水性涂料研究現(xiàn)狀及前景展望

郭禹杉 翟思廣 楊文龍 方佳 卞夢(mèng)琪 劉帥 任新宇 葛雪

摘要：水性涂料是一種新型環(huán)保性材料，綜述水性涂料成分，應(yīng)用領(lǐng)域的研究，在未來的發(fā)展優(yōu)勢(shì)以及面臨問題。

關(guān)鍵詞：水性涂料;應(yīng)用;環(huán)保型材料;研究現(xiàn)狀;發(fā)展

0 引言

涂料，也叫漆膜或涂層，是一種由高分子物質(zhì)和配料相互混合形成的化學(xué)物質(zhì)，能與被保護(hù)或被裝飾的物體表面形成牢固附著的連續(xù)薄膜。近年來國家工業(yè)發(fā)展對(duì)于環(huán)境保護(hù)問題愈發(fā)重視，目前我國涂料產(chǎn)銷量快速增長，涂料行業(yè)年均總產(chǎn)值增長達(dá)到4% ，但是涂料產(chǎn)品的消費(fèi)結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步升級(jí)，高污染涂料仍然對(duì)環(huán)境和工作人員帶來危害，隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，新型環(huán)保功能性材料已經(jīng)逐步代替原始性材料。其中環(huán)境友好型涂料占行業(yè)總產(chǎn)量的70%。水性涂料【1】就是其中代表性材料，水性涂料作為一種新型環(huán)保型材料應(yīng)用極其廣泛，水性涂料含有少量甚至不含揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）及有害空氣污染物（HAP），其低污染特性有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，是目前涂料技術(shù)研究的主要方向之一。

1 水性涂料介紹

水性涂料【2】是以水作溶劑或溶質(zhì)的一類涂料，按分散形態(tài)區(qū)分包括水溶性涂料、水稀釋性涂料和水分散性涂料。按成膜材料可分為水性醇酸樹脂涂料、水性聚氨酯涂料、水性環(huán)氧涂料等。

水性涂料的特點(diǎn)【3】是耐用性高和不粘性好，節(jié)約了大量的有機(jī)材料（石油類）資源，大大降低了涂料中有機(jī)溶劑揮發(fā)造成的空氣污染和施工過程中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。此外，水性涂料用于金屬材料時(shí)，工件經(jīng)除油、除銹、磷化處理后，不需完全干燥即可涂裝，節(jié)省了涂裝時(shí)間和能耗。電泳涂料可均勻涂在狹縫、管孔、焊接邊緣等部位，與溶劑型涂料相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2 水性涂料研究現(xiàn)狀

目前，盡管個(gè)別水性涂料已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)上，但仍需研究更多更高性能的水性涂料來提高人們的生活水平。根據(jù)成膜材料的不同，以下介紹了幾種應(yīng)用廣泛的水性涂料的研究現(xiàn)狀。

2.1 水性聚氨酯涂料

由于溶劑型聚氨酯樹脂中含大量VOC，違反了環(huán)保法規(guī)，故研發(fā)水性聚氨酯涂料更符合綠色發(fā)展的要求。付立成等【4】用二聚酸二異氰酸酯（DDI） 合成了一系列水性聚氨酯，對(duì)不同多元醇、親水?dāng)U鏈劑、擴(kuò)鏈劑官能度及R 值對(duì) DDI 型水性聚氨酯性能的影響進(jìn)行研究，并在皮革上進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明，DDI 型水性聚氨酯硬度小、高伸長率、較好的耐水白性，大大改善了皮革的手感、光亮度和耐劃傷性;王海峰等【5】以六亞甲基二異氰酸酯、一縮二乙二醇、2，2- 二羥甲基丙酸和雙酚 F 型環(huán)氧樹脂等為主要原料，制備環(huán)氧聚氨酯水性涂料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)增加環(huán)氧樹脂用量，水性聚氨酯涂料粘度也會(huì)隨之增大，當(dāng)環(huán)氧樹脂添加量為6 Wt%-8Wt%時(shí)，水性聚氨酯乳液具備最佳性能;胡俊等【6】以聚氧化丙烯二醇、雙羥基親水性聚硅氧烷多元醇為軟段，異佛爾酮二異氰酸酯、1，4-丁二醇、二羥甲基丙酸、乙二胺為硬段，制備了一系列聚硅氧烷改性水性聚氨酯。

