境的危害。
溶劑型涂料是由高分子物質(zhì)和配料組成的混合物，并能涂覆在基材表面形成牢固附著連續(xù)涂膜的新型高分子材料。涂料中的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）以氣態(tài)分子的形式在其生產(chǎn)、施工、干燥、固化成膜過程中散發(fā)至空氣中，不僅造成了環(huán)境一定程度的污染，而且對人體健康也構(gòu)成了威脅。世界各國為了保護(hù)環(huán)境，也為了保護(hù)地球上人類的生命安全，制定了有關(guān)環(huán)保的法律法規(guī)限制涂料中VOC的含量以及排放。我國針對揮發(fā)性有機(jī)化合物、甲苯和二甲苯總和、可溶性鎘等十種室內(nèi)裝飾裝修材料有害物質(zhì)，制定了強(qiáng)制性的安全標(biāo)準(zhǔn)以及排放限量。近年來，中國又進(jìn)一步完善有關(guān)環(huán)保的法律法規(guī)，建立了較為完善的“中國涂料低污染化發(fā)展安全國家體系標(biāo)準(zhǔn)”，其中包括涂料中有害物質(zhì)的測試方法標(biāo)準(zhǔn)（如VOC差值測定法、VOC氣相色譜測定法和乳膠漆中VOC的測定方法等）和涂料中有害物質(zhì)限量產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（如溶劑型木器涂料中有害物質(zhì)的限量和內(nèi)外墻中有害物質(zhì)限量等）。VOC的重要來源之一就是涂料的主要組成物質(zhì)—分散介質(zhì)和成膜物，鑒于有機(jī)溶劑型涂料的這種缺點，水性樹脂生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展刻不容緩，同時水性涂料逐步替代有機(jī)溶劑型涂料是大勢所趨，前景一片光明。據(jù)統(tǒng)計，目前：廣東、江蘇、陜西、河北、湖北、天津、北京等省紛紛推動“油改水”政策。水性涂料包括水溶性涂料、水稀釋性涂料、水分散性涂料（乳膠涂料）3種。水溶性涂料是以水溶性樹脂為成膜物，以聚乙烯醇及其各種改性物為代表，除此之外還有水溶醇酸樹脂、水溶環(huán)氧樹脂及無機(jī)高分子水性樹脂等。
2、水性涂料發(fā)展的優(yōu)缺點
2.1水性涂料的發(fā)展優(yōu)勢
（1）對環(huán)境好。
水性涂料從原料來源到生產(chǎn)及使用的全生命周期，均有利于環(huán)境的健康發(fā)展。它不僅在生產(chǎn)過程中將易揮發(fā)的有機(jī)溶劑替代，而且使用時涂裝工具可用水清洗，也減少了清洗溶劑的消耗。有機(jī)溶劑的生產(chǎn)需要消耗化石原料，在資源緊缺的現(xiàn)階段是對資源的一大挑戰(zhàn)，水性涂料的出現(xiàn)，解決了這一問題。同時，溶劑的削減，大大減少了生產(chǎn)及使用過程中揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放，為改善周邊大氣環(huán)境作出了積極的貢獻(xiàn)。另一方面，水性涂料僅采用少量低毒性醇醚類有機(jī)溶劑，有機(jī)溶劑揮發(fā)量減少，極大改善了工作場所的環(huán)境，有利于工作人員的身體健康。
（2）安全性提高
以溶劑中最常見的甲苯和二甲苯為例：甲苯的閃點為4℃，蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限1.2%～7.0%（體積）；二甲苯閃點29℃，蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限約為1%～7%（體積）。兩者均為易燃物質(zhì)。因此，溶劑型涂料的易燃易爆原料儲存和使用的場所，具有發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的風(fēng)險。而水性涂料的生產(chǎn)和使用，減少了對易燃易爆原材料的需求，極大地降低了風(fēng)險。
