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水性涂料的性能特点与发展趋势


发布时间:2018-5-28 点击:



        水性涂料的性能特点与发展趋势


     刘涛上海汇精亚纳米新材料有限公司


    水性涂料就是以水作为稀释剂的一种涂料组成中70%—90%是对人体及环境无害的水制作过程中无需添加有机溶剂(醚等有害物质。)和甲醛铬等有害物质水性漆以水为分散介质在施工中水分挥发以汽化状态回归大自然不产生对人体和环境的危害

      溶剂型涂料是由高分子物质和配料组成的混合物并能涂覆在基材表面形成牢固附着连续涂膜的新型高分子材料涂料中的挥发性有机物(VOC)以气态分子的形式在其生产施工干燥固化成膜过程中散发至空气中不仅造成了环境一定程度的污染而且对人体健康也构成了威胁世界各国为了保护环境也为了保护地球上人类的生命安全制定了有关环保的法律法规限制涂料中VOC的含量以及排放我国针对挥发性有机化合物甲苯和二甲苯总和可溶性镉等十种室内装饰装修材料有害物质制定了强制性的安全标准以及排放限量近年来中国又进一步完善有关环保的法律法规建立了较为完善的中国涂料低污染化发展安全国家体系标准”,其中包括涂料中有害物质的测试方法标准VOC差值测定法、VOC气相色谱测定法和乳胶漆中VOC的测定方法等和涂料中有害物质限量产品标准如溶剂型木器涂料中有害物质的限量和内外墙中有害物质限量等)。VOC的重要来源之一就是涂料的主要组成物质分散介质和成膜物鉴于有机溶剂型涂料的这种缺点水性树脂生产技术的进步和发展刻不容缓同时水性涂料逐步替代有机溶剂型涂料是大势所趋前景一片光明据统计目前广东江苏陕西河北湖北天津北京等省纷纷推动油改水政策水性涂料包括水溶性涂料水稀释性涂料水分散性涂料乳胶涂料)3水溶性涂料是以水溶性树脂为成膜物以聚乙烯醇及其各种改性物为代表除此之外还有水溶醇酸树脂水溶环氧树脂及无机高分子水性树脂等

2、水性涂料发展的优缺点

 2.1水性涂料的发展优势

 (1)对环境好

     水性涂料从原料来源到生产及使用的全生命周期均有利于环境的健康发展它不仅在生产过程中将易挥发的有机溶剂替代而且使用时涂装工具可用水清洗也减少了清洗溶剂的消耗有机溶剂的生产需要消耗化石原料在资源紧缺的现阶段是对资源的一大挑战水性涂料的出现解决了这一问题同时溶剂的削减大大减少了生产及使用过程中挥发性有机化合物的排放为改善周边大气环境作出了积极的贡献另一方面水性涂料仅采用少量低毒性醇醚类有机溶剂有机溶剂挥发量减少极大改善了工作场所的环境有利于工作人员的身体健康

 (2)安全性提高

     以溶剂中最常见的甲苯和二甲苯为例甲苯的闪点为4℃,蒸气能与空气形成爆炸性混合物爆炸极限1.2%~7.0%(体积);二甲苯闪点29℃,蒸气能与空气形成爆炸性混合物爆炸极限约为1%~7%(体积)。两者均为易燃物质因此溶剂型涂料的易燃易爆原料储存和使用的场所具有发生火灾爆炸事故的风险而水性涂料的生产和使用减少了对易燃易爆原材料的需求极大地降低了风险

 (3)降低成本

     一是降低对能源的依赖随着人们对资源能源的需求日益增大在世界范围内出现资源能源短缺的问题导致石油乃至下游产品价格持续上涨作为下游产品的有机溶剂也不例外资源价格的压力下以水作为稀释剂的价格优势正得以逐渐显现

     二是对环境成本的降低传统的溶剂型涂料生产过程中产生大量的有机废气为了达到排放要求企业需要配置尾气处理设施及相关的配套设施并负担日常运行及维护费用水性涂料的有机废气排放很少为企业减轻了负担

     三是安全成本的降低水性涂料以水作为稀释剂使之成为更为安全的涂料从生产到运输再到应用中的火灾隐患较传统溶剂性涂料大幅降低对于管理者来说安全方面的投入成本也将相应的降低

  (4)施工条件及外观性能

    水性涂料由于透气性比较好基层内部的水蒸气可以向外扩散不容易起泡因此在对基层的要求上水性涂料施工的基层含水率应小于10%,溶剂型涂料施工的基层含水率应小于8%。水性涂料对材质表面适应性好涂层附着力强在潮湿环境中可直接涂覆施工通常溶剂型涂料的涂着固体份高达60%~70%,而水性涂料的涂着固体份仅为20%~30%,由此可见水性涂料的平滑性相对较好