2.2 水性醇酸樹脂涂料

醇酸樹脂成膜后漆膜具有較好的光澤和柔韌性，以及較高的附著力等特點(diǎn)。因此，醇酸樹脂在工業(yè)生產(chǎn)中是應(yīng)用最廣泛、用量最大的聚酯樹脂之一。

水性醇酸樹脂是由多元醇、多元酸和脂肪酸或植物油為主要原料，通過酯化反應(yīng)合成的聚酯，以水為溶劑，大幅降低了VOC的排放，可以減少環(huán)境污染、減輕對(duì)人們健康的危害。目前，合成水性醇酸樹脂的方法有：非離子基團(tuán)法、成鹽法【6-7】、兩性離子中間體法。郭欣等【8】以甘油、亞麻油酸、三羥甲基丙烷、偏苯三酸酐及鄰苯二甲酸酐等為原料合成了水性醇酸樹脂，結(jié)果表明：當(dāng)偏苯三酸酐用量為10%，反應(yīng)溫度為170℃，反應(yīng)時(shí)間為1.5h時(shí)樹脂性能較優(yōu)。徐德鵬等【9】用環(huán)氧樹脂、豆油酸、乙二醇叔丁醚、三羥甲基丙烷等進(jìn)行一系列反應(yīng)后得到一種環(huán)氧改性水性醇酸樹脂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)氧酯用量為醇酸樹脂總質(zhì)量的10%時(shí)，醇酸樹脂油度為50%，醇超量選擇在1.10～1.15，終點(diǎn)酸值為40～50mgKOH/g，可得到高性能的環(huán)氧改性水性醇酸樹脂。

2.3 水性丙烯酸酯涂料

水性丙烯酸酯涂料在實(shí)際應(yīng)用中性能較差，影響保護(hù)效果及美觀。為了優(yōu)化其綜合性能，拓展發(fā)展空間，需對(duì)水性丙烯酸酯涂料進(jìn)行改性。張倉碩【10】用硅烷偶聯(lián)劑（ATPES）對(duì)GNPs改性，改良和優(yōu)化了傳統(tǒng)的水性丙烯酸酯復(fù)合防腐涂料，大大提高了漆膜的防腐性能。朱哲文【11】通過乳化劑的加入，得到了高穩(wěn)定性和高抗沖擊性的高羥基含量的水性聚酯丙烯酸酯復(fù)合乳液。

2.4水性環(huán)氧樹脂涂料

環(huán)氧樹脂具有電絕緣性好和粘接性能好等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是不可替代的重要涂料品種。目前，研究綠色環(huán)保型的水性環(huán)氧樹脂技術(shù)已經(jīng)成為趨勢(shì)。沈志明等【12】采用自乳化法制備出的環(huán)氧乳液與水溶性固化劑配伍性好，涂層性能佳，有效解決了傳統(tǒng)方法制備上的問題，研究出了高性能的水性環(huán)氧樹脂乳液;B. Liu等【13】利用聚硫橡膠對(duì)十二烷基苯磺酸鈉進(jìn)行改性，通過新型乳化劑制備得到了水性環(huán)氧涂層;Zhang Z等【14】用對(duì)氨基苯甲酸對(duì)雙酚A型環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性研究，結(jié)論得出，在3%NaCl溶液中，水性環(huán)氧涂層有效期時(shí)間是普通溶劑型涂層的4～5倍，可看出其具備較高的防腐性能。

3 水性涂料應(yīng)用領(lǐng)域

3.1在軌道交通領(lǐng)域

目前，我們國家有著遼闊的疆域，以及漫長復(fù)雜的鐵路網(wǎng)系統(tǒng)，其中車輛的有著很高的速度歷程，但在其中所牽扯了很多因素，復(fù)雜多變的環(huán)境和惡劣的天氣氣候，這也間接導(dǎo)致了染料涂層的惡化。

在當(dāng)今社會(huì)條件下，因社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展而導(dǎo)致的環(huán)境污染嚴(yán)重影響了居民的日常生活，又導(dǎo)致了正常的社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展。在當(dāng)今社會(huì)中，若僅僅是簡單地將國外高鐵體系搬拿過來，則很多的高鐵行車問題始終得不到解決與改善。另外，限制車輛涂層的因素有著很多，除了天氣氣候以及環(huán)境問題等以外，水性涂料本身的選取與運(yùn)用也有著至關(guān)重要的作用。

