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钢桶用水性涂料的前身后世

徐国兴

简单来说,只以水作为稀释剂而不需要添加其他稀释成分的涂料总称为水性涂料。根据树脂在水中的分散状态,水性涂料通常可分为三类:水溶型涂料、乳液型涂料和水分散型涂料。还有乳液涂料、乳胶涂料、强制乳化涂料等的分类方式。

由于乳液涂料(包括乳液涂料、乳胶涂料、强制乳化涂料)和水分散涂料的构成和状态区别较小,所以国外在20世纪80年代初逐渐对水分散涂料和乳液涂料不再明确区分,在许多文献中二者混用,不少文献都用水分散涂料来概括二者。如:

         

所以,本文将水性涂料也分作两类来阐述,即水溶性涂料和水分散性涂料。将乳液涂料(包括乳液涂料、乳胶涂料、强制乳化涂料)列入了水分散性涂料。

一、水溶型涂料

水溶型涂料稳定性好,涂层紧密,其配制的清漆通常为透明或半透明。它以水溶性树脂为成膜物,水溶性树脂又称为水溶性聚合物,它是一种强亲水性的高分子材料,能够溶解或溶胀于水中,形成水溶液体系。

水溶液体系是聚合物通过成盐的办法,使其成为离子聚合物,能溶于水中,是均相体系。水溶性树脂的溶解性决定于自身的结构。在水溶性树脂的分子结构中,含有大量的亲水基团,通常分为三类:极性基团,如羟基、醚基、氨基、酰胺基等;阴离子基团,如羧酸基、磺酸基、磷酸基、硫酸基等;阳离子集团,如叔氨基、季氨基等。水溶性树脂中的这些基团不仅使其具有水溶性,而且还使之具有化学反应功能和具有分散、絮凝、增稠、减阻等多种物理功能。通过对高分子单体的均聚反应、共聚反应以及树脂中的官能团的化学反应,就能制备出不同结构、不同性能、品种繁多的水溶性树脂。

二、水分散型涂料

水分散型涂料,其配制的清漆通常为乳白色不透明。这种涂料涂膜干燥较快,形成涂膜较为致密,表观效果好。

水分散型涂料以水为连续相,不溶于水的聚合物依靠强制乳化或依赖于表面活性剂以分散相形成乳状液,聚合物以微小颗粒悬浮于水相中。或聚合物本身是乳液聚合而成(就是在水中加入表面活性剂,使聚合单体在水中形成乳浊液,然后聚合)。这些乳状液或乳浊液的“溶剂”是水,并且在进一步配置涂料的过程中还可以加一定量的水。这种涂料的成膜主要是靠不同粒径乳胶粒子的堆积层压来完成,当喷涂到钢桶上时,涂料球状颗粒在乳液中以双电层和屏蔽稳定的作用在水分散介质中保持着稳定的分散状态。随着水分的逐渐挥发,依靠其挥发的推动力,分散着的颗粒逐渐靠拢,当接近到一定程度时,邻近的颗粒就紧紧地挤在一起而达到密聚状态,失去了运动的自由而形成凝胶状。随着水分进一步挥发,漆膜的体积收缩。当水分挥发将尽时,其推动力也将消失,此时毛细管力明显地起作用,体积的收缩和毛细管吸收引力远大于颗粒的分散稳定斥力,毛细管压力迫使颗粒挤紧、变形,直至相互融合而接连成膜。

三、水性涂料特点

与相应的溶剂型涂料相比,水性涂料的配方往往比较复杂,选用的原材料有时可多达十几种甚至几十种,相当多的是添加各种助剂,如助溶剂用以提高涂料的稳定性和挥发速度,成膜助剂用以提高涂料的成膜质量,分散剂和增稠剂用以提高涂料的抗沉降性,防锈剂用以防止涂料对金属的锈蚀,触变剂用以提高涂料的施工性能等。

水性涂料具有以下优点:

1、以水作溶剂,节省大量资源,消除施工中火灾危险性,降低环境污染。

2、在湿表面和潮湿环境中可直接涂覆施工

3、可采用电泳涂装,使漆膜均匀,展开性好

4、涂装工具可用水清洗

5、安全无毒或低毒、不燃不爆

水性涂料也存在以下不足:

1、水性涂料因水的表面张力大,使得涂料对被涂表面的润湿较为困难,被涂表面的污物易使涂膜产生缩孔,所以对施工过程中的清洁以及材质表面清洁度要求高。

2、水性涂料中的部分分散型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,分散微粒容易被压缩成固态微粒,使涂膜产生麻点。所以,在钢桶行业尽量使用水溶型的水性涂料。

3、水性涂料大多呈弱碱性(ph7.5~ph8.5),对涂装设备、输送管道腐蚀性大,设备及管道需防腐蚀处理或采用不锈钢材料。

4、水性涂料水的蒸发潜热大,烘烤能量消耗大。

5、 用于稀释的水必须是去离子水或蒸馏水,否则会影响涂料的稳定性。

另外,水性涂料对施工环境要求相对较高。施工环境主要包括温度、相对湿度、绝对湿度、风速和空气清洁度。其中非烘烤型水性涂料对于喷涂环境温度和湿度条件有着更加严格的要求,要求涂料本身的温度及施工温度都要大于5℃,相对湿度要低于90%。在低于5℃,湿度大于90%的情况下施工时,非烘烤型水性涂料可能会出现涂膜质量不好和表面泛白。水性涂料的最佳施工温度20~30℃,非烘烤型的水性涂料的最佳施工相对湿度为40%~60%。不过,我们钢桶行业使用的水性涂料一般都是烘烤型的,所以对温湿度的要求并不高。但由于纯净水的随温度正反比双向密度变化临界点温度为3.98℃,当我们在低于这个温度喷涂,然后送进烘道时,涂膜先是经历一个收缩的过程,然后当超过3.98℃后又开始膨胀的过程,这样,涂膜的质量受到了破坏。所以不管是烘烤型还是非烘烤型的水性涂料,其涂料本身温度以及施工时的环境温度都要大于5℃。在仓库的储存温度最好也要大于5℃。

