水性涂料的種類及發展狀況的研究

劉可凡 馬源 張乾康 熊昕宇 張柯

摘要：隨著工業的發展，涂料因具有防腐、防潮、耐熱、耐寒等特點在工業生產領域中的地位逐步提高。然而以往的有機溶劑型涂料會造成VOC（有機成分揮發物）的大量排放，對環境造成嚴重破壞。水性涂料作為一種新型涂料，從生產到使用的每一個環節都不會對環境造成污染，因此受到許多研究者的青睞。本文綜述了四種常用的水性涂料、水性涂料的優勢、挑戰和總結及展望。

關鍵詞：水性涂料；技術應用；優勢及挑戰；前景展望

19世紀中，隨著合成樹脂化學工業的發展，建筑涂料進入了合成樹脂涂料時期[1]。然而，這類有機溶劑型涂料大多容易造成VOC的大量排放，不僅污染環境，還會影響人們的健康。

大多數國家都對涂料的VOC排放量有著嚴格的規定。我國在2001年，針對揮發性有機化合物、甲苯和二甲苯總和、可溶性鎘等10 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[2]。

有機溶劑型涂料中的分散介質是VOC大量排放的重要原因之一，而水性涂料的溶劑或分散介質以水為主，這大大降低了VOC的排放量。是以，研究水性涂料既符合持續發展觀，又是人們所迫切需要的。

本文從水性涂料基料的分類、優勢及挑戰等方面，綜述了水性涂料的發展狀況，并且根據其面臨的挑戰規劃了對水性涂料的研究方向。

1.水性涂料分類

依照基料的種類，我們將水性涂料分為以下四種。

1.1.環氧樹脂

環氧樹脂具有良好的附著力，耐腐蝕、耐老化、硬度高并且熱穩定性好等優良性質，卻也有耐水性差、壽命較短的缺陷。固化劑使環氧樹脂交聯成膜，固化劑的性能對涂膜性能影響很大，因此當前的研究主要是對其固化劑的改良[3]。

1.2.聚氨酯

聚氨酯有單、雙組分水性聚氨酯之分，它們都含有許多極性基，具有強極性，和很高的內聚力，能夠牢固地粘結在極性塑料上，因此被大量應用于塑料行業里。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的化學性質、表面張力和溶解度參數的鏈段[4]。

1.3.丙烯酸酯

丙烯酸酯擁有非常強的耐候性、耐光性等特點，并且易改性，成為許多研究者進行改性研究的焦點。其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[2]。

1.4.醇酸樹脂

醇酸樹脂來源很廣，因為擁有價格低、易改性等優良特點，被廣泛應用于室內裝修。因為聚氨酯涂料的優良性能，人們嘗試將聚氨酯水性化并引入醇酸樹脂中，改善其物理性能以及耐腐蝕性。

2.水性涂料的優勢：

2.1.環境友好

水性涂料以水作溶劑代替有機溶劑，極大地減少了VOC的排放量，對環境影響減小。馬春慶等[5] 通過屢次實驗發現：有機溶劑型涂料的VOC排放量高達120g/m2，而水性涂料的VOC排放量僅為28g/m2，由此得出其VOC的排放量比有機溶劑型涂料小得多，可見如果用水性涂料來代替有機溶劑型涂料可以使涂料行業中VOC排放量減少至少80%。

2.2.安全性高

有機溶劑型涂料的稀釋劑和分散劑中最常用的是甲苯，甲苯閃點4.0℃，爆炸極限1.2%～7.0%，是易燃物，因此在應用過程中容易發生爆炸，而用水來取代有機溶劑，減少了易燃物的使用，降低了風險。

2.3.成本低廉

全球能源危機爆發，大多數有機溶劑，尤其是不可再生資源的價格持續上升；而水是地球上最豐富的資源之一，價格比較低，因而水性涂料成本較低。

其次，由于水性涂料對環境的污染較小，因此企業在尾氣處理方面的投入也較少。

2.4.應用適應性較廣泛

相較于其他涂料，水性涂料的應用適用范圍廣，不但涂裝方式多樣（可以刷涂、電泳涂裝、噴涂等），而且不受涂飾物品形狀影響。

3.水性涂料的劣勢以及面臨的挑戰：

3.1.對底材要求高

由于水的表面張力大，涂料不易成膜，從而水不易浸潤底材，且易產生大量的縮孔，在施工過程中對底材表面的清潔程度要求非常高。

3.2.低溫無法正常工作

水的熔點為0℃，而有機溶劑的熔點大多很低，甲苯-95℃，鄰二甲苯-25.2℃。因此，水性涂料的施工溫度至少要在0℃以上，而有機溶劑型涂料卻可以在零度以下工作。

3.3.不易烘干

由于水的蒸發潛熱大，是一般有機溶劑的5～7倍，往往需提高烘干溫度或延長烘干時間。[2]

水性涂料在環境相對濕度85% 以上時表干緩慢，水溶劑在較飽和濕度環境下無法正常揮發，當相對濕度過高（≥90%）時，在被涂物上的涂膜會流淌下來[6]

4.總結與展望

以往的有機溶劑型涂料會造成VOC的大量排放，導致環境污染，而水性涂料以水作為稀釋劑，極大地減少了VOC的排放量，既保護環境，又不損害人們的健康；其次，水性涂料價格低廉、安全性高、應用范圍較廣也是其重要優勢。不過，水性涂料仍存在兩大問題：1.對底材要求高；2.對溫度要求高，不僅在涂飾過程中需要較高的溫度，而且需要在高溫干燥的環境才能進行烘干。但是通過加強對水性涂料基料的改性研究，弱化水的張力產生的影響，降低對底材清潔度的要求；并合成新的助劑，改變活性反應基團的交聯劑，降低其施工溫度和烘干溫度，有望使水性涂料得到進一步的推廣應用。

參考文獻

[1]向新，許永軍，秦巖，鄧國英.世界建筑涂料的歷史、現狀及發展趨勢[J].國外建材科技，1999（02）：8-12.

[2]羅帥.水性涂料的研究進展[J].現代涂料與涂裝，2015，18（12）：1-6.

[3]劉麗湘，溫曉萌，蔡永源. 水性環氧樹脂涂料改性研究進展[J]. 熱固性樹脂，2009，24（6）：55-58.

[4]詹媛媛，李智華，李莉，沈福祥，許戈文.塑料用水性聚氨酯涂料研究[J].涂料技術與文摘，2008（05）：27-29+33

[5]馬春慶，康惠春，閆立鋒，等.水性涂料應用中需注意的問題[C].第十三屆表面工程創新與實用技術交流會，2010：134-142.

[6]張學敏.涂裝工藝學[M].北京：化學工業出版社，2008.

作者簡介：劉可凡（2000-），男，山東省淄博市人，漢，本科生。研究方向：材料材料物理化學。

（作者單位：東北大學秦皇島分校）