1 九江学院化学与环境工程学院专科论文

题 目 水性涂料的应用及研究进展

院 系 化学与环境工程学院 专 业 精细与化学品生产技术 姓 名 汪洋 年 级 B1311 指导教师 付小兰

3 九江学院化学与环境工程学院专科论文

低碳环保是现今社会都在追求潮流，水性涂料及其产品符合低碳环保的要求所以发展潜力巨大。与传统溶剂型涂料相比，水性涂料具有环保和性能优异等特点，成为涂料工业的发展主流。随着环保概念的普及，环保涂料已经成为家具市场新的选择，水性涂料将会得到越来越多消费者的认可，但是因其价格、装饰效果等诸多原因影响，水性涂料未能够成为市场上的主流产品，而其助剂是水性涂料不可缺少的组分，助剂的产品质量和发展水平也从一个侧面反映涂料产品质量和水平。本文分别从概念、发展历程、工艺流程、应用、发展趋势几方面对水性涂料进行了说明和总结,同时指出了水性涂料存在的问题，并对我国的水性涂料前景进行了展望。

关键词：低碳环保 ；水性涂料；溶剂涂料；树脂

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凡是用水作溶剂或者作分散介质的涂料，都可称为水性涂料，又称水基涂料。水性涂料的组成为水性树脂、颜填料助剂、中和剂、水等。水性涂料与溶剂型涂料的组成大体相同，但水性涂料需用的助剂更多，配方更复杂。由于水作为分散剂或溶剂，水性涂料存在如下优点：（1）节约资源，消除了施工时的火灾危险性，降低了对环境的污染。（2）在温表面和潮湿环境中可直接涂覆施工。（3）电泳涂装使涂膜均匀、平整、展开性好，具有很好的防护性能。（4）涂装工具可用水清洗，能大大减少清洗溶剂的消耗[4]。

1.1 水性涂料的发展历程

涂料工业属于近代工业，但涂料本身却有着悠久的历史。中国是世界上使使用天然树脂作为成膜物质的涂料——大漆最早的国家。早期的画家使用的矿物颜，是水的悬浮液伙食用水或清蛋白来调配的，这就是最早的水性涂料。真正懂得使用溶剂，用溶剂来溶解固体的天然树脂，制得快干的涂料是19世纪中叶才开始的[5]。所以从一定意义上讲，溶剂型涂料的使用历史远没有水性涂料那么久远。最简单的水性涂料是石灰乳液，大约在一百年前就曾有人计划向其中加入乳化亚麻仁油进行改良，这恐怕就是最早的乳胶漆。从20世纪30年代中期开始，德国开始把聚乙烯醇作为保护胶的聚醋酸乙烯酯乳液作为涂料展色使用。

到了50年代，纯丙烯酸酯乳液在欧洲和美国就已经有限售，但是由于价格昂贵，其产量没有太大增加。进入60年代，在所有发展的乳状液中，最为突出的是醋酸乙烯酯-乙烯，醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯共聚物也有所发展，产量有所增加。70年代以来，由于环境保护法的制定和人们环境保护意识的加强、各国限制了有机溶剂及有害物质的排放，从而使油漆的使用受到种种限制。75%的制造油漆的原料来自石油化工，由于西方工业国家的经济危机和第三世界国家调整石油价格所致，在世界范围内，普遍要求解约能源和解约资源。基于上述原因，水性涂料，特别是乳胶漆，作为代油产品越来越引起人们的重视。水性涂料的制备技术进步很快，特别是乳液合成技

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度。但是近年来，随着我国经济的迅速发展，开放程度的进一步提高，与世界经济的接轨和资源日趋紧张，以及人们对环保和身体健康的重视，水性涂料在我国已面临良好的发展机遇。

1.2 水性涂料生产工艺流程

水性涂料的生产过程就是将各种组分的原材料按一定的顺序投入，分散均匀的过程，一般乳胶漆的生产工艺包括3个部分：

1. 浆料的制备：首先将水、分散剂、消泡剂、防腐剂等液体物料投入分散罐中，搅拌均匀，在搅拌状态下将着色颜料和体质颜料依次投入，并加速分散20~40分钟； 2. 水性涂料配制：在调漆罐中投入乳液，再加入增稠剂、PH调节剂、防冻剂、成膜助剂、消泡剂等助剂，搅拌15分钟左右，至完全均匀后，检测出料[7]； 3. 涂料过滤及产品包装：在乳胶漆的生产过程中，由于少部分颜（填）料尚未被分散，或因破乳化成颗粒，或有杂质存在于涂料中，因此此时的涂料需经过滤除去粗颗粒和杂质才能获得质量好的产品，可根据产品的要求不同，选用不同规格的筛网及不同容器包装，并做好计量，这样才能得到最终的产品。

水性涂料配制中的要点：

1. 配方材料应尽可能选用分散性好的颜料和超细填充料，从而在稳定提高产品质量的前提下，取消研磨作业，简化生产工艺，提高生产效率；

2. 在前期分散阶段，可预先投入适量HEC，不仅有助于分散，同时防止或减少浆料沾壁现象，改善分散效果；

3.在液体增稠剂加入之前，应尽量用3~5倍水调稀后，在充分搅拌下缓慢加入，从防局部增稠剂浓度过高使乳液结团或形成胶束，增稠剂可放在浆料分散后投入到浆料中充分搅拌以免出现上述问题；

4. 消泡剂的加入方式一半加到浆料中去，另一半加到配漆过程中，这样能使消泡效果更好；调漆过程中，搅拌转速应控制在200~400r/min以防生产过程中引入大量气泡，影响涂料质量。

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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．

目前，水性聚氨脂涂料的发展主要还受到原材料、固化剂、封闭剂、交联剂等的限制．因此，研制相应的原材料和助剂也是发展水性聚氨脂涂料的关键．

2.水性环氧树脂涂料工业[16]

水性环氧树脂涂料是由双组份组成：一组份为疏水性环氧树脂分散体（乳液）；另一组份为亲水性的胺类固化剂，其中的关键在于疏水性环氧树脂的乳化．美国一家公司生产一种KNT501水性环氧-聚酯涂料．该涂料施工方法简单，可在流水线上作业，特别适合于大槽浸涂．槽液无结皮现象、漆膜平整光滑、丰满度高、具耐盐雾性，可防护涂饰件的内腔腐蚀．水性环氧树脂涂料可广泛地用作高性能涂料、设备底漆、工业厂房地板漆、运输工具底漆、汽车维修底漆、工业维修面漆等。