    2.2水性涂料的缺点

    虽然水性涂料对环境的湿度和基层含水率的要求方面优于溶剂型涂料但在其他方面的适用性不及溶剂型涂料

 (1)因水的表面张力大难以浸润底材易产生缩孔水性涂料对施工过程中及材质表面清洁度要求也较高

 (2)两种类型的涂料分散介质的熔点差异很大水为0℃,而有机溶剂的熔点相对低很多甲苯为–95℃,二甲苯为–25℃左右因此对于施工温度水性涂料施工一般要求在5℃以上而溶剂型涂料在0℃也可以施工

 (3)喷涂水性涂料对喷漆室的湿度也有一定的要求水性涂料在环境相对湿度85%以上时表干缓慢水溶剂在较饱和湿度环境下无法正常挥发当湿度过高达到90%以上在被涂物上的涂膜会流淌下来因此需要喷漆室有良好的空气循环保持适当的湿度

 (4)由于水的蒸发潜热大是一般溶剂的5~7往往需提高烘干温度或延长烘干时间

 (5)虽然水性涂料具有普通溶剂型涂料的防护与装饰功能但是在高装饰性要求的场合无法达到很高的丰满度特别是家具行业仍需要溶剂型涂料来实现

 3、几种常用水性涂料

 (1)环氧树脂

    环氧树脂具有优异的物化性能如良好的附着力优异的耐化学品性和耐溶剂性硬度高耐腐蚀性和热稳定性优良因此一直引起人们的关注水性环氧树脂可分为水乳型环氧脂和水溶型环氧树脂2其制备方法主要有直接乳化法相反转法和自乳化法3此外还有人采用纤维素单晶纳米材料混合改性法制成柔韧性和硬度都较好的水性环氧涂料

    水性环氧涂料通过环氧树脂与固化剂反应交联成膜固化剂的性能对涂膜物化性能影响很大故水性固化剂的改性研究已成为当前国内外研究热点近几年除了对水性固化剂进行大量的研究外还对纳米材料改性的水性环氧涂料作了大量研究工作将纳米SiO2、纳米TiO2等纳米材料用于水性环氧涂料中制成水性纳米改性环氧涂料可使其附着力耐擦洗性耐候性硬度柔韧性耐老化性等性能得到很大提高复合改性的纳米SiO2/环氧涂料制备及性能首先将纳米SiO2与溶剂混合再按一定的配比加入偶联剂和超分散剂制得改性纳米SiO2。然后将改性纳米SiO2E-44环氧树脂混合便制得纳米SiO2/环氧复合涂料研究结果表明改性纳米SiO2用量为2%能够与树脂基料有效复合可使热分解温度达296℃,比纯树脂基料提高了50℃,漆膜的机械力学性能也得到很大提高

 (2)聚氨酯

     聚氨酯含有强极性异氰酸酯基(—NCO)、—OH以及脲基等并且聚氨酯分子间能形成氢键存在范德华力作用力和较高的内聚力对极性塑料表面具有很好的粘接力对于非极性塑料PE、PP),除了处理塑料的表面外也可在聚氨酯树脂上接枝具有与这些非极性树脂相似化学性质表面张力和溶解度参数的链段

     按水性聚氨酯的外观分为聚氨酯水溶液聚氨酯水分散体和聚氨酯乳液实际应用最多的是聚氨酯乳液及分散液一般统称为水性聚氨酯或聚氨酯乳液按组成分有单双组分之分单组分属于热塑性树脂聚合物在成膜过程中不发生交联方便施工双组分水性聚氨酯涂料由含有活泼—NCO固化剂组分和含有可与—NCO反应的活泼氢羟基的水性多元醇组成施工前将二者混合均匀成膜过程中发生交联反应涂膜性能好

   单组分水性聚氨酯涂料

     单组分水性聚氨酯涂料是水性聚氨酯涂料中最常见的一种也是最常用的具有高断裂伸长率可达800%)、适当的强度(20MPa)和常温干燥的优点传统意义上的单组分水性聚氨酯涂料一般具有较低的相对分子质量或低交联度为进一步提高单组分水性聚氨酯涂料的机械性能和耐化学品性能可通过引入反应性基团进行交联或使用复合改性基料的方法来提高涂料性能选用诸如多元醇多异氰酸酯和多元胺等多官能团化合物合成具有交联结构的水性聚氨酯分散体添加内交联剂如碳化二亚胺甲亚胺和氮杂环丙烷类化合物采用热活化交联和自氧化交联等与环氧树脂复合将环氧树脂较高的支化度引入到聚氨酯主链上可提高乳液涂膜的附着力干燥速率涂膜硬度和耐水性

