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水性涂料的发展难题及重要性研究

文/徐国兴

摘要:随着人们环保意识的不断提高和环保法规的日趋严格,水性涂料将成为21世纪世界涂料市场的主角,针对水性涂料的发展展开论述。

关键词:水性涂料;发展;重要性

水性(waterborne)涂料被定义为“配方中的挥发性物质绝大部分是水的涂料”。在水性涂料中,水的独特物理特性和其普遍存在性决定了水性涂料的使用方法以及科技开发。随着人们环保意识的不断提高和环保法规的日趋严格,水性涂料将成为21世纪世界涂料市场的主角,目前在我国也拥有巨大的市场。

1、发展水性涂料的重要性

从“水性”两个字上,我们并看不出这有什么重要意义,水对我们日常的生活中已经司空见惯而习以为常。这里之所以突出水的重要性而经常不提或不重点提及涂料中其它的成分是因为,在这种涂料中“水”取代了或大部分取代了其他种类涂料中讨厌的而经常是带来种种问题的“有机溶剂”。而且从实际工程应用的角度来看,涂料的性能在很大程度上是由溶剂的特性决定的。

水性涂料现在越来越得到人们的关注而取得了长足的进步。其科技进步的动力是对向大气中排放有机溶剂的限制,这也是粉末型涂料和高固含量涂料发展进步的动力所在。减少有机溶剂的挥发既有环保上的又有经济上的重要意义。最早的环保考虑始于美国,其最早开始制定政府的法规约束有机溶剂如烯烃、芳香化合物和支链酮等光敏性等挥发物。最早的法规是LosAngels郡在1966年7月制定的“六六法规”。原因是LosAngels深受有机溶剂引起的环境问题的困扰,因为其地理环境特点使挥发的有机溶剂聚集在城市上空而经久不散。它们徘徊在城市的上空,常常引起光化学反应产生的大雾而给城市带来极大的烦恼。美国政府早在1970年就制定了全国范围内的法规来控制碳氢化合物的排放-就是著名的“清洁空气法案(ClearAirAc)t”。

水性涂料除了环境保护方面的优点之外,还有其他的许多好处。特别是对于在涂料行业进行施工的工人,水性涂料的广泛使用可以是他们少受或不受有机涂料潜在的毒害以及免除火灾发生的隐患。在废物的处理方面,一般水性涂料产生的垃圾和溶剂性涂料相比更容易进行无毒化处理。从经济上来说水性涂料更加惹人喜爱,因为水是工程用溶剂中最便宜和最容易循环利用的溶剂。和经常受石油价格影响的有机溶剂相比,水是最经济最稳定的选择。

据报道太原一位高工家里搞装修,一天高工去工地时,发现3个油漆工都昏死过去,经过紧急抢救后,仍有一人死亡。据了解,由于给家具刷油漆时不能开窗以防止油漆的龟裂,油漆工们晚上觉得气味难闻,就躲到另一间未刷漆的房间睡觉,没想到还是中毒了。尤其以在涂料的使用过程中危害最大,而油漆工人往往是最大的受害者。除此之外,涂料使用后的3-6个月中也是最容易危害人体健康的时期。涂料所含的有害物主要有挥发性中苯及苯系物是主要污染物。据了解,苯已经被世界卫生组织确定为致癌物质,可引发癌症、血液病等。除了施工中的污染不可忽视外,入住后的危害也不能小觑。

正是由于前面提到的水性涂料的种种好处,尽管一些保守主义的涂料使用者还在彷徨犹豫,各种水性涂料已经越来越得到人们的青睐。很多涂料领域的科研工作者越来越多的投身到水性涂料的研究。

2、水性涂料绿色推荐标准及范围

2002年7月份中国环境标志产品认证委员会秘书处与国家环保总局共同颁布了新的《水性涂料环境标志产品技术要求》,《要求》对现在家庭装修中使用比较普遍的水性涂料的环保、绿色、健康、安全等标准做了强制性规定。大家熟悉的多乐士、立邦、富亚等成为首批通过新标准的涂料。全国8000多家涂料企业只有30多家的100多种水性涂料达标。

首先是方方面面最关注的VOC(volatileorganiccompound)指标。由于定义不清,许多企业自以为自己的产品已经达到了比国际标准还高的水平。这种误解源于国家质检总局颁布的内墙涂料有害物质限量标准、北京市质监局颁布的安全健康质量评价规则两个有影响的标准,都把VOC定义为一升涂料中挥发性有机物VOC值国标为VOC的含量。但是,世界各国的VOC定义指的是一升涂料中扣除水分干重中VOC的含量,这一差别,导致北京规则的VOC≤125克/升指标,不过相当于国外的250克/升,这是国外水性涂料与溶剂性涂料的分界限。而国家强制性标准的200克/升指标,则相当于国外的410克/升以上,已经出了水性涂料的界限。所以,许多人单凭数值,就说1999年环境标志标准规定的250克/升限值宽于北京规则和国家强制性标准是不对的。由于与国际标准的VOC计量准则相同,1999年的环境标志标准,实际上严于上述两个强制性标准,2002年的环境标志标准,规定内墙涂料≤100克/升,是按美国ASTM方法正确测试计算VOC值,限值与美国标准相同,更严于上述两个标准,体现了绿色推荐产品的高标准、严要求。