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3.3水性金属防腐涂料[19]

目前，溶剂型金属防腐涂料仍占重要地位。基于环境保护的要求，水性金属防腐涂料发展非常迅速。金属防腐涂料重点在于解决提高面层涂料的耐火和超厚型涂装。防腐涂料对成膜物有较高的要求，包括化学稳定性，漆膜结构，柔韧的机械性能等。要求树脂对金属腐蚀的相对指数尽可能高。美国防腐涂料用树脂的比例最高是环氧树脂，环氧树脂是最重要的防腐涂料基料，防腐效果最理想。环氧树脂在防腐涂料中的用量约占40%。其它树脂占60%，包括聚氨醋、无机硅和乙烯树脂等。环氧树脂的主要缺点是低温不固化，不利于低温施工。聚氨醋树脂可以低温固化，性能比较全面，是很有发展前景的防腐涂料树脂基料。

木器漆从桐油开始，具有长久历史。后来发展了树脂漆。包括聚氨酷漆、硝基漆、酚醛漆和不饱和聚醋漆等。国外水性木器漆研究较早，品种较多。美国威特克公司研制成功一种高固体分水性聚氨醋分散体，用于木质地板，高耐磨，含固40%。德国专利报导一种用于木器的含季铵基团的水溶性聚丙烯酸漆，氨基树脂固化的丙烯酸树脂木器用水性涂料。欧洲专利报导了作清漆的聚氨酯改性丙烯酸水性分散体。广州市坚红化工厂和广州市涂料研究所开展了木器水性涂料的研制工作，研究了常温交联的，耐候的，防污染的，强附着力的，装饰性优良的各种性能配方。并推出单组分门窗漆，双组分交链型木器清漆和色漆以及地板漆等产品，其光泽，耐高温、耐水及干燥速度等各项指标均接近国外同类产品水平，在国内处于领先地位。

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水性涂料用功能矿物粉体材料研究进展及评价

（国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心，郑州 450006）

[摘要]介绍了功能矿物粉体材料沸石，电气石，蒙脱石，蛭石在水性涂料中的应用，对矿物材料和涂料的性能及研究进展进行了评价。

[关键词]沸石，电气石，蒙脱石，蛭石，涂料

水性涂料是涂料家族中的重要类型，有别于有机溶剂的油性涂料系列，其是以水做分散溶剂的多种系列涂料的总称，按成膜物质不同又可分为丙烯酸，醋酸乙烯，苯乙烯，有机硅，氟树脂等的均聚、共聚或共混系列，主要用八建筑装饰用内外墙涂料，其应用同人类的生存环境密切相关。随着建筑业作为我国国民经济支柱产业地位的确立和人民生活水平的不断提高，水性建筑涂料的品种，产量和用量不断增加，其功能和质量近年来倍受人们关注。据有关资料报道，国内水性建筑涂料产量已达涂料总量的40%。

水性涂料按使用性质可简单分为普通装饰性涂料和功能装饰性涂料两类，其中，功能装饰性涂料不仅具有普通装饰性涂料的装饰功能，而且赋予涂料一些特殊功能。在水性涂料、防火涂料、防水涂料、防霉涂料、防蚊蝇涂料、耐热涂料、弹性涂料等，能用做增加涂料特殊功能的物质也很多，但功能由矿物粉体材料产生的功能装饰性涂料现主要有抗菌涂料、负离子涂料、环境净化涂料、耐候性涂料等，在涂料中发挥功能的主要典型矿物粉体材料有沸石、电气石、蒙脱石、蛭石等。

功能装饰性涂料不仅为消费者提供了新的产品和消费理念，也拓宽了水性涂料的应用范围，增大了建筑水性涂料的实用性和产品档次，提高了水性涂料在建筑装饰材料中的地位和作用，同时也为涂料生产企业带来了较好的经济和社会效益，相应也带动了上游矿物功能材料加工业的发展。

2、水性涂料用典型功能矿物粉体材料品种和作用

沸石是由硅氧四面体在三维空间呈骨架排列、相连构成立体结构的矿物，硅氧四面体中的部分硅可被侣置换，硅、铝四面体由共用氧搭桥相连形成集合体，不同铝、硅置换比率和连接方式形成特殊的微孔和通道，构成了结构不同、品种繁多的天然或合成沸石矿物（如党见的A型、X型、Y型、Z型沸石等）；同时，也由于硅、铝置换，使集合体带一定量的负电苛；为了保持集合体电苛平衡，在微孔和通道内吸附了一定量的NA+、K+、CA2+等金属离子，但这种吸附离子间的作用力较弱，孔道已吸附离子可被其他更加稳定的CU2+、Zn2+、Ag+、C2+、Hg2+等重金属离子置换，这种置换后的产物为沸石具有抗菌作用打下了基础。

沸石孔道中离子的吸附和交换受沸石硅铝比组成、结晶体构造、比表面积、阳离子种类及位置、吸附和交换环境等因素制约，不同沸石对不同金属离子间的交换有一定的选择性和饱和性。以Y型沸石为例，用Li+、K+、Ag+都可以完全取代沸石孔道中的NA+，而用RB+、CS+只能进行部分取代；在交换度大于68%时，Y型沸石对一价阳离子的选择性交换顺序为：Ag+>Na+>K+>Li+等。

2.1.2沸石在水性涂料中的作用

经重金属交换处理后的沸石在水性功能涂料中主要用来做抗菌涂料，其抗

菌原理是利用沸石载体带入的CU2+、ZN2+AG+、CD2+、Hg2+选择重金属离子使细菌微生物机体结构变性，可抵制或杀灭细菌在涂料涂层表面的生长，达到使用抗菌涂料保持涂屋自清洁和使环境被净化的目的。由于沸石特殊的微孔结构及所载金属离子同骨架的选择性结合，起抗菌作用的金属离子在涂料涂刷后能以一定的速率缓慢释放，达到使涂层具有长期抗菌的作用。用沸石载体制备的抗菌剂具有抗菌广谱、持久、安全、稳定性好等特点，为抗菌涂料批量生产提供了优质、经济的原料，也促进了抗菌矿物研究的产业的发展。