   双组分水性聚氨酯涂料

    20世纪90年代初,Jacobs等成功开发出能分散于水的多异氰酸酯固化剂从而使双组分水性聚氨酯涂料进入实用研究阶段其具有成膜温度低附着力强耐磨性好硬度高以及耐化学品性耐候性好等优越性能为得到表观和内在质量均匀的实用涂料双组分聚氨酯水分散体涂料应满足:(1)多元醇体系应具有乳化能力从而保证两组分混合后容易把聚氨酯固化剂特别是未经亲水改性的固化剂乳化具有分散功能使分散体粒径尽可能小以便在水中更好地混合扩散;(2)固化剂的黏度要尽可能小从而减少有机溶剂的用量甚至不用有机溶剂同时又能保证与含羟基的组分很好地混合如应用于汽车内饰件的涂装鉴于单组分水性聚氨酯的附着力更佳可采用单组分水性聚氨酯制作底漆和中涂双组分水性聚氨酯作面漆和罩光漆

(3)丙烯酸酯

     丙烯酸酯乳液以其优良的耐候性耐光性和气味小等特点推动了丙烯酸酯乳液涂料的飞速发展并且采用核壳结构能很好地解决乳液的Tg和最低成膜温度(MFT)之间的矛盾目前根据加入壳体单体方式的不同可将丙烯酸酯类乳液聚合的方法分为间歇法平衡溶胀法半连续法和连续法影响丙烯酸酯乳液性能的因素有乳化剂核层/壳层的单体质量比和壳层Tg。目前对水性丙烯酸酯类涂料的改性有多种方法例如聚氨酯改性有机硅改性含氟单体改性以及纳米材料改性等

  (4)醇酸树脂

    醇酸树脂是一种重要的涂料用树脂其单体来源丰富价格低品种多配方变化大化学改性方便且性能好水性醇酸树脂的开发经历了外乳化和内乳化2个阶段目前主要使用内乳化法合成水性醇酸树脂分散体所谓内乳化法是将聚合物中的羧基或氨基分别用适当的碱或酸中和使聚合物可分散于水中虽然水性醇酸树脂涂料具有良好的涂刷性能和润滑性能但也存在涂膜干燥缓慢硬度低耐水性和耐腐蚀性差户外耐候性不佳等缺点需要通过改性来满足这些性能要求目前人们对水性醇酸树脂的改性主要包括物理改性和化学改性其中以丙烯酸树脂有机硅树脂和苯乙烯改性的效果最为显著自干型水性丙烯酸改性醇酸树脂除了添加水性丙烯酸外还在醇酸乳液中添加中和剂催干剂和助溶剂改性后的水性醇酸树脂涂料具有良好的保色性保光性耐候性耐久性耐腐蚀性快干性及高硬度等克服了常规水性醇酸涂料贮存稳定性差干燥速率慢早期硬度耐水性和耐溶剂性差等弊病拓宽了水性醇酸涂料的应用领域

    磺酸盐改性的水性醇酸树脂与常规的水性醇酸树脂相比改性后树脂的水溶性有大幅度提高降低了助溶剂的用量水性醇酸树脂的主链含有多元醇与多元酸聚合而成的酯键而酯键受到酸中和剂的攻击容易断裂所以在合成改性水性醇酸树脂时采用水溶性磺酸盐预聚物可大幅度提高树脂的水溶性只需加入少量胺中和剂即可获得良好的水溶性大大减弱了中和剂对酯键的攻击经改性后的水性醇酸树脂除水溶性有了大幅度提高外还具有优良的柔韧性附着力和耐冲击性

    聚氨酯涂料是综合性能优良的涂料品种因此人们希望将聚氨酯的优良性能引入醇酸树脂中用它改进醇酸树脂的物理机械性能耐候性和耐化学腐蚀性实际上目前已形成产量大性能介于溶剂型醇酸和双组分聚氨酯之间的一类涂料即所谓的氨酯油或单组分聚氨酯涂料而氨酯油的水性化则是当前研究的热点

4、展望

     以水作为稀释剂的水性涂料较溶剂型涂料VOC含量大幅降低对环境好对施工者使用者的健康无害今后大力开展基础性研究降低水性涂料的施工难度改善使用性能是水性涂料拓展应用领域大规模普及应用的当务之急同时加强对政策指引推广技术转变思想观念消除公众对水性涂料的偏见及顾虑等相关工作的重视也将对水性涂料的应用发展起到推动的作用总之在发展涂料工业无污染省资源节能和经济效率生态能源等原则的指导下水性涂料将有更大的发展



 

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