水性涂料研究現狀及前景展望

郭禹杉 翟思廣 楊文龍 方佳 卞夢琪 劉帥 任新宇 葛雪

摘要：水性涂料是一種新型環保性材料，綜述水性涂料成分，應用領域的研究，在未來的發展優勢以及面臨問題。

關鍵詞：水性涂料;應用;環保型材料;研究現狀;發展

0 引言

涂料，也叫漆膜或涂層，是一種由高分子物質和配料相互混合形成的化學物質，能與被保護或被裝飾的物體表面形成牢固附著的連續薄膜。近年來國家工業發展對于環境保護問題愈發重視，目前我國涂料產銷量快速增長，涂料行業年均總產值增長達到4% ，但是涂料產品的消費結構還需進一步升級，高污染涂料仍然對環境和工作人員帶來危害，隨著人們環保意識的加強，新型環保功能性材料已經逐步代替原始性材料。其中環境友好型涂料占行業總產量的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保型材料應用極其廣泛，水性涂料含有少量甚至不含揮發性有機化合物（VOC）及有害空氣污染物（HAP），其低污染特性有利于節約資源、保護環境，是目前涂料技術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的一類涂料，按分散形態區分包括水溶性涂料、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、水性環氧涂料等。

水性涂料的特點【3】是耐用性高和不粘性好，節約了大量的有機材料（石油類）資源，大大降低了涂料中有機溶劑揮發造成的空氣污染和施工過程中的火災風險。此外，水性涂料用于金屬材料時，工件經除油、除銹、磷化處理后，不需完全干燥即可涂裝，節省了涂裝時間和能耗。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勢。

2 水性涂料研究現狀

目前，盡管個別水性涂料已經應用在工業上，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。根據成膜材料的不同，以下介紹了幾種應用廣泛的水性涂料的研究現狀。

2.1 水性聚氨酯涂料

由于溶劑型聚氨酯樹脂中含大量VOC，違反了環保法規，故研發水性聚氨酯涂料更符合綠色發展的要求。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，對不同多元醇、親水擴鏈劑、擴鏈劑官能度及R 值對 DDI 型水性聚氨酯性能的影響進行研究，并在皮革上進行了應用試驗。結果表明，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 型環氧樹脂等為主要原料，制備環氧聚氨酯水性涂料。實驗結果表明，當增加環氧樹脂用量，水性聚氨酯涂料粘度也會隨之增大，當環氧樹脂添加量為6 Wt%-8Wt%時，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。因此，醇酸樹脂在工業生產中是應用最廣泛、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，通過酯化反應合成的聚酯，以水為溶劑，大幅降低了VOC的排放，可以減少環境污染、減輕對人們健康的危害。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，結果表明：當偏苯三酸酐用量為10%，反應溫度為170℃，反應時間為1.5h時樹脂性能較優。徐德鵬等【9】用環氧樹脂、豆油酸、乙二醇叔丁醚、三羥甲基丙烷等進行一系列反應后得到一種環氧改性水性醇酸樹脂。實驗結果顯示，當環氧酯用量為醇酸樹脂總質量的10%時，醇酸樹脂油度為50%，醇超量選擇在1.10～1.15，終點酸值為40～50mgKOH/g，可得到高性能的環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際應用中性能較差，影響保護效果及美觀。為了優化其綜合性能，拓展發展空間，需對水性丙烯酸酯涂料進行改性。張倉碩【10】用硅烷偶聯劑（ATPES）對GNPs改性，改良和優化了傳統的水性丙烯酸酯復合防腐涂料，大大提高了漆膜的防腐性能。朱哲文【11】通過乳化劑的加入，得到了高穩定性和高抗沖擊性的高羥基含量的水性聚酯丙烯酸酯復合乳液。

2.4水性環氧樹脂涂料

環氧樹脂具有電絕緣性好和粘接性能好等優點，其應用領域廣泛，是不可替代的重要涂料品種。目前，研究綠色環保型的水性環氧樹脂技術已經成為趨勢。沈志明等【12】采用自乳化法制備出的環氧乳液與水溶性固化劑配伍性好，涂層性能佳，有效解決了傳統方法制備上的問題，研究出了高性能的水性環氧樹脂乳液;B. Liu等【13】利用聚硫橡膠對十二烷基苯磺酸鈉進行改性，通過新型乳化劑制備得到了水性環氧涂層;Zhang Z等【14】用對氨基苯甲酸對雙酚A型環氧樹脂進行改性研究，結論得出，在3%NaCl溶液中，水性環氧涂層有效期時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 水性涂料應用領域

3.1在軌道交通領域

目前，我們國家有著遼闊的疆域，以及漫長復雜的鐵路網系統，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，復雜多變的環境和惡劣的天氣氣候，這也間接導致了染料涂層的惡化。

在當今社會條件下，因社會經濟的高速發展而導致的環境污染嚴重影響了居民的日常生活，又導致了正常的社會生產發展。在當今社會中，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境問題等以外，水性涂料本身的選取與運用也有著至關重要的作用。