2．2．1电气石的组成和结构

1、Na、Ｃa、Ｍg、Ｂ和Ｆe等元素组成的含水和氟等的环状硅酸盐晶体矿物，多产于伟晶岩及气成热液矿床中，其通过可表示为

XY3Z6SiO18（BO3）W4，式中X=Na、Ca、K，Y=Mg、Fe、Mn、Al、Li，Z=Al、Fe、Cr、Mg，W、OH、F、O等，同时矿物构成中也包含一些微量元素，电气石矿物化学成分非常复杂，被称为“自然界垃圾桶矿物之一”。根据富含元素含量，可将电气石分为铁电气石、镁电气石、锂电气石等，并且某些类型的电气石之间还存在固熔现象。

由于电气石结构中六元环的六个硅氧四面体顶角指向同一方向，使电气石具有独特的异级对称结构，能产生类似于磁铁磁极的自发电极，其典型表现为具有热电性和压电性，其强度和方向可以被测量和观察。

2．2．2电气石在水性涂料中的作用

电气石的永久电极能使涂料和环境中的水发生电离，产生OH-和H+，OH-同水分子结合形成水合羟基离子OH-（H2O）n(n约为8~10)，即为空气负离子；水电离产生的H+一种途径是在电极上形成H2放出。其余部分吸收水分子形成水合氢离子进入空气中，使体系负离子量高于正离子量。电气石产生的负离子可吸附空气中的粉尘、有害气体（如甲醛、苯、有机等），并使有害物质降解，达到净化空气、改善环境质量的目的；同时，电气石的电场也可以强化纳米TiO2的光催化效应，增加羟基自由基的产生量，具有扩菌、杀菌和交货空气中含有害气体的双重作用；此外，电气石也具有发射远红外线的功能，环境中适量的远红外线可以被除数人体皮下组织吸收和产生共振，促进人体血液循环，有利于人体健康，目前市场上起类似作用掺加电气石的建筑材料和保健纺织等已得到广泛的应用，作用等到人们的认同。

2．3．1蒙脱石的结构

蒙脱石是以二个硅氧四面体夹一个铝氧八面体构成单位晶胞、并在二维方向上连接成片在Z轴方向以一定厚度叠加而成的层状矿物，主要存在于膨润土、累托石等层状或混层状硅酸盐粘土矿中，能直接或提纯后使用。由于蒙脱石晶胞四面体中的硅被铝、八面体中的铝被镁同晶转换，使片层表面具有过剩的负电荷，并通过层间吸附Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子使晶胞电荷平衡，形成了平衡的双电层构。但这种吸附作用力较弱，层间阳离子很容易被其它浓度高、稳定性更强的无机或有机阳离子置换，使蒙脱石片层结构能被进一步膨胀、分散、剥离，甚至解离分散为单元片层结构，使分散后的蒙脱石比表面积急剧增大，也使使用体系的凝胶、耐热等性能发生较大的改变。

2．3．2蒙脱石在水性涂料中的作用

蒙脱石在水性涂料中能起到不同的作用功能，以水性功能装饰涂料材料为

例，由于蒙脱石膨胀、解离后比表面积的急剧增大，使蒙脱石的二维薄片具有较强的结构排列有序性，并发生偏光将就和层间结晶水对光的干涉效应等，强化了蒙脱石对紫外线的吸收，能作为耐热性较差的涂料成膜层和颜料屏蔽保护剂，在耐候性外墙涂料配方中已得到较好的应用。

同时，同沸石的抗菌机理类似，蒙脱石所带的层间离子也能用Cu2+、Zn2+、Ag2+、Cd2+、Hg2+等重金属离子交换，生成具有缓释作用的抗菌功能性蒙脱石，但蒙脱石蒙脱石层间交换上的重金属离子同片层的结合力较沸石中离子弱，易于游离出来并被除还原，使抗菌功能减弱，并易使体系变色。因此，用蒙脱石做载体具有较好的抗菌作用的抗菌剂一般使用重金属络合物的盐做抗菌离子交换剂，其能有效控制抗菌组分的匀速溶出，这样改性的蒙脱石也用来制备抗菌涂料。此外由于分散后蒙脱石层而的负电性和边沿的正电性加强，片层可形成“Z”字型连接的搭接结构，能使分散系的凝胶性能发生较大变化，经特殊处理后甚至可形成很高粘度的无机凝胶体，利用此特性，处理后的蒙脱石在水性涂料中可部分或完全替代价格较高的羧甲基纤维素类有机增稠剂，使体系保持较高的粘度，用其配制的水性涂料具有成本较低的特点。

2．4．1 蛭石的结构

矿物学所指的蛭石是其结构单元层同蒙脱石类似的2：1型层状矿物，但差别为其硅氧四面体和铝氧八面体中的硅、铝分别被更多的铝、镁及铁转换，转换使晶胞具有更高的层间负电荷，层间能平衡更多的可交换性阳离子和水分子；层间水分子既以氢键与结构表面的氧搭桥相联，又彼此间以弱的氢键相互联结，同时又围绕层间阳离子形成配位八面体。此外，层间存在的大量水既有利于层间离子的交换，也使蛭石受热时体积急剧膨胀。

而工业上通过所指的“蛭石”包括矿物学意义上的蛭石，以及同金云母、黑云母和绿泥石以规则或不规则间层结合的类云母状硅酸盐矿物，其共同特征是结构中均含有纯矿物蛭石晶层，蛭石的结构和特性使其成为可功能应用的矿物粉体材料品种。

2．4．2 蛭石在水性涂料中的作用

蛭石由于特殊的间层结构，具有保温、隔热、隔音、抗菌、耐冷等优良性能，已大量用于轻质保温材料。其在水性涂料中的应用则同沸石、蒙脱石的抗菌作用类似，当用Cu2+、Zn2+、Ag2+、Cd2+、Hg2+等重金属离子与蛭石层间离子交换时，也形成具有缓释作用的抗菌蛭石。由于蛭石的层间电荷比蒙脱石高，用蛭石制备的抗菌蛭石具有抗菌范围广谱、作用持久、制品颜色稳定性好、无毒无刺激、成本低等特点。