水性涂料虽然存在诸多问题,但通过对配方、涂装工艺、涂装技术和设备的调整和完善完全可以得到改善和提高。

四、水性涂料的发展

自20 世纪30 年代以来,欧美、日本、澳大利亚等发达国家就相继研制出了水性金属涂料,并在一些领域如水塔、储罐等表面获得了比较成功的应用,其水性成膜聚合物也由初始的醋酸乙烯共聚物发展到苯乙烯共聚物、丙烯酸共聚物、苯丙共聚物、纯丙共聚物、硅丙共聚物、氟碳聚合物等等。从上世纪八十年代末开始,欧美发达国家水性涂料的研发工作,获得了大量的专利技术。2002年7月起,欧共体国家已全面禁止溶济型漆的生产和销售,只允许生产和销售水性漆。

其实,我国水性涂料的研发也并不晚,上世纪六十年代就开始在建筑行业得到了水性涂料(乳胶漆)的应用。1990年我国上海钢桶技术装备研究所(上海徐工涂料技术有限公司的前身)和上海造漆厂联合研发的X-460和X-490型水性涂料在上海化工制桶厂流水线上试验成功,成了我国钢桶行业第一个研发成功并使用成功水性涂料的单位。然而由于当时上海化工制桶厂采用的是卧式喷涂,喷涂后滚轮及翻板容易在钢桶桶身上留下痕迹。这就需改造喷涂装置和烘道,而当时身为国有企业的上海化工制桶厂的上级公司正面临撤销,整个化工局正处于改制的前期过程,设备改造不容易获得资金支持。而且当时水性涂料成本也比溶剂型高出很多,再加上当时的环保意识还不是很高,所以就下了马。

但经过改制后的上海徐工涂料技术有限公司继承并改进了X-460和X-490型水性涂料,并在其生产基地:徐工涂料技术(烟台)有限公司开始了批量生产和销售,在很多桶厂的应用中得到了好评。

五、我国水性涂料展望

水性涂料在涂料工业发展的地位已为世人所共识。有资料介绍,目前世界涂料总量中水性涂料已经占到了30%以上,其中以建筑涂料(55%)和工业涂料(28%)的应用最为重要。

近几年来,我国涂料工业水性化的进程十分迅猛,取得良好成绩。其中尤以建筑涂料最为突出。目前我国建筑涂料的水性化比例约占75%左右,与国际基本同步。工业涂料中,水性涂料的比例也在逐步上升。

目前已成功应用于水性涂料的树脂种类有:丙烯酸、丙烯酸改性聚氨酯、水性聚氨酯、双组份聚氨酯、水性光固化树脂、水性聚酯、水性环氧、水性醇酸、水性氨基等。钢桶外涂料推荐使用具有良好耐候性、不易黄变、硬度高、光泽好的丙烯酸、丙烯酸改性聚氨酯、水性脂肪族聚氨酯等树脂组成的水性涂料(水性芳香族聚氨酯耐候性不是很好),例如X-460涂料和X-490涂料等;钢桶内涂料推荐使用水性环氧、水性聚氨酯等耐腐性强的树脂组成的水性涂料,例如X-680涂料等。

我国是涂料第二生产大国,2014年我国涂料产量达1648万吨,但我国涂料消费结构极不合理,高污染的油性涂料仍占较大比例。随着国家对环境问题的重视,一系列限制高污染涂料的政策相继出台,如,从2015年2月1日起,国家对挥发性有机化合物(VOC)含量大于420g/L的涂料已经征收消费税,此外消费者的环保意识越来越提高,这都为环保型的水性涂料和固体涂料的发展提供了良好的机遇,水性涂料相比于其他低污染涂料具有可实现技术途径多、应用面广、安全、施工相对简单而成为首选。

《涂料行业科技中长期发展规划》中指出:未来10年中,我国将大幅消减传统溶剂涂料,在工业涂料中的比例使其所占份额由目前的50%锐减至5%。用10~15年时间对传统涂料行业实行新技术嫁接与改造,最终将传统溶剂涂料市场份额缩减至1%以下。这些规划为包括水性涂料在内的环保型涂料的发展提供了难得的机遇。

2015年是中国加入世贸组织15年,中国政府申请的15年保护期已经到期,中国各行各业将直接面对国外企业的竞争,且目前我国水性涂料还处于起步阶段,水性涂料的生产企业又大都是中小企业,鉴于上述实际情况,如何保护和加快发展我国水性涂料产业以及水性涂料的应用企业显得极为迫切。

既然我们钢桶行业已经迈入水性涂料的门槛,那么就要为了我国的绿色环保、为子孙后代的健康幸福努力发展、加紧发展、加快发展水性涂料的应用!

【转载此文请注明作者及来源:作者/徐国兴,上海徐工涂料技术有限公司】

 

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