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水性涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

 文山書院 2016-07-10
水性涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展
黃 偉 邱祖民* 肖建軍 陶馨晗(南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院,,南昌330031)

傳統(tǒng)溶劑型涂料含易揮發(fā)的有機(jī)物(VOC),,成膜過程中會揮發(fā)引起污染,,揮發(fā)的有機(jī)物還會對大氣環(huán)境造成二次污染。人畜長期暴露于高VOC環(huán)境中會大大增加并發(fā)癌癥的可能性,。因此,,傳統(tǒng)涂料產(chǎn)業(yè)亟需升級轉(zhuǎn)型,而水性涂料低VOC甚至零VOC排放,,提升生產(chǎn)環(huán)境的同時(shí)也降低了溶劑的費(fèi)用,,縮減了生產(chǎn)成本,使得水性涂料更具競爭優(yōu)勢,。故以水性涂料逐步直至完全取代溶劑型涂料已成為必然趨勢,。
 
1 水性涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展
1.1 建筑用水性涂料
建筑涂料按涂裝部位不同可分為:外墻涂料內(nèi)墻涂料,、地坪涂料及屋面涂料,。外墻涂料除要求附著力高外還要求其自身具有很好的耐候性、耐酸堿性以及耐凍融性和抗紫外線照射等特性,。內(nèi)墻涂料除了裝飾作用外還應(yīng)具有很好的耐水洗,、耐刮擦以及高透氣性。地坪涂料類似水泥基層涂料,,要求耐磨,、防滑和耐污。
Bellotti將食品工程防腐劑作為室內(nèi)墻面漆的添加劑以達(dá)到抑制微生物生長的作用,,結(jié)果表明4種不同防腐劑在不改變面漆表觀性能的前提下極大地提高了抑菌作用,。陳凱將硅丙水分散體和多異氰酸酯共混配制得一種雙組分的水性聚氨酯地坪涂料。結(jié)果表明,,控制硅氧烷單體5%~10%(wt,,質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),,羥基量2.8% ~3.0%,,酸值25~36mg(KOH)/g,Tg為40~58℃條件下合成的含羥基硅丙樹脂涂膜硬度高,、耐酸堿且耐擦洗,。Jena等合成的新型紫外光固化的聚氨酯二氧化硅混合涂料,性能測試表現(xiàn)優(yōu)異,。
聚氨酯聚丙烯酸酯共混乳膠涂料這類高分子乳膠涂料較難形成致密光滑的漆膜,,導(dǎo)致乳膠粒子難以在環(huán)境溫度下快速交聯(lián)成膜,且顏料也很難完全被乳膠粒子浸潤,。故大多共混體系需要用微膠粒子作為多功能交聯(lián)劑來強(qiáng)化成膜速度和強(qiáng)度,,這是提高水性涂料性能的途徑之一,,但前提條件是共混體系中各樹脂具有很好的兼容性,,以保證各種樹脂相互反應(yīng)交聯(lián),而這正是制約共混體系發(fā)展的瓶頸之一。
郭文錄等為進(jìn)一步提高水性聚氨酯涂料的耐水性和固含量,,采用正交試驗(yàn)確定最優(yōu)合成工藝為:異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)和聚丙二醇(PG-1000)85℃反應(yīng)2h后加入1,,4-丁二醇(BDO)和二羥甲基丙酸(DMPA),控制反應(yīng)溫度為80℃,,反應(yīng)2h,。其中n(—NCO)/n(—OH)=(3.8~4.6)∶1,DMPA為5%~6%,,BDO 為8%~9%,。合成的乳膠固含量能達(dá)到34%,貯存穩(wěn)定性好,,涂膜吸水率較低至15%,。Karakas等[16]以建筑用丙烯酸涂料配方為基礎(chǔ),加入不同粒度分布的方解石填料,,探究其對濕,、干兩種狀態(tài)下不同性能的影響,并以最佳粒度分布的方解石(D1.7μm)替代TiO2,。在不影響涂料性能的前提下使TiO2用量降低4%,,但TiO2和方解石在特定表面活性劑作用下相互間的作用機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。
Mariz等探究乳膠粒子粒徑分布,、單峰雙峰乳液對涂料固含量的影響,。證明了乳膠粒子的粒徑分布和涂料增稠機(jī)理對涂料的粘度及成膜的性能有很大影響。發(fā)現(xiàn)粒徑小于350nm的雙峰乳液成膜彈性好,、光澤度高,、顏料分散均勻、干燥時(shí)間短且機(jī)械性能表現(xiàn)出色,。Barbosa等以非揮發(fā)性交聯(lián)劑合成自交聯(lián)丙烯酸水性涂料,,其最低成膜溫度較傳統(tǒng)方法更低,干燥時(shí)間也大大縮短,。