3 用矿物粉体材料制备的功能性水性涂料研究进展及评价

3．1 水性抗菌涂料研究进展和评价

现以沸石、蒙脱石、蛭石为抗菌成分载体制备的抗菌水性涂料抗菌元素主要集中等特点，并在水性抗菌涂料中部分已得到广泛应用，但也存在着一些问题，表现在以下方面：

1) 抗菌元素的选用问题

虽然现在大部分抗菌剂主要选用银做抗菌成分，但用银做抗菌的成本相对较高；同时Ag+的稳定性稍差，易被转化为金属银使制品变色；Ag+也容易同环境中大量的带Cl-的物质作用生成丧失活性的AgCl，使体系抗菌性能降低。

对其它抗菌成分的选用问题一直是抗菌剂制备的研究热点，如锌系抗菌剂虽然没有银系抗菌能力强，但也有较高的搞菌活性，其优势是成本低、制备颜色稳定性好。各种抗菌成分的合理使用和有效组合是制备抗菌作用强、稳定性好的新型抗菌剂的发展方向。

目前沸石用的载体多为合成产物，其具有纯度高、白度高、离子交换能力强、性质稳定性好等特点，但由于合成产品成本高也限制了其使用。从天然沸石矿资源中选取性能稳定、品质好的沸石资源是抗菌涂料行业的发展要求。我国有丰富的蒙脱石、蛭石资源，但这些天然矿物的白度与装饰性涂料的要求有一定的差距，以蒙脱石、蛭石为载体制备的抗菌涂料主要用于深色系列抗菌涂料产品。

3) 抗菌剂与涂料其他成分的相容问题

涂料是复杂的多元物质复配体系，除量大的成膜物质外，其必不可少的助剂还有分散剂、成膜助剂、增稠剂、消泡剂、流平剂、防腐剂pH调节剂，添加的抗菌剂应同涂料其它组分有良好的相容性，抗菌组分在体系中的作用状况以不影响其他的性能为前提。

保健和净化水性矿物涂料以添加电气石的负离子环保型涂料为代表，是近年来的研究热点。电气石由于具有自发极化效应，其在涂料中使用后能长期向环境释放（OH-（H2O）n结构的负离子，而负离子对环境的净化和人体的保健作用已得到人们的认可，国内市场已有负离子涂料销售，负离子涂料已成为目前生产企业失去产品销售新的突破口。但是，目前负离子涂料的研究和生产中也存在一些问题，表现在以下方面，需要行业进行技术规范和协作加以完善，以促进这种新型涂料和产业的发展。

（1）无规范的行业标准

负离子涂料对环境和人体的重要净化和保健作用是由负离子发生量决定的，但目前由于研究和推广应用的前沿性，所用的检测仪器和检测方法的稳定性、重现性急需规范、统一，标准化工作应及时配套，以利于规范评定产品性能的评价，不使“负离子”品牌沦为商家推销产品的一个卖点。

（2）负离子强化粉体基础研究进一步完善

由于电气石结构的复杂性，使不同组成和产地的电气石负离子发生量有较大差别，添加负离子发生剂的产品实际应用效果还远远达不到使人明显感觉“心旷神怡”的程度。国内目前在此此研究实力较强的中国建筑材料研究院采用添加纳米TiO

2、稀土氧化物、稀土复合盐同电气石粉体负离子发生效果，但从其公开的强化粉体配比技术资料看，稀土氧化物或稀土复合盐同电气石的混用比例均较高，有的甚至明确电气石/稀土氧化物质量比为1：2，稀土氧化物配比量已超过电气石量，经过处理的复合粉体报道有较高的负离子发生量，但资料未报道同样条件下其所用纯稀土、纯电气石的单项检测结果，因此，用稀土等复合制备的电气石复合粉体负离子发生量指标较高的主要原因值得进一步落实和商榷。

（3） 电气石粉体色泽的局限性

用做负离子发生剂的电气石主要为非宝石级，色泽多为黑色或深灰色，而做为内墙装饰用的室内涂料色泽一般较浅，使深色的电气石功能粉体在涂料中的添加量从涂料色泽角度考虑受到较大限制，其在浅色涂料中的使用量很有限，使负离子最佳功能效果发挥难度较大，因而，浅色、高强负离子粉体研究和应用有较大的市场。

（4） 电气石粉体同涂料组分的相容性

同其它功能涂料配方类似，纯电气石粉体或复合粉体同涂料组分也存在一定的相容性问题，如从粉体自身角度考虑，粒度越小、比表面积越大，负离子释放效率越高；但超细粉分散在涂料体系中后，一是容易被成膜物质完全包裹，减弱其负离子量，二是其遮盖力较强，使其在浅色体系中的添加量受到更大的制约，负郭发生量降低；此外，还要考虑电气石同其他物质相互作用的影响问题等。

3．3水性耐候性涂料的研究进展和评价

采用蒙脱石类层状矿物改性制备的高耐性外墙具有成本低、耐老化性能好、使用方便等特点，据报道能达到用纳米SiO2制备的耐候性外墙涂料的老化指标，并且使用时比纳米SiO2易于分散，能以粉剂或浆料形式加入，而成本仅为纳米SiO2的1/3，具有较好的市场推广空间。同时，分散后的蒙脱石具有较高的粘度，也能减少涂料体系中耐候性较差的有机增稠剂的用量，利于涂料生产和施工。但处理后的蒙脱石同纳米SiO2相比，由于是直接采用天然粘土矿物加工，矿物的色泽较深，做外墙涂料添加剂使用时虽然不象内墙涂料对原料色泽要求那样窄，但配料时要随时注意所用矿物色泽的变化，及时调整涂料配方，以保持涂料色调和耐老化性能的一致。

同时，在耐候性涂料的研究和生产中，新的品种更加注重赋予涂料多种功能的协同性，如耐性涂料同时也具有抗菌性，自洁性、抗污染性等，其高抗污染的原理之一是利用涂料的自动分层作用和结合纳米材料在涂料中的应用，制得一次涂装但面层和底层有不同组成和结构的涂膜，其面层涂层因具有较高的附着力，因而具有较高的抗污染和持久耐候和综合性能，其研究内容和深度具有较大的开拓空间。

