水性涂料研究进展

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摘 要：总结了环境友好的三类绿色涂料：水性聚氨酯涂料、水性环氧树脂涂料和水性紫外光固化涂料的研究进展。

关键词：水性聚氨酯涂料 水性环氧树脂 水性紫外光固化涂料

随着国民经济的迅速发展，涂料的需求将逐年增加。但是由于涂料中的VOC对大气的污染，严重损害了人类的生态环境。许多国家对溶剂涂料的限制越来越严格，因此涂料的无污染化显得尤为重要，开发无污染的绿色涂料刻不容缓。[1]

一、常见的水性涂料及其进展

水性涂料以水为分散介质和稀释剂，与溶剂型和非水分散型涂料相比较，最突出的优点是分散介质水无毒无害、不污染环境，同时还具备价廉、不易粉化、干燥快、施工方便等优点。水性涂料中最常见的三大类是水溶性紫外光固化（UV）涂料、水溶性环氧树脂和水溶性聚氨酯涂料。

1.水性聚氨酯

水性聚氨脂涂料包括水溶性型、水乳化型、水分散型。按分子结构可分为线型和交联型，都存在单组分与双组分两种体系。水性聚氨脂涂料除具备溶剂型聚氨脂涂料的优良性能外，还具有难燃、无毒无污染、易贮运、使用方便等优点。[2]

1.1单组份水性聚氨酯涂料

单组分水性聚氨酯涂料是应用最早的水性聚氨酯涂料，具有很高的断裂延伸率（可达800%）和适当的强度（20 MPa），并能常温干燥。

美国Olin公司最近研制出使用尿丁酮作为内交联剂的新技术。采用该技术能够制得稳定的乳胶体系，其乳胶颗粒中的聚氨酯骨架中含有尿丁酮基。控制这种使用内部交联剂技术的辅助交联度的因素有：1）聚氨酯骨架中尿丁酮的量；2）外加二元胺的量；3）尿丁酮进入结构中的位置。当过量的二元胺迁移到乳胶颗粒中，与尿丁酮反应形成缩二脲键时，能诱发辅助交联反应。这种辅助交联反应发生在乳胶颗粒内，它增胶颗料中聚氨酯链的分子量而

不影响乳胶的稳定性，这就很好地克服了当前单组分水性聚氨酯涂料所存在的硬度低、耐水性和耐溶剂性不良的缺点。[3]

1.2双组份聚氨酯水性涂料

同溶剂型双组份聚氨酯涂料一样，水性双组分聚氨酯涂料也是由含有活泼异氰酸根的固化剂组分和含有可与异氰酸根反应的活泼氢（羟基）的水性聚氨酯组分组成，其中水性聚氨酯组分一般为胶态分散体（部分溶于水）。

当上述两个组分混合后，固化剂组分中的异氰酸根不可避免地会与水性聚氨酯组分中的水起反应，这曾被认为是水性双组分聚氨酯涂料制备中难以解决的问题。但研究表明，异氰酸根与羟基和水的反应速度要小于水的蒸发速度。MDI与H2O混合的前15 rain内没有明显的反应。在24℃下保持4 h，MDI与水的反应也只有5% ，20 h以后也只有25%的反应，可是一般水在l h内就可以蒸发，所以，在水性双组分聚氨酯涂料中，虽然水是过量的，但漆膜中异氰酸根仍以与羟基的反应为主。

2.水性环氧树脂涂料

水性环氧涂料既具有溶剂型环氧涂料良好的耐化学品性、附着性、物理机械性、电气绝缘性，又有低污染、施工简便、价格便宜等特点。环氧树脂的水性化技术可分为乳化法和成盐法两种方法。乳化法是环氧树脂直接乳化或乳液聚合，可以分为直接乳化法、相反转法、自乳化法和固化剂乳化法；成盐法是将环氧树脂改性成含富酸或富碱基团的树脂，再用小分子量的酸或碱中和成盐，有醚化反应型、酯化反应型和接枝反应型3种。

目前，市场上广泛应用双组分常温固化水性环氧涂料体系。主要由两部分组成：1）疏水性的环氧树脂，以分散相形式存在；2）亲水性的胺类固化剂，以连续相形式存在。在涂料的成膜过程中涉及到疏水性的树脂粒子的扩散、聚结，以及亲水性的胺类固化剂进入到树脂相的过程。树脂与固化剂之间的溶解度参数匹配性是影响这一过程的重要因素。[4]