1.2 材料防護(hù)用水性涂料
金屬防護(hù)常用刷防銹漆或陽極犧牲法(如鍍鋅),。對于大型船艦,藝術(shù)建筑等的防護(hù)還需考慮大氣侵蝕以及生物質(zhì)的影響,。
Amo等以混合雙酚A和雙酚F的水性環(huán)氧樹脂涂料為測試對象,,通過Tafel Experiments(塔費(fèi)爾實(shí)驗(yàn))來測試腐蝕速率,。結(jié)果發(fā)現(xiàn),,水性環(huán)氧樹脂的屏障作用隨時(shí)間消退得很慢,證明了以水性涂料代替?zhèn)鹘y(tǒng)溶劑型涂料實(shí)現(xiàn)防腐作用是可行的,。Bailosky等也做了類似論證,。Zhang等以改性硅為載體負(fù)載層狀鋅,、鋁顏料,可替代約25%球狀鋅顏料且分布均勻,。涂膜性能較傳統(tǒng)富鋅防腐涂料更優(yōu),,效益更好。Rashvand制備納米氧化鋅聚氨酯水性涂料較普通水性聚氨酯涂料防護(hù)效果更好,,但負(fù)載納米組分的水性涂料會隨著涂膜老化及納米組分的流失而變差,。涂料業(yè)尚未對納米組分的流失設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),且流失組分可能對環(huán)境造成危害,。
陳劍棘以水性環(huán)氧樹脂乳膠配制底漆再與水性環(huán)氧固化劑按比例混合,,熟化15min。對比各成膜物質(zhì)性能,,確定了乳膠與固化劑的環(huán)氧/胺氫物質(zhì)量比1.0~1.2,,以氧化鐵紅、硫酸鋅為防銹顏料,,硫酸鋇和滑石粉為填料,。制得適用期為5h的水性環(huán)氧防銹底漆。由于100%的聚偏二氟乙烯涂料(PVDF)對金屬的附著力差,,為解決此問題Swartz等以溶劑型熱塑性丙烯酸樹脂為底漆,,水性PVDF涂料為面漆,制得的雙層涂膜電化學(xué)阻抗表現(xiàn)很好,,但涂料會出現(xiàn)白化的現(xiàn)象,。
1.3 汽車涂裝用水性涂料
發(fā)達(dá)國家在商用乘務(wù)車上實(shí)現(xiàn)涂裝水性化較早,大眾,、寶馬和通用公司等涂裝底漆水性化已達(dá)90%,,中涂工藝水性化程度也在不斷提高,但面漆依然以溶劑型涂料為主,。Opel最早實(shí)現(xiàn)汽車涂裝工藝完全水性化,,而國內(nèi)涂裝工藝水性化程度很低,多為底漆涂裝工藝,。
邢汶平等報(bào)道了江淮汽車采用新型B1B2水性免中涂工藝取代傳統(tǒng)3C2B工藝,。節(jié)能約25%,降低CO2排放量10%~15%,,涂料消耗量降低1.5~2.0kg/臺,。雖然該工藝部分涂料尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,生產(chǎn)成本短期內(nèi)上升,。但長遠(yuǎn)看,,汽車涂裝工藝水性化是必然趨勢。郭逍遙等制得的水性通用色漿較傳統(tǒng)汽車涂料色漿而言具有更好的顏色重現(xiàn)性,,著色更均勻,,并且提高了耐光耐候性,。對于汽車修補(bǔ)用漆,水性化程度也已大大提高,。AkzoNobel推出Sikkens Autowave?。玻捌囆扪a(bǔ)用漆,。保持上色穩(wěn)定前提下,大大減少了噴涂時(shí)間,,且涂膜十分輕薄,。
1.4 其他功能化水性涂料
除上述常見應(yīng)用,特殊功能涂料也得到發(fā)展,。為使在不影響采光的前提下最大限度的阻隔紅外線,,李靖等確定ATO水漿料∶水性聚氨酯=1∶3.5,涂料厚度45μm,,摻用?;⒅楸壤保担ィt外線阻隔率高且采光好,。
Triftaridou等以SLSar(月桂酰肌氨酸鈉)為乳化劑,,合成負(fù)載不同值的EMC核殼型乳膠粒子,成膜中可保留親脂性物質(zhì),,形成的涂膜防水且不粘黏,。結(jié)果顯示乳膠粒子水力半徑都無明顯變化,在水中浸泡1個(gè)月后,,所有負(fù)載EMC乳膠粒子的涂膜對UVB阻隔作用均優(yōu),。
Ma等獲得一種全新酸式磷酸脂的合成方法,該物質(zhì)可以在常溫下作為膨脹型防火水性氨基樹脂膜的固化劑,。E-51,、PT受熱形成的炭化層可保護(hù)基底層不被高溫破壞,熱阻隔效果好,,但形成炭化層時(shí)也會釋放出熱量,,對涂料自身有害,需平衡各個(gè)組分的配比,。Gunduz等從葵花油出發(fā)合成兩種不同的馬來化單甘油酯(MMG),。兩種不同方法制得的MMG成膜后性能各有千秋。前者附著力大于后者,,但光澤度遜于后者,。Zhang等合成聚氨酯-聚丙烯酸酯共混水性乳膠,涂料成膜后硬度高,、光澤度好且耐水,、防潮作用穩(wěn)定,。
Chang以亞麻油為原料合成了光固化、氣干兩型水性聚氨酯涂料,。均可應(yīng)用于高檔木質(zhì)家具的保護(hù)裝飾漆,。除以上水性涂料功能化應(yīng)用實(shí)例外,水性涂料在景觀木的保護(hù),,塑料生產(chǎn)等其他方面也有越來越廣泛的應(yīng)用,。