综上所述，利用矿物粉体材料制备的沙发功能涂料具有较好的市场容量和发展空间也是生产企业提高产品质量、拓展服务功能、降低产品成本、营造新的经济增长点的必然要求；同时，高品质的产品回应了消费者对涂料产品功能的更高需求；水性功能矿物涂料的发展也将带动非金属矿物粉体材料行业的发展和技术进步，能为矿物加工带来较好的经济和社会效益。

随着人们环保、能源意识的增强,特别是各国环保法规对涂料体系中有机挥发物( VOC)含量的严格限制, 促进了水性涂料为代表的低污染型涂料的发展。水性涂料是以水为分散介质的一类涂料,具有不燃、无毒、不污染环境、节省能源和资源等优点。水性聚氨酯涂料将聚氨酯涂膜的硬度高、附着力强、耐磨蚀、耐溶剂性好等优点与水性涂料的低VO C含量相结合,且聚氨酯聚合物具有裁剪性,采用分子设计原理,结合新的合成和交联技术,能有效控制涂膜聚合物的组成和结构,使水性聚氨酯涂膜性能相当于甚至优于传统溶剂型涂料,成为发展最快的涂料品种之一。

1 聚氨酯水分散体涂料

1. 1 水性聚氨酯分散体的合成

聚氨酯( PU )水分散体的制备多采用聚合物自乳化法,即在聚合物链上引入适量的亲水基团,在一定条件下自发分散形成乳液。根据扩链反应不同,自乳化法可分为: 丙酮法、熔融分散法、预聚体分散法和酮亚胺法等,其中丙酮法和预聚体分散法较为成熟。丙酮法的扩链反应在均相体系中进行, 易于控制,重复性好,乳液质量高,适应性强。但需回收丙酮溶剂,生产效率低、能耗大。预聚体分散法的扩链反应在非均相体系中进行,无需使用大量的有机溶剂,可制备有支化度的聚氨酯乳液。近年来聚氨酯水分散体的研究热点有: ( 1)以脂肪族异氰酸酯单体为原料,采用预聚物混合工艺,研究软段多元醇的分子量、亲水离子含量和聚氨酯预聚物分子量等对聚氨酯分散体的粒子结构、形态、稳定性和涂膜物理力学性能等的影响,在宏观物性上探讨聚氨酯水分散体的结构与性能的关系,在产品开发与应用方面作了大量工作; ( 2)系统研究扩链剂种类、扩链工艺、中和度、介质介电常数等对分散体形态和结构影响,研究分散体的流体力学行为,并采用热分析技术,研究分散体涂膜的降解动力学; ( 3)相继出现了采用软段离子化和离子化扩链剂等合成分散体的新方法,如魏欣[4 ]等采用含叔胺基聚醚合成系列聚氨酯离聚物, Wei等采用离子化的聚氧乙烯化胺( N PEO)制备以N PEO为内乳化剂的聚氨酯水分散体。水性聚氨酯分散体的制备工艺涉及到脲链段的生成,有机溶剂的大量消耗,特殊的封端反应, 过量的NCO基含量及特别的反应物(如离子型扩链剂) ,其共同缺点是合成工艺复杂,质量可控性差,因此,探索易于控制的水性聚氨酯分散体的合成方法成为该领域的研究热点。

2 聚氨酯分散体涂料的改性研究

聚氨酯乳液的自增稠性差、固含量低、乳胶膜的耐水性差、耐溶剂性不良、硬度、表面光泽度低等,交联改性可以进一步提高聚氨酯水分散体涂料的机械性能和耐化学品性能。首先,通过选用多官能度的合成原材料如多元醇、多元胺扩链剂和多异氰酸酯交联剂等合成具有交联结构的水性聚氨酯分散体。其次,添加内交联剂,如碳化二亚胺、甲亚胺和氮杂环丙烷类化合物,在碱性条件下相当稳定,在聚氨酯乳液中能稳定存在,涂膜在干燥过程中由于水及中和剂的挥发,使得胶膜中的pH值下降,交联反应得以进行。另外热活化交联是由封端型异氰酸酯乳液与聚氨酯乳液混合形成稳定的单组分乳液,干燥后进行热处理能使高反应性的N CO基团再生,与聚氨酯分子所含的活性氢基团(如羟基、胺基、脲基、聚酯基)反应形成交联的涂膜。自动氧化交联的水性聚氨酯,是将含不饱和键的植物油或其脂肪酸引入其分子链中,由金属催干剂(如钴、锰、锆盐)来催化自交联,其原理与自干性醇酸相同。

复合改性也可提高聚氨酯乳液的性能,包括环氧树脂、有机硅和丙烯酸酯复合改性。许戈文等通过环氧改性水性聚氨酯,将环氧树脂较高的支化度引入到聚氨酯主链上,提高乳液涂膜的附着力、干燥速率、涂膜硬度和耐水性。王武生等采用氨基丙基三乙氧基硅烷与多异氰酸酯反应合成端硅氧烷聚氨酯预聚体,然后分散于水中,依靠硅氧烷水解缩合扩链交联制备交联水分散聚氨酯。研究发现这种硅氧烷封端的聚氨酯水分散体形成的涂膜具有优良的耐水性,其涂膜的硬度、抗拉强度随硅含量的增加而上升,具有优良的力学性能。丙烯酸酯改性聚氨酯乳液( PU A)可将聚氨酯的较高的拉伸强度和冲击强度、优异的柔性和耐磨损性能与丙烯酸树脂的良好附着力、较低的成本有机地结合,制备出高固含量、低成本的水性树脂,降低加工能耗。PUA乳液的制备方法较多,主要包括: 物理共混; 合成带C= C双键的不饱和氨基甲酸酯单体和丙烯酸酯单体共聚; 采用PU乳液作种子,进行种子乳液聚合;封端PU 乳液与含羟基的丙烯酸树脂乳液聚合; 也有采用接枝互穿网络( IPN )进行改性。新型的PUA复合乳液主要集中在有关PU A的互穿聚合物胶乳、核/壳乳液、超浓乳液、封端型乳液等的合成与性能研究,而该领域具有核壳结构微乳液的结构与性能关系的研究尤受重视。