（3）降低成本
一是降低對能源的依賴。隨著人們對資源能源的需求日益增大，在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)資源能源短缺的問題，導(dǎo)致石油乃至下游產(chǎn)品價格持續(xù)上漲，作為下游產(chǎn)品的有機(jī)溶劑也不例外。資源價格的壓力下，以水作為稀釋劑的價格優(yōu)勢正得以逐漸顯現(xiàn)。
二是對環(huán)境成本的降低。傳統(tǒng)的溶劑型涂料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的有機(jī)廢氣，為了達(dá)到排放要求，企業(yè)需要配置尾氣處理設(shè)施及相關(guān)的配套設(shè)施，并負(fù)擔(dān)日常運行及維護(hù)費用。水性涂料的有機(jī)廢氣排放很少，為企業(yè)減輕了負(fù)擔(dān)。
三是安全成本的降低。水性涂料以水作為稀釋劑，使之成為更為安全的涂料，從生產(chǎn)到運輸再到應(yīng)用中的火災(zāi)隱患較傳統(tǒng)溶劑性涂料大幅降低。對于管理者來說，安全方面的投入成本也將相應(yīng)的降低。
（4）施工條件及外觀性能
水性涂料由于透氣性比較好，基層內(nèi)部的水蒸氣可以向外擴(kuò)散，不容易起泡，因此在對基層的要求上，水性涂料施工的基層含水率應(yīng)小于10%，溶劑型涂料施工的基層含水率應(yīng)小于8%。水性涂料對材質(zhì)表面適應(yīng)性好，涂層附著力強(qiáng)，在潮濕環(huán)境中可直接涂覆施工。通常，溶劑型涂料的涂著固體份高達(dá)60%~70%，而水性涂料的涂著固體份僅為20%~30%，由此可見，水性涂料的平滑性相對較好。
2.2水性涂料的缺點
雖然水性涂料對環(huán)境的濕度和基層含水率的要求方面優(yōu)于溶劑型涂料，但在其他方面的適用性不及溶劑型涂料。
（1）因水的表面張力大，難以浸潤底材，易產(chǎn)生縮孔，水性涂料對施工過程中及材質(zhì)表面清潔度要求也較高。
（2）兩種類型的涂料分散介質(zhì)的熔點差異很大，水為0℃，而有機(jī)溶劑的熔點相對低很多，甲苯為–95℃，二甲苯為–25℃左右。因此，對于施工溫度，水性涂料施工一般要求在5℃以上，而溶劑型涂料在0℃也可以施工。
（3）噴涂水性涂料對噴漆室的濕度也有一定的要求，水性涂料在環(huán)境相對濕度85%以上時表干緩慢，水溶劑在較飽和濕度環(huán)境下無法正常揮發(fā)，當(dāng)濕度過高（達(dá)到90%以上）時，在被涂物上的涂膜會流淌下來。因此需要噴漆室有良好的空氣循環(huán)，保持適當(dāng)?shù)臐穸?/span>。
（4）由于水的蒸發(fā)潛熱大，是一般溶劑的5~7倍，往往需提高烘干溫度或延長烘干時間。
（5）雖然水性涂料具有普通溶劑型涂料的防護(hù)與裝飾功能，但是在高裝飾性要求的場合，無法達(dá)到很高的豐滿度，特別是家具行業(yè)，仍需要溶劑型涂料來實現(xiàn)。
3、幾種常用水性涂料
（1）環(huán)氧樹脂
環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的物化性能，如良好的附著力，優(yōu)異的耐化學(xué)品性和耐溶劑性，硬度高，耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良，因此，一直引起人們的關(guān)注。水性環(huán)氧樹脂可分為水乳型環(huán)氧脂和水溶型環(huán)氧樹脂2種。其制備方法主要有直接乳化法、相反轉(zhuǎn)法和自乳化法3種。此外，還有人采用纖維素單晶納米材料混合改性法，制成柔韌性和硬度都較好的水性環(huán)氧涂料。