在車體的外表面，其水性染料涂層不僅僅對性能有著極高的限制要求，在抗風蝕和化學劑等均有著較高的限制要求。舉個例子，當高鐵動車組在其隧道內以極高速通過時，車體側面變形程度很高，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。其動車系統的速度越高，在車體運動中對空氣的氣壓壓縮也就越嚴重，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重。在這種狀況下，碎石等嚴重條件對其有著很大的影響。比如在我國的大西北地區里，在運行中易受損嚴重，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用中較為不錯，這其中，與中國獨特的條件與問題有著很大的聯系。在當今快速發展的中國社會，無法解決這么嚴重的問題，比如在測試對染料涂層的抗擊的測試實驗中仍然是一片空白，滿足其標準的測試階段仍未成熟，在其中，國內與國外的測試仍很不匹配，產生了很多難以評價的對比。

就與現在來看，其用于交通城軌車輛的水性涂料大部分采取國外的，其花費較高，并且在目前國內的應用較少，導致其價格較高于平常。在我國內，對其染料方面的施工工藝的要求比較苛刻，我國內大部分工廠皆未掌握其制作工藝以及其系統體系，另外由于國內的認識仍然不足等一系列問題，在當前，水性涂料在我國仍然沒有采取廣泛應用，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車輛轉向架構架等少數部件上使用【15】。

3.2在工程機械領域

近幾年來，在工程機械方面上，水性涂料廣泛推廣應用于在汽車、工業車輛等領域，在汽車、工程車輛等零部件涂裝上其水性涂料應用較廣。在工程機械方面上，其中的車輛行業大多在于中小型改裝車（環衛車、農機）等企業，使其進行小批次的改良，水性涂料使其涂裝排放更加環保，在家具、汽車等行業應用廣泛用，作為整機批量切換使用的較少。同時，國內有一部分生產大型變速箱、發動機等企業正在逐步嘗試使用水性漆【16】。

3.3在塑料領域

隨著中國社會的發展，其塑料制品在家電、電子通訊及醫療器械等行業應用較為廣泛，同時，其也是在國民經濟和國防建設體系中一個個具有決定性的因素。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 結語

水性涂料相比傳統涂料中VOC含量低，是一種環保型、環境友好型、健康、無害型涂料。目前在國內應用十分廣泛，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在各自領域擁有極其穩定的應用性。水性涂料在未來發展中應環保和健康仍然是不變的主題，同時拓展應用領域，相關部門加強對政策指引、推廣技術的引導，推動水性涂料的應用發展。未來，水性涂料將有更大的發展并逐漸取代非環保型涂料，引導著涂料行業向著更高、更新的目標領域邁進。

參考文獻：

[1]陳春霖，孟曉偉，唐毅，周勝之，黃榜，宋磊.水性涂料的特點及其應用發展[J].山東化工，2019，48（07）：87-88.

[2]季建霞，陸文明，鄭晨，趙寶華，周如東.我國水性涂料的應用現狀[J].上海涂料，2016，54（05）：38-41.

[3]黃偉，邱祖民，肖建軍，陶馨晗.水性涂料的應用現狀及研究進展[J].化工新型材料，2015，43（08）：210-212.

[4]付立成，祝博.DDI型水性聚氨酯的合成研究[J].化學推進劑與高分子材料，2017，15（01）：68-70.

[5]王海峰，莊妍，于曉燕，張慶新.一種環氧樹脂改性水性聚氨酯涂料的制備及其性能研究[J].膠體與聚合物，2018，36（04）：147-149.

[6]胡俊，黃毅萍，許戈文，鮑俊杰，程芹.聚硅氧烷改性水性聚氨酯的合成及其表面性能[J].精細化工，2019，36（03）：400-406.

[6] Blount Jr，William W，Kuo. Water-disspatable alkyd resins and coatings prepared therefrom [P]. US：5530059，June，25，1996.

[7] Yacobucci Paul D，Rochester NY Albano. Crosslinked polymers with lowered resisitivity and materials and methods for their preparation [P]. US：4698391，October，6，1987.

[8]郭欣，陳婉奕，王明權，季永新.水性醇酸樹脂的合成及其耐水性的研究[J].涂料工業，2018，48（03）：18-22.

[9]徐德鵬，閆福安.環氧改性水性醇酸樹脂的制備及其性能研究[J].中國涂料，2020，35（04）：50-55.

[10]張倉碩. 水性丙烯酸酯復合防腐涂料的制備及研究[D].哈爾濱理工大學，2020.

[11]朱哲文. 自乳化法制備高羥基含量的水性聚丙烯酸酯復合乳液[D].武漢大學，2019.

[12] 沈志明，楊亞萍，李晴，等 .水性涂料用自乳化環氧樹脂乳液的制備方法[J].新型建筑材料，2016，43（8）：30-34.

[13] LIU B，WANG Y. A Novel Design for Water-based Modified Epoxy Coating with Anti-corrosive Applica-tion Properties[J]. Progress in Organic Coatings，2014，77（1）：219.

[14] ZHANG Z，HUANG Y，LIAO B，et al. Studies of Wa-terborne Emulsion of Chemically Modified Epoxy Re-sin[J]. Polymers for Advanced Technologies，2010，15（1-2）：26-29.

[15]水性涂料在軌道交通領域中的應用現狀及發展趨勢 高敬民，岳斌 蘭州城市學院化學與環境科學學院，蘭州 730070

[16]水性涂料在工程機械上應用的可行性分析 楊漢才，張懷洪 物流技術與應用 2019.05

[17]我國水性涂料的應用現狀 季建霞，陸文明，鄭晨，趙寶華，周如東 上海涂料 2019.09