2 双组分水性聚氨酯涂料

双组分水性聚氨酯涂料由含有活泼异氰酸基团的固化剂组分和含有可与异氰酸基团反应的活泼氢(羟基)的水性多元醇组分组成,分述如下。

2. 1 水性多元醇体系

水性双组分聚氨酯涂料的多元醇体系必须具有分散功能,能将憎水的多异氰酸酯体系很好地分散在水中,使得分散体粒径足够小,保证涂膜具有良好的性能。水性双组分聚氨酯涂料的多元醇有分散体型多元醇(粒径小于0. 08μm)和乳液型多元醇(粒径在0. 08 μm～ 0. 5μm之间) 。乳液型多元醇的制备采用乳液聚合技术,具有工艺简单、成本低的优点; 乳液型多元醇的分子量较高,对多异氰酸酯固化剂的分散能力较差; 为了改善涂膜的外观,必须采用亲水改性的多异氰酸酯固化剂,或采用高剪切力混合设备。

分散体型多元醇的制备一般是在有机溶剂中合成含有亲水离子或非离子链段的树脂,通过相转移将树脂熔体或溶液分散在水中得到。其优点为聚合物的分子量及其分子量分布易于控制。但分散体多元醇粘度较大,其施工固体含量较高,引入的亲水单体会降低双组分涂膜的耐水性。根据化学结构分散体型多元醇可分为:聚酯分散体多元醇,丙烯酸分散体多元醇和聚氨酯分散体多元醇。丙烯酸分散体多元醇具有较低的分子量,较高的羟基官能度,配制的涂膜交联密度较高,具有良好的耐溶剂性、耐化学品性和较好的耐侯性,但涂膜的干燥速度较慢。聚酯分散体多元醇配制的双组分涂料具有良好的流动性,涂膜光泽较高,适用于配制高光色漆。其缺点是聚酯分子链的酯键易水解,聚合物链易产生断裂。将丙烯酸聚合物接枝到聚酯分子链上制备聚酯-丙烯酸复合分散体多元醇,可以提高聚酯链的耐水解性,该多元醇配制的双组分涂料将聚酯的软链段和丙烯酸树脂的硬链段结合在一起,有利于涂膜的硬度和柔韧性保持良好平衡。聚氨酯分散体多元醇配制的双组分涂料具有优异的物理力学性能和耐化学性能,而且可通过调整氨基甲酸酯键的浓度来裁剪涂膜性能。因此,聚氨酯多元醇分散体是理想的双组分聚氨酯涂料的羟基组分。

2. 2 多异氰酸酯体系选择

用于双组分水性聚氨酯涂料体系的固化剂有: 亲水改性多异氰酸酯固化剂、低粘度多异氰酸酯固化剂和较难与水反应的固化剂。脂肪族异氰酸酯的二聚体和三聚体是聚氨酯涂料常用的固化剂,环状的三聚体具有稳定的六元环结构及较高的官能度, 粘度较低,易于分散,具有较好的涂膜性能; 缩二脲固化剂由于粘度较高,不易分散,较少直接应用于水性双组分聚氨酯涂料。为了提高多异氰酸酯固化剂在水中的分散能力,常采用亲水基团对其进行改性。适合的亲水组分有离子型、非离子型或二者的结合,这些亲水组分与多异氰酸酯具有良好的相容性,作为内乳化剂帮助固化剂分散在水相中,降低混合剪切能耗。其缺点在于亲水改性消耗了固化剂的部分N CO 基,降低了固化剂的官能度,增加了体系的亲水性。第三类固化剂为叔异氰酸酯固化剂 ,如偏四甲基苯基二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的加成物,其主要特点为固化剂的N CO基与水反应的速度非常慢,可制备无气泡涂膜,但其玻璃化温度高,需玻璃化温度较低和乳化能力较强的多元醇与其配制。

2. 3 双组分水性聚氨酯涂料的成膜

水性双组分聚氨酯涂料的成膜初期为物理干燥成膜,随着水分的蒸发,分散体或乳液粒子凝聚, 聚合物链相互扩散和反应。影响因素有: 其一,水分的蒸发量, 蒸发量越大,物理成膜时间越长,水分的蒸发量由涂料的施工固含量决定; 同时,环境温度和湿度影响水分的蒸发速率。其二,多元醇和固化剂的粘弹性影响粒子的凝聚过程,粘弹性由聚合物的玻璃化温度、极性、分子量和溶剂或增塑剂含量决定。最后,聚合物粒子之间的排斥力,起稳定乳液粒子的作用,乳液粒子相互接触,必须克服粒子之间的排斥力。化学干燥过程比较复杂,涉及到固化剂的NCO 基与多元醇的羟基、水和稳定聚合物粒子的羧基等反应,反应速率取决于施工环境的温度、湿度、反应体系中催化剂含量和基团的反应活性等。

水性双组分聚氨酯涂料体系的固化反应可分为主反应和副反应,以丙烯酸分散体多元醇和亲水改性的多异氰酸酯固化剂组成的双组分水性聚氨酯体系为例,体系含有胺中和剂和羟基功能化的共溶剂,主反应为多元醇与固化剂反应形成氨基甲酸酯聚合物,副反应包括固化剂可能与共溶剂或中和剂的羟基、胺基、多元醇的羧基及水反应,如Fig. 1所示。固化剂与水的副反应生成胺和二氧化碳,胺立即与N CO基反应形成脲,随着水分的蒸发和涂膜的形成,二氧化碳会溶解在涂膜中或以气体形式释放。多元醇的羧基与N CO基的反应生成酰胺,但反应速度较小;胺中和剂脱离涂膜后,羧基可能和羟基反应,该反应极大消除涂料体系的亲水性,改善涂膜的耐水性。采用FT-IR光谱或13 C-NMR光谱可以检测各反应之间的竞争。为了补充副反应消耗的N CO基,常采用过量的多异氰酸酯固化剂以保证涂膜优异性能。

施工环境和固化条件决定主反应和副反应程度。室温下水分的蒸发相对较快, 30 min内水分在涂膜中的浓度下降到2% ～ 3% ,最终的平衡浓度为1%左右。相对于水分的蒸发速率,涂膜的N CO基的降低速率较慢,室温下30min,只有6% 的NCO基参与反应, 24 h后参与反应的N CO基增大到90% , 完全反应需要几天。环境温度对干燥过程有重要作用,室温固化过程约有60% 的NCO基与水反应形成脲, 而130℃干燥30 min与水反应的N CO基含量降45低到10%。随着固化温度升高,生成氨基甲酸酯的含量越多,副反应程度越低。