水性環(huán)氧涂料通過環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)交聯(lián)成膜，固化劑的性能對涂膜物化性能影響很大，故水性固化劑的改性研究已成為當(dāng)前國內(nèi)外研究熱點。近幾年，除了對水性固化劑進(jìn)行大量的研究外，還對納米材料改性的水性環(huán)氧涂料作了大量研究工作。將納米SiO2、納米TiO2等納米材料用于水性環(huán)氧涂料中，制成水性納米改性環(huán)氧涂料，可使其附著力、耐擦洗性、耐候性、硬度、柔韌性、耐老化性等性能得到很大提高。復(fù)合改性的納米SiO2/環(huán)氧涂料制備及性能。首先將納米SiO2與溶劑混合，再按一定的配比加入偶聯(lián)劑和超分散劑，制得改性納米SiO2。然后將改性納米SiO2與E-44環(huán)氧樹脂混合，便制得納米SiO2/環(huán)氧復(fù)合涂料。研究結(jié)果表明：改性納米SiO2用量為2%時，能夠與樹脂基料有效復(fù)合，可使熱分解溫度達(dá)296℃，比純樹脂基料提高了50℃，漆膜的機(jī)械力學(xué)性能也得到很大提高。
（2）聚氨酯
聚氨酯含有強(qiáng)極性異氰酸酯基（—NCO）、—OH以及脲基等，并且聚氨酯分子間能形成氫鍵、存在范德華力作用力和較高的內(nèi)聚力，對極性塑料表面具有很好的粘接力。對于非極性塑料（如PE、PP），除了處理塑料的表面外，也可在聚氨酯樹脂上接枝具有與這些非極性樹脂相似化學(xué)性質(zhì)、表面張力和溶解度參數(shù)的鏈段。
按水性聚氨酯的外觀，分為聚氨酯水溶液、聚氨酯水分散體和聚氨酯乳液。實際應(yīng)用最多的是聚氨酯乳液及分散液，一般統(tǒng)稱為水性聚氨酯或聚氨酯乳液。按組成分有單、雙組分之分，單組分屬于熱塑性樹脂，聚合物在成膜過程中不發(fā)生交聯(lián)，方便施工；雙組分水性聚氨酯涂料由含有活潑—NCO固化劑組分和含有可與—NCO反應(yīng)的活潑氫（羥基）的水性多元醇組成，施工前將二者混合均勻，成膜過程中發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，涂膜性能好。
單組分水性聚氨酯涂料
單組分水性聚氨酯涂料是水性聚氨酯涂料中最常見的一種，也是最常用的，具有高斷裂伸長率（可達(dá)800%）、適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度（20MPa）和常溫干燥的優(yōu)點。傳統(tǒng)意義上的單組分水性聚氨酯涂料一般具有較低的相對分子質(zhì)量或低交聯(lián)度。為進(jìn)一步提高單組分水性聚氨酯涂料的機(jī)械性能和耐化學(xué)品性能，可通過引入反應(yīng)性基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)或使用復(fù)合改性基料的方法來提高涂料性能，選用諸如多元醇、多異氰酸酯和多元胺等多官能團(tuán)化合物合成具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的水性聚氨酯分散體；添加內(nèi)交聯(lián)劑，如碳化二亞胺、甲亞胺和氮雜環(huán)丙烷類化合物；采用熱活化交聯(lián)和自氧化交聯(lián)等。與環(huán)氧樹脂復(fù)合，將環(huán)氧樹脂較高的支化度引入到聚氨酯主鏈上，可提高乳液涂膜的附著力、干燥速率、涂膜硬度和耐水性。
