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溶劑(如：苯，酮，酯，醚等有害物質。)和甲醛、鉛、鉻等有害物質。水性漆以水為分散介質，在施工中水分揮發(fā)，以汽化狀態(tài)回歸大自然，不產生對人體和環(huán)境的危害。
溶劑型涂料是由高分子物質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)性有機物（VOC）以氣態(tài)分子的形式在其生產、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成了威脅。世界各國為了保護環(huán)境，也為了保護地球上人類的生命安全，制定了有關環(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)性有機化合物、甲苯和二甲苯總和、可溶性鎘等十種室內裝飾裝修材料有害物質，制定了強制性的安全標準以及排放限量。近年來，中國又進一步完善有關環(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)展安全國家體系標準”，其中包括涂料中有害物質的測試方法標準（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）和涂料中有害物質限量產品標準（如溶劑型木器涂料中有害物質的限量和內外墻中有害物質限量等）。VOC的重要來源之一就是涂料的主要組成物質—分散介質和成膜物，鑒于有機溶劑型涂料的這種缺點，水性樹脂生產技術的進步和發(fā)展刻不容緩，同時水性涂料逐步替代有機溶劑型涂料是大勢所趨，前景一片光明。據統(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。它不僅在生產過程中將易揮發(fā)的有機溶劑替代，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。有機溶劑的生產需要消耗化石原料，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，大大減少了生產及使用過程中揮發(fā)性有機化合物的排放，為改善周邊大氣環(huán)境作出了積極的貢獻。另一方面，水性涂料僅采用少量低毒性醇醚類有機溶劑，有機溶劑揮發(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。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)生火災爆炸事故的風險。而水性涂料的生產和使用，減少了對易燃易爆原材料的需求，極大地降低了風險。
（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，在世界范圍內出現(xiàn)資源能源短缺的問題，導致石油乃至下游產品價格持續(xù)上漲，作為下游產品的有機溶劑也不例外。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)的溶劑型涂料生產過程中產生大量的有機廢氣，為了達到排放要求，企業(yè)需要配置尾氣處理設施及相關的配套設施，并負擔日常運行及維護費用。水性涂料的有機廢氣排放很少，為企業(yè)減輕了負擔。
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，從生產到運輸再到應用中的火災隱患較傳統(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，基層內部的水蒸氣可以向外擴散，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小于10%，溶劑型涂料施工的基層含水率應小于8%。水性涂料對材質表面適應性好，涂層附著力強，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，易產生縮孔，水性涂料對施工過程中及材質表面清潔度要求也較高。
（2）兩種類型的涂料分散介質的熔點差異很大，水為0℃，而有機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)，當濕度過高（達到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)，保持適當的濕度。
（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與裝飾功能，但是在高裝飾性要求的場合，無法達到很高的豐滿度，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前國內外研究熱點。近幾年，除了對水性固化劑進行大量的研究外，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)氧復合涂料。研究結果表明：改性納米SiO2用量為2%時，能夠與樹脂基料有效復合，可使熱分解溫度達296℃，比純樹脂基料提高了50℃，漆膜的機械力學性能也得到很大提高。
（2）聚氨酯
聚氨酯含有強極性異氰酸酯基（—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性質、表面張力和溶解度參數的鏈段。
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，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800%）、適當的強度（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量或低交聯(lián)度。為進一步提高單組分水性聚氨酯涂料的機械性能和耐化學品性能，可通過引入反應性基團進行交聯(lián)或使用復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化合物合成具有交聯(lián)結構的水性聚氨酯分散體；添加內交聯(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入實用研究階段，其具有成膜溫度低、附著力強、耐磨性好、硬度高以及耐化學品性、耐候性好等優(yōu)越性能。為得到表觀和內在質量均勻的實用涂料，雙組分聚氨酯水分散體涂料應滿足：（1）多元醇體系應具有乳化能力，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散；（2）固化劑的黏度要盡可能小，從而減少有機溶劑的用量，甚至不用有機溶劑，同時又能保證與含羥基的組分很好地混合。如應用于汽車內飾件的涂裝，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，并且采用核殼結構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、化學改性方便，且性能好。水性醇酸樹脂的開發(fā)經歷了外乳化和內乳化2個階段，目前主要使用內乳化法合成水性醇酸樹脂分散體。所謂內乳化法是將聚合物中的羧基或氨基分別用適當的堿或酸中和，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改性，其中以丙烯酸樹脂、有機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用領域。
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，用它改進醇酸樹脂的物理機械性能、耐候性和耐化學腐蝕性。實際上，目前已形成產量大、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前研究的熱點。