2. 4 水性双组分聚氨酯体系的缺陷

通常选择合适的水性多元醇和固化剂配制双组分水性聚氨酯涂料,其涂膜的光泽、硬度、耐化学性能及耐久性可与溶剂型双组分相当。但目前许多水性双组分聚氨酯涂料具有不同的缺陷,有的还严重限制了双组分涂料的应用,Tab. 1列出了双组分水性聚氨酯涂料的缺陷。水性涂料的主要缺陷在于厚膜中易形成气泡和微泡,这是喷涂过程中空气残留在涂膜中引起的。水性双组分聚氨酯涂料更有可能形成气泡,因为涂膜形成过程中产生二氧化碳以及随涂膜粘度的增大二氧化碳会滞留在涂膜中所致; 二氧化碳的产生来源于NCO基与涂膜中水分的反应。Nabuurs研究发现,对于丙烯酸乳液多元醇,涂膜中二氧化碳气泡产生量主要取决于合成丙烯酸乳液的羧基单体类型、N CO /O H及涂膜中水分的含量。采用甲基丙烯酸或丙烯酸单体进行乳液聚合,总有部分羧基单体聚合形成羧酸聚合物溶解在水相中,与固化剂成膜时形成吸湿区,涂膜产生大量的二氧化碳气泡; 而采用丙烯酸U羧乙酯为羧基单体时,羧基单体结合到聚合物链上,涂膜中不存在吸湿区,因此能形成无泡涂膜。当然,二氧化碳气泡的消除和无缺陷涂膜的形成机理,还有待于进一步研究。

3 水性聚氨酯涂料的应用与展望

高性能与低VO C含量相结合的水性聚氨酯涂料具有广阔的应用前景。以脂肪族多异氰酸酯为交联剂的新型水性双组分聚氨酯涂料,涂膜干燥速度快,光泽高,外观好,具有良好的力学性能,耐化学品性能和耐侯性等, 其VO C含量相当于溶剂型双组分聚氨酯涂料的20% ,可取代溶剂型双组分聚氨酯涂料广泛应用于汽车面漆、汽车修补漆、木器涂料、皮革涂料。此外水性聚氨酯涂料还能应用于塑料涂料、工业涂料和腐蚀保护涂料,满足不同的性能要求。

随着对水性聚氨酯结构、性能、成膜过程的反应机理等进一步研究,结合新的水性多元醇聚合物的合成技术, 水性聚氨酯涂料将会变得方便施工,涂膜性能易于设计和优化,以满足特殊用途。水性聚氨酯涂料的研究方向为: 进一步完善和发展高性能无缺陷水性聚氨酯涂料体系; 依靠聚氨酯分子的可裁剪特性,在聚氨酯链上引入特殊功能的分子结构如含氟、含硅聚合物链,赋予聚氨酯涂膜多功能性; 进一步开拓水性聚氨酯涂料的应用领域,如水性双组分聚氨酯涂料可作为特殊柔软感涂料,其涂膜表面柔软无光,具有从橡胶到丝绒触感,应用于汽车内部塑料仪器表面的涂装。其涂膜具有耐溶剂性、耐化学品性、耐清洁剂擦洗性,涂膜不必很硬,必须具有良好的柔韧性,低温弹性,对塑料具有良好的附着力。涂膜的耐化学性和柔软感取决于合适的亲水改性多异氰酸酯固化剂与高分子量的聚氨酯分散体和低分子量的聚脂-聚氨酯复合多元醇的复配。

昆明首超科技开发有限公司

年产1.5万吨级绿色环保水性涂料生产线项目

一、关于昆明首超科技开发有限公司

昆明首超科技有限公司是一个集研发、销售、施工、贸易为一体的专业防火、水性防腐涂装公司。拥有国内最先进的科研技术。设有防腐、重防腐涂料、防火涂料、水性涂料、导静电涂料等研究室，公司将大部分资源用于技术研究开发，不断地提高产品质量。

研发水性漆、防火、重防腐涂料等新能源材料作为公司的优势项目，在桥梁、船舶、港口设备、电厂、水泥厂、石油、化工、建材、机械制造、市政、钢结构等行业赢得了良好的口碑。公司产品已在全国十多个省、市、自治区的防腐工程中广泛应用；为客户提供从前期技术咨询、防护设计、到施工现场技术指导、维护维修等专业化的全程跟踪服务。

昆明首超科技有限公司将坚守质量第

一、贴心服务。并以丰富的想象、饱满的激情来缔造我们的水性、防火防腐事业梦。

水性涂料是近年来迅速发展的一类涂料，除具有一般聚氨酯涂料所具有的高强度、耐磨等优异性能外，对环境无污染、中毒和着火的危险性小。水性聚氨酯涂料的柔韧性、机械强度、耐磨性、耐化学药品及耐久性等都十分优异，欧洲、美国、日本均将其视为高性能的现代涂料品种大力研发。

由于水性涂料优点十分突出，因此近10年来在一般工 1

业涂料领域应用日益扩大，已经替代了不少惯用的溶剂型涂料。着各国对挥发性有机物及有毒物质限制越来越严格，以及树脂和配方的优化和适用助剂的开发，预计水性涂料在用于金属防锈涂料、装饰性涂料、建筑涂料等方面替代溶剂型涂料将取得突破性进展。在水性涂料中，乳胶涂料占绝对优势，如美国乳胶涂料占建筑涂料的90%。乳胶涂料的研究成果约占全部涂料研究成果的20%。

目前，世界涂料产业呈现以下趋势：一是向水性化发展。由于水性涂料可以减少挥发性有机化合物（VOC），具有低污染、工艺清洁的优点，属于环保型涂料，这是溶剂型涂料所不具有的，因此世界各工业发达国家都很重视水性涂料的开发。同时由于水性涂料用原材料及制造工艺学的发展和进步，一些很难解决的问题如：水性涂料中的黏度变化问题、厚涂的烘烤型水性涂料的“爆泡”问题有所突破，进一步加快了水性涂料的发展速度。二是向功能化发展。目前除在防火、防毒、防虫、杀虫、隔热保温等现有质量水平较低的功能涂料上加大力度、进行科研攻关外，世界各国涂料企业还加紧研究和解决建筑装饰中的难、新问题，其中的复合化技术将是提高和满足各类功能的有效途径。三是向高性能、高档次发展。各国普遍认识到，作为涂料的一种理想性能，不仅要保护和美化基材，而且给予基材本身无法具有的特殊功能，使用一些新的基料就可以使涂料获得非常惊人的高性能