雙組分水性聚氨酯涂料
20世紀(jì)90年代初，Jacobs等成功開發(fā)出能分散于水的多異氰酸酯固化劑，從而使雙組分水性聚氨酯涂料進(jìn)入實用研究階段，其具有成膜溫度低、附著力強(qiáng)、耐磨性好、硬度高以及耐化學(xué)品性、耐候性好等優(yōu)越性能。為得到表觀和內(nèi)在質(zhì)量均勻的實用涂料，雙組分聚氨酯水分散體涂料應(yīng)滿足：（1）多元醇體系應(yīng)具有乳化能力，從而保證兩組分混合后，容易把聚氨酯固化劑（特別是未經(jīng)親水改性的固化劑）乳化，具有分散功能，使分散體粒徑盡可能小，以便在水中更好地混合擴(kuò)散；（2）固化劑的黏度要盡可能小，從而減少有機(jī)溶劑的用量，甚至不用有機(jī)溶劑，同時又能保證與含羥基的組分很好地混合。如應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件的涂裝，鑒于單組分水性聚氨酯的附著力更佳，可采用單組分水性聚氨酯制作底漆和中涂，雙組分水性聚氨酯作面漆和罩光漆。
（3）丙烯酸酯
丙烯酸酯乳液以其優(yōu)良的耐候性、耐光性和氣味小等特點，推動了丙烯酸酯乳液涂料的飛速發(fā)展，并且采用核殼結(jié)構(gòu)能很好地解決乳液的Tg和最低成膜溫度（MFT）之間的矛盾。目前，根據(jù)加入殼體單體方式的不同，可將丙烯酸酯類乳液聚合的方法分為間歇法、平衡溶脹法、半連續(xù)法和連續(xù)法。影響丙烯酸酯乳液性能的因素有乳化劑、核層/殼層的單體質(zhì)量比和殼層Tg。目前，對水性丙烯酸酯類涂料的改性有多種方法，例如聚氨酯改性、有機(jī)硅改性、含氟單體改性以及納米材料改性等。
（4）醇酸樹脂
醇酸樹脂是一種重要的涂料用樹脂，其單體來源豐富、價格低、品種多、配方變化大、化學(xué)改性方便，且性能好。水性醇酸樹脂的開發(fā)經(jīng)歷了外乳化和內(nèi)乳化2個階段，目前主要使用內(nèi)乳化法合成水性醇酸樹脂分散體。所謂內(nèi)乳化法是將聚合物中的羧基或氨基分別用適當(dāng)?shù)膲A或酸中和，使聚合物可分散于水中。雖然水性醇酸樹脂涂料具有良好的涂刷性能和潤滑性能，但也存在涂膜干燥緩慢，硬度低，耐水性和耐腐蝕性差，戶外耐候性不佳等缺點，需要通過改性來滿足這些性能要求。目前，人們對水性醇酸樹脂的改性主要包括物理改性和化學(xué)改性，其中以丙烯酸樹脂、有機(jī)硅樹脂和苯乙烯改性的效果最為顯著。自干型水性丙烯酸改性醇酸樹脂。除了添加水性丙烯酸外，還在醇酸乳液中添加中和劑、催干劑和助溶劑。改性后的水性醇酸樹脂涂料具有良好的保色性、保光性、耐候性、耐久性、耐腐蝕性、快干性及高硬度等，克服了常規(guī)水性醇酸涂料貯存穩(wěn)定性差，干燥速率慢，早期硬度、耐水性和耐溶劑性差等弊病，拓寬了水性醇酸涂料的應(yīng)用領(lǐng)域。
磺酸鹽改性的水性醇酸樹脂，與常規(guī)的水性醇酸樹脂相比，改性后樹脂的水溶性有大幅度提高，降低了助溶劑的用量。水性醇酸樹脂的主鏈含有多元醇與多元酸聚合而成的酯鍵，而酯鍵受到酸、堿（中和劑）的攻擊容易斷裂，所以在合成改性水性醇酸樹脂時，采用水溶性磺酸鹽預(yù)聚物，可大幅度提高樹脂的水溶性，只需加入少量胺中和劑，即可獲得良好的水溶性，大大減弱了中和劑對酯鍵的攻擊。經(jīng)改性后的水性醇酸樹脂除水溶性有了大幅度提高外，還具有優(yōu)良的柔韌性、附著力和耐沖擊性。
聚氨酯涂料是綜合性能優(yōu)良的涂料品種。因此，人們希望將聚氨酯的優(yōu)良性能引入醇酸樹脂中，用它改進(jìn)醇酸樹脂的物理機(jī)械性能、耐候性和耐化學(xué)腐蝕性。實際上，目前已形成產(chǎn)量大、性能介于溶劑型醇酸和雙組分聚氨酯之間的一類涂料，即所謂的氨酯油或單組分聚氨酯涂料，而氨酯油的水性化則是當(dāng)前研究的熱點。