水性涂料的研究进展

水性涂料的研究进展

1 引言

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。1867年美国第一个涂料zhuanli的出现标志着涂料科学与技术的开始。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。2001年，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10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(如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的前景一片光明。

凡是用水作溶剂或者作分散介质的涂料，都可称为水性涂料。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种。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）对环境友好。

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。马春庆[2]等人对比了不同涂装体系的 VOC排放量，结果表明“溶剂型中涂 + 溶剂型色漆+ 单组份罩光清漆”工艺体系的 VOC 排放量为120 g/m3，而“水性中涂 + 水性色漆 + 水性罩光清漆”工艺体系的排放量仅为 28 g/m3，排放量大幅度降低。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

一是对原料成本的降低。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[3]。

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）时，在被涂物上的涂膜会流淌下来[4]。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 倍，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，需要溶剂型涂料来实现。

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