2 水性涂料應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及未來研究方向
盡管水性涂料得到越來越廣泛的應(yīng)用,但仍有許多缺陷有待優(yōu)化解決,。如成膜時(shí)間長,,對環(huán)境溫度、濕度敏感,,固含量相對傳統(tǒng)溶劑型涂料而言較低,,水乳化和水分散體涂料長時(shí)間保存更困難等。此外成膜機(jī)理的解釋也尚未一致,。水性涂料中由于表面活性劑難以控制的吸附,、解吸過程會造成乳膠粒子分散穩(wěn)定性下降且對涂膜的流變性能造成影響。Hellgren等雖作出現(xiàn)象描述,,但未就影響機(jī)理深入探討,。助劑對涂料成膜干燥時(shí)間的影響也僅有單一討論,有待嘗試兩種甚至多種成膜助劑配合,,進(jìn)一步縮短干燥時(shí)間,。除了在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸取代溶劑型涂料外,水性涂料還將拓展裝飾性,、功能化應(yīng)用,。如Das等證明了Cu2+ 修飾的仿珍珠層材料較普通材料提高了材料的硬度、強(qiáng)度,、韌性,。這對水性涂料的研發(fā)也很有啟發(fā),未來可以嘗試開發(fā)強(qiáng)附著力,、高硬度的仿珍珠層水性涂料,;孫順杰等開發(fā)了仿大理石的水性多彩地坪涂料,實(shí)現(xiàn)了“水包水”懸浮體,,可取代大理石的裝飾作用,。
 
3 結(jié)語
隨著社會的進(jìn)步,民眾,、政府對環(huán)境要求的提升,,迫使涂料行業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型,使其由傳統(tǒng)的質(zhì)量導(dǎo)向型向如今的綠色、節(jié)能,、高效和集約型轉(zhuǎn)變,。將主要圍繞水性涂料的穩(wěn)定性、耐水性,、成膜機(jī)理,、固含量、低VOC值以及無機(jī)水性涂料展開研究,。此外可再生資源(如植物種子油)為原料合成的水性樹脂比例將提升,,仿生、仿石等功能性或裝飾性涂料還將進(jìn)一步拓展以期進(jìn)一步綠色化,、可持續(xù)化,。除了在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域取代溶劑型涂料,,水性涂料還將進(jìn)一步擴(kuò)大在涂料市場的份額,,最終完全取代溶劑型涂料。

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