其次,关于苯、甲苯、二甲苯、乙苯、卤代烃、甲醛及甲醛聚合物以及重金属铅、镉、铬、汞等,公众不清楚,这些都是不得添加的,因此没有含量高与低之差别,只有遵守“不得添加”这一规则的守法违法问题。许多企业以这些指标作为健康涂料的依据,也是不符合水性涂料实际的。为此,国家环保总局标准中明确说明,所有上述物质,只是为控制杂质带入的有害物限量,即对颜料、钛白粉、乳液等因成分不纯带入的有害物予以限制,绝不是允许人为添加。

第三是水性涂料的范围,除广为使用的内墙、外墙涂料外,水性木器漆、水性防腐涂料、水性防水涂料、水性聚氨酯涂料也进入绿色推荐标准范围。仅举水性木器漆一例,2004年雅典奥运会,全部场馆都指定用水性木器漆,因为对家庭装饰装修,德国、法国已规定,不能让左邻右舍闻到有机溶剂的气味。为适应这一以人为本的潮流,更多地支持各类水性涂料,是这一新标准的目标。

3、水性涂料的常见困难

水性涂料和有机溶剂涂料在有些地方是相似的。但是在有些情况下,水性涂料经常要面对一些在有机溶剂涂料没有的困难。这两种体系的最大差别在于成膜过程中挥发物的连续相的逐渐消失机理的不同。而成膜过程又对涂料的最终性能有很大的影响因而在受到极大的关注。

3.1水性涂料中的水有很高的沸点因此挥发过程十分缓慢,强烈的依赖与环境的湿度。在低湿度情况下,它可能干燥的很快有时会引起裂缝。在高湿度情况下(如热带国家尼加拉瓜湿度经常达到78-85%),成膜过程将十分缓慢造成涂料的松垂。需要更多的能量使其干燥,甚至是溶剂型油漆的四倍因为水的比热较大。

3.2 水性涂料对施工过程中及材质表面清洁度要求高,因水的表面张力大,很不容易侵润,易使涂膜产生缩孔。在油脂性表面这个问题尤其突出。

3.3 水性涂料对抗强机械作用力的分散稳定性差,输送管道内的流速急剧变化时,分散微粒被压缩成固态微粒,使涂膜产生麻点。要求输送管道形状良好,管壁无缺陷。

3.4 水性涂料对涂装设备腐蚀性大,尤其是对铁制设备的锈蚀。经常需采用防腐蚀衬里或不锈钢材料,设备造价高。水性涂料对输送管道的腐蚀,金属溶解,使分散微粒析出,涂膜产生麻点,也需采用不锈钢管。

3.5 烘烤型水性涂料对施工环境条件(温度、湿度)要求较严格,增加了调温调湿设备的投入,同时也增大了能耗。

3.6 水的蒸发潜热大,烘烤能量消耗大。阴极电泳涂料需在180℃烘烤;而乳胶涂料完全干透的时间则很长。

3.7 沸点高的有机助溶剂等在烘烤时产生很多油烟,凝结后滴于涂膜表面影响外观。

3.8 形成的涂料层常常对水是敏感的,即使空气中的水蒸汽含量的增加就会引起涂料的褶皱。

水性涂料虽然存在诸多问题,但通过配方及涂装工艺和设备等几方面技术的不断提高,有些问题在工艺上得到防止,有些通过配方本身得到改善和提高。

4、结论及展望

试图对于水性涂料的要求、特点和困难作一简要的涉猎。作为一种新兴的“朝阳”类型,水性涂料已经而且还将继续得到飞速的发展。鉴于对环保、能源和健康的与日俱增的关注,发展水性涂料在可见的将来会得到政府和科技工作者持续而执着的任务。

从技术创新来讲,在水溶性、交联剂和表面活性剂是科研的重点所在。最近在水性涂料的研究发展方向致力于抗应力和环境温度的变化、提高整体综合性能、进一步减少共同溶剂的使用。在乳液集合的发展使胶束有自聚结的能力,这种活性聚结物可以减少共同溶剂的使用。水性涂料的综合性能的提高得力于基于聚氨酯和混合聚合物的新配方以及使用新的交联成膜方式(如紫外照射)。

 

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