化、高增值化、高级化的效果。

三、年产1.5万吨级绿色环保水性涂料生产线项目

1、产品方案：年产水性涂料15000吨，其中，水性木器漆2000吨、水性钢结构漆3000吨、水性墙面涂料10000吨。

2、建设规模：占地面积70亩，新建年产1.5万吨级绿色环保水性涂料生产线，项目建设总投资15025.85亿元，形成年产1.5万吨绿色环保水性涂料的生产能力，实现产值1.57亿万。并力争将上海的水性涂料研发基地迁入越州工业园区。

（1）项目工程建设投资13499.54万元人民币。 （2）流动资金1526.31万元(其中铺底流动资金457.89万元人民币)。

（3）项目总投资预算额为15025.85万元人民币。

年产1.5万吨级绿色环保水性涂料生产线项目税后平均投资利润率为20.95%，税后平均投资利税率为27.79%，项目全部投资所得税后财务内部总收益率18.26%，财务净现值35411.08万元，资本金净利润率16.91%，全部投资回收期为6.43年，项目盈亏平衡点为31.06%，说明该项目具有较 3

强的抗风险能力。财务盈利能力指标表明项目具有较强的盈利能力，项目的实施可取得较好的经济效益。

该项目的生产对促进曲靖市水性涂料行业发展及扩大当地就业机会起着积极的推动作用，项目建成后可为当地带来较高的利税收入，为地方经济发展做出贡献，有着重大的社会效益。该项目符合国家产业政策和行业发展要求，产品市场广阔而且经济效益和社会效益显著，抗风险能力强。

1、项目建设期：分两期建设，两期共24个月。

2、达产期：投产后第一年达产率50%，投产后第二年达产率70%，投产后第三年达产率90%，投产后第四年达产率100%。

昆明首超科技有限公司全体员工将全力以赴投入项目建设，成立项目筹建小组，全面负责项目前期准备、工程勘察设计和工程施工的委托手续及签订相应的合同和协议，建设资金到位安排。并制定项目实施方案和管理细则，周密策划，精心组织，高质量实施项目。

1、将项目列入2018麒麟区重点招商引资项目，享受相关优惠政策；

2、请麒麟区政府组织相关部门成立年产1.5万吨级绿 4

色环保水性涂料生产线项目领导小组，全力帮助推进项目实施；

3、在土地征用过程中请帮助选地、给予优惠地价和办理相关征地手续，并做好被征土地群众相关工作；

4、请帮助在全区推广使用项目生产的绿色环保水性涂料。

1、购买材料的价格：厂家只供料，一般价格约35-90元/㎡。

2、包工包料的价格：厂家提供材料和施工，一般价格约80-150元/㎡。

多彩涂料用量比真石漆少很多，仅有0.3~0.8公斤/平方，一般1公斤涂料可以做2-3平方，当然根据您不同效果、色彩和仿石样式，报价差异可能会比较大，最终价格以厂家测算为准。

作为外墙水性材料的集大成者，水包水多彩涂料相比其他涂料色彩更加丰富，施工更加方便，简单喷涂就能达到意想不到的装饰效果，是房屋建筑外墙装修、翻新的最佳材料之一。最近，有部分客户抱怨水包水不尽如人意，通过调查我们归纳了水包水施工过程中四大常见问题及解决方案，现在分享给大家：

问题一：水包水料料渗色

水包水涂料逐渐呈现出与色粒相近的颜色，并且伴随有胶液浑浊，情况恶劣时胶液出现片状凝结物，严重影响喷涂效果及涂料稳定性。

原因分析：造成这种现象的主要原因是色粒凝胶保护膜强度不够，色粒中的颜料、填充料等突破保护膜并不断向外渗透进胶液介质，从而出现混浊凝结现象。

解决办法：严格按照溶剂配比标准进行稀释并尽快包裹色彩进行造粒；如色彩粒子浓度过大，需单独调制同密度胶液进行稀释；保持30℃以下常温储存，过期材料坚决不能使用。

问题二：水包水涂料浮层

水包水浮层主要是指涂料有部分颗粒漂浮在保护胶水液表面，并形成一定厚度。漂浮的包裹色粒经过搅拌可以暂时均匀分布在胶液中，静置一段时间仍然会出现浮层现象。浮层使包裹在色粒表面的水性保护胶膜蒸发破损，颜料大量泄漏无法使用，造成成本的非必要浪费。水包水多彩涂料是一种稳定的悬浮液，它要求着色包裹粒子与胶液间密度大致相同。如

赛诺涂料 色粒密度大于胶液密度，就会出现浮层现象，导致色散或硬化结皮现象；如色粒密度小于胶液密度，就会出现沉淀情况，严重时可导致色粒无法喷出。

解决办法：需要统一颜料浓度与胶液保持基本一致，如不确定具体用量，可先行小批量试验，确保造粒后的颜色粒子能够稳定悬浮在胶液中。

问题三：水包水色粒黯淡无光

水包水在制备过程中会使用多种助剂，而市场上大多数纤维素类的消泡剂、增稠剂及部分颜料中的钛白粉具有强酸、强碱成分，容易使色粒失去光泽。

解决办法：控制颜料及填充材料中钛白粉的用量

问题四：分散介质絮凝成块、成团

水包水成品呈现絮状，色粒完全被包裹在里面。经过检测，这种现象根源是分散相和分散介质酸碱度不和导致的化学反应现象。如果分散介质碱性偏高，往往会造成分散介质中高分子化合物凝结，呈现棉絮状、网状凝结构。

解决办法：事先对分散相和分散介质进行PH值检验及调节，减小酸碱度差异，控制酸碱反应物产生。

水包水多彩涂料不同于传统建筑涂料，如丙烯酸涂料、苯丙涂料等，这些涂料均是单相、单色的匀一性的涂料产品，产品质量比较稳定，而多彩涂料是多色、多相粒子混合共存，产品质量的稳定性就可能有许多问题产生。