3.水性紫外光固化涂料

水性UV固化涂料一般由水性UV树脂或预聚体、光引发剂、添加剂和水组成。与传统的溶剂型UV光固化涂料技术相比，水性光固化涂料主要有如下优点：不必借助活性稀释剂来调节粘度，可解决VOC及毒性、刺激性的问题；易于得到光固化前的无粘性干膜，尤其对以中、高分子量聚合物为基料的涂料，保证了固化膜的光洁度，简化了防尘操作；可降低固化膜的收缩率，尤其对以中、低分子量聚合物为基料的体系，有利于提高固化膜对底材的附着性；可得到薄膜型固化膜；固化前干膜的机械刮伤易于修补；可用水或增稠剂方便地控制流变性。便于喷涂；设备、容器等易于清洗；降低了涂料的易燃性。

3.1水性UV固化树脂和预聚体

水性UV固化树脂和预聚体是水性UV固化体系最重要的组份，它决定固化膜的硬度、柔韧性、强度、粘附性、耐磨性、耐腐蚀性等，对UV固化的灵敏度也有影响。水性UV固化涂料用的树脂可分为水溶性树脂（非离子型、阴离子型）、水乳液型、水分散型。水性光固化涂料的基料多以常用树脂进行不饱和官能化而得。常用基料树脂有如下几类：

3.1.1不饱和聚酯

M.J.Dvorchak等人报道了一种不需要使用苯乙烯等交联单体的非离子型自乳化的水性不饱和聚酯（WR—UPE），烯丙基醚作为光固化基团。聚醚A，B的通式如下：

聚酯A：TMP diallyl ether-[maleic acid-diolmaleicacid]-TMP diallyl ether

聚酯B：TMP diallyl ether-f maleic acid-polygtyol-maleic acid]-TMP diallyl ether

TMP联丙烯醚：CH CH2-C（CH2OCH2-CH=CH2）2-CH2OH

聚酯A和B不必分别合成，可同时使用二醇和聚乙二醇与马来酸酐反应，得到聚酯二酸后再与三羟甲基丙烷二烯丙基醚进行酯化。该树脂可直接加水乳化，其涂膜经预干后可用通用的光引发剂进行紫外固化，可用作清漆及颜料。

3.1.2聚氨酯丙烯酸酯

该产品是目前研究得最多的体系。与溶剂型聚氨酯丙烯酸酯的差别仅在于如何在分子中引入亲水性的基团，例如采用2，2一二羟甲基丙酸（DMPA）作为二醇的组分之一与二异氰酸酯反应，产物再用丙烯酸酯化。用胺或氨水中和即可将树脂溶于水中。

3.2引发剂

除了与溶剂体系所用的光引发剂在吸收性质、不变黄等方面的要求相同以外，用于水性体系的光引发剂还必需具有与水性环境一定的相容性以及低的挥发性，后一要求是为了在涂膜预干燥时仍能保持所需的浓度，在这方面，含离子基团者较好。带多羟基的硫杂蒽酮具有一定亲水性，适合于着色光固化水性体系。也可以通过表面活性剂将通用的油溶性光引发剂分散于水中，这特别适用于水分散体系或乳液体系。[1，5]

二、展望

由于溶剂型涂料对于人类自身及生态环境的严重威胁日益明显，绿色涂料代替溶剂型涂料成为必然。而水性涂料具有经济、节能、环保和安全的特点，符合时展的要求。它的开发和推广将是2l世纪涂料的主要方向。

参考文献

[1]庾光忠.水性涂料的研究进展.化工科技市场. 2006，29（4）14-17.

[2]夏赤丹， 周福香， 肖莹。水性涂料工业的进展.江汉大学学报（自然科学版），2004，32（1）30-33.

[3]宣兆龙，易建政，杜仕国.水性聚氨酯涂料的研究进展[J].化工新型材料，27（7）：20-2.

[4]张黎，舒武炳.水性环氧树脂体系的研究进展[J].涂料工程，2000（8）：28-30.

[5]孟庆飞.紫外光固化水性涂料的研究进展[J].安徽化工.2002，118（4）：17-l8.