在車體的外表面，其水性染料涂層不僅僅對(duì)性能有著極高的限制要求，在抗風(fēng)蝕和化學(xué)劑等均有著較高的限制要求。舉個(gè)例子，當(dāng)高鐵動(dòng)車組在其隧道內(nèi)以極高速通過時(shí)，車體側(cè)面變形程度很高，究其原因是氣壓的問題，于是在韌性方面上，有著極高的要求。其動(dòng)車系統(tǒng)的速度越高，在車體運(yùn)動(dòng)中對(duì)空氣的氣壓壓縮也就越嚴(yán)重，這也使得其比普通的也就高，特別是在過其隧道期間更為嚴(yán)重。在這種狀況下，碎石等嚴(yán)重條件對(duì)其有著很大的影響。比如在我國的大西北地區(qū)里，在運(yùn)行中易受損嚴(yán)重，在短期里將可能面臨生效，而且其相同的染料涂層在國外的應(yīng)用中較為不錯(cuò)，這其中，與中國獨(dú)特的條件與問題有著很大的聯(lián)系。在當(dāng)今快速發(fā)展的中國社會(huì)，無法解決這么嚴(yán)重的問題，比如在測試對(duì)染料涂層的抗擊的測試實(shí)驗(yàn)中仍然是一片空白，滿足其標(biāo)準(zhǔn)的測試階段仍未成熟，在其中，國內(nèi)與國外的測試仍很不匹配，產(chǎn)生了很多難以評(píng)價(jià)的對(duì)比。

就與現(xiàn)在來看，其用于交通城軌車輛的水性涂料大部分采取國外的，其花費(fèi)較高，并且在目前國內(nèi)的應(yīng)用較少，導(dǎo)致其價(jià)格較高于平常。在我國內(nèi)，對(duì)其染料方面的施工工藝的要求比較苛刻，我國內(nèi)大部分工廠皆未掌握其制作工藝以及其系統(tǒng)體系，另外由于國內(nèi)的認(rèn)識(shí)仍然不足等一系列問題，在當(dāng)前，水性涂料在我國仍然沒有采取廣泛應(yīng)用，如車體等大面積體積均沒有采取其水性染料，只有其在廣州地鐵直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等少數(shù)部件上使用【15】。

3.2在工程機(jī)械領(lǐng)域

近幾年來，在工程機(jī)械方面上，水性涂料廣泛推廣應(yīng)用于在汽車、工業(yè)車輛等領(lǐng)域，在汽車、工程車輛等零部件涂裝上其水性涂料應(yīng)用較廣。在工程機(jī)械方面上，其中的車輛行業(yè)大多在于中小型改裝車（環(huán)衛(wèi)車、農(nóng)機(jī)）等企業(yè)，使其進(jìn)行小批次的改良，水性涂料使其涂裝排放更加環(huán)保，在家具、汽車等行業(yè)應(yīng)用廣泛用，作為整機(jī)批量切換使用的較少。同時(shí)，國內(nèi)有一部分生產(chǎn)大型變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)等企業(yè)正在逐步嘗試使用水性漆【16】。

3.3在塑料領(lǐng)域

隨著中國社會(huì)的發(fā)展，其塑料制品在家電、電子通訊及醫(yī)療器械等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，同時(shí)，其也是在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)體系中一個(gè)個(gè)具有決定性的因素。但塑料本身有著不耐紫外線等諸多缺陷因素。于是，塑料表面需用涂料涂裝，不僅僅可以提高外觀，更可以提高其腐蝕度【17】。

4 結(jié)語

水性涂料相比傳統(tǒng)涂料中VOC含量低，是一種環(huán)保型、環(huán)境友好型、健康、無害型涂料。目前在國內(nèi)應(yīng)用十分廣泛，其中水性建筑材料、水性防腐涂料、水性汽車涂料、水性塑料涂料等新型水性涂料已經(jīng)在各自領(lǐng)域擁有極其穩(wěn)定的應(yīng)用性。水性涂料在未來發(fā)展中應(yīng)環(huán)保和健康仍然是不變的主題，同時(shí)拓展應(yīng)用領(lǐng)域，相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)政策指引、推廣技術(shù)的引導(dǎo)，推動(dòng)水性涂料的應(yīng)用發(fā)展。未來，水性涂料將有更大的發(fā)展并逐漸取代非環(huán)保型涂料，引導(dǎo)著涂料行業(yè)向著更高、更新的目標(biāo)領(lǐng)域邁進(jìn)。

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