水性漆在工业涂装上的研究和应用

1 引言

        防腐蚀涂层是防止基材腐蚀的主要方法之一，目前各防腐蚀涂层多采用溶剂型防腐涂料，该涂料最大的缺点是含有大量的溶剂，污染环境、易燃，对人体和人类的生存环境造成危害。另外油漆中的溶剂大部分来自石油和煤炭，这些资源均为不可再生资源，人类过度开发终将造成资源的匮乏。这些资源的浪费和污染环境与世界低碳经济的发展要求相背。从国内外涂料的发展趋势，以及技术进步的可能性分析开发环保的防腐漆是涂料业发展不可逆转的趋势。本文详述了环保型的水性涂料分类以及在工业涂装领域的应用研究。

2 法规依据

        1986年德国制定了《大气净化技术纲要TA-LUFT》。1988年日本制定了《碳化氢排出抑制指导方针》。1990美国通过的CAAA《清洁空气法修正案》要求采取严格措施。1992年UNEP国际议定书通过《大气污染的防治VOC消减计划》。1994年欧洲提出了《限制汽车涂装过程中排放物溶剂控制指令》。2005年美国启用更为严格的VOC法规，工业维护涂料的VOC含量限制在350g/L，其中底漆和中涂的VOC含量限制在250g/L。我国政府也越来越重视涂料中VOC的问题，国家质检总局2001年12月10日发布了《10项室内装饰装修材料中要害物质限量的强制性标准》。2005年国家环境保护总局颁布了HJ/T201―2005《环境标志产品技术要求―水性涂料》明确规定了水性工业漆产品的VOC含量小于250g/L。2010年6月1日发布的强制性国家标准GB24409-2009《汽车涂料中有害物质限量》对汽车涂料中VOC含量进行了限制。

3 水性漆的大致分类和特点

        按成膜树脂分目前较成熟的水性漆可分为单组份水性丙烯酸类、水性醇酸类、水性环氧酯类、水性氨基类、双组份水性环氧类、和双组份水性聚氨酯类等。

        1）水性丙烯酸类是水性漆中使用量最大应用面最广的一类水性漆。该类产品以水性丙烯酸树脂（乳液）为成膜基料，附以其他成分可以制备出非常丰富的水性丙烯酸涂料。由于水性丙烯酸树脂（乳液）采用不同的软硬单体，制备出不同硬度甚至弹性的乳液；采用特殊的功能单体，可以制备在多种底材上具有优异附着力或优异耐腐蚀性的乳液，等等。因而可以制成不同性能要求的水性漆。如侧重于耐腐蚀性的水性防锈型丙烯酸漆，侧重于耐光老化和高装饰性的水性丙烯酸面漆。水性丙烯酸类涂料具有助溶剂含量少、漆膜干燥速度快、施工效率高、色彩丰富、漆膜丰满等诸多优点。但也存在一些不足之处，比如环境温度和湿度的变化对漆膜干燥和性能影响较大，对底材处理要求比较严格，轻微的底材锈蚀或杂质即可能造成大面积的闪锈发生。

        2）传统的醇酸树脂漆在油漆的使用中占有相当大的比例，将醇酸树脂水性化，在技术上可行，从可持续发展角度也非常必要，因为生产水性醇酸树脂所需的原材料基本不依赖于石油产品。水性醇酸树脂干燥速度较慢，同时其涂膜早期硬度、耐水性和耐溶剂性也较差，另外，由于水性醇酸树脂在油类选择和油度确定上还没有像溶剂型醇酸树脂那么丰富，因此，高装饰性、高丰满度、色彩艳丽的水性醇酸漆，还有待深入开发。为进一步提高水溶性醇酸树脂的性能，需要对其进行各种改性。常用的改性方法有有机硅改性和丙烯酸改性。通过改性后可以获得良好的保色性、保光性、耐候性、耐久性、耐腐蚀性、快干性及高硬度等，克服了常规水性醇酸树脂涂料贮存稳定性差，干燥速度慢，早期硬度、耐水性和耐溶剂性较差等弊病。

        3）水性烘干漆通常以含羟基的水性聚酯树脂或水性丙烯酸树脂与水性氨基树脂或水性封闭型多异氰酸酯为交联剂在高温下反应固化成膜的一类涂料。该类涂料具有附着力好、耐水性、硬度高、韧性好、光泽高、外观效果好、生产效率高等诸多优点，是汽车工业或流水涂装作业的理想水性漆产品。但是为了满足烘干涂装效果，水性烘干漆中还是要加入一定量的助溶剂，会对VOC的控制有影响。

        4）水性环氧涂料以水性环氧乳液、防锈颜料、功能填料、水性助剂配以水性环氧固化剂组成。水性环氧树脂以相反转乳化法制备的水性环氧乳液在稳定性和耐腐蚀性方面较佳，分子中含有极性的羟基、醚键等，对多种底材形成较强的吸引力。而且环氧树脂分子中没有不饱和键，漆膜固化时收缩力小，仅为2%左右，分子中的醚键使分子链柔软便于旋转，可以消除冷热变化造成的内应力，这样可以保证整个配套漆膜在受到外界环境破坏时，整个漆膜的良好配套性。

        5）双组份水性聚氨酯涂料一般使用含大量羟基的水分散型多元醇制漆，配以脂肪族异氰酸酯固化剂固化成膜，因树脂中酯键和脲键的存在，漆膜的柔韧性、机械强度、耐磨性等十分优异。高聚物分子之间可形成非环和环形氢键，在外力作用下，氢键可分离而吸收外来的能量。当外力去除后可重新形成氢键，如此的氢键裂开又形成的可重复性使漆膜具有高度的可修复性和耐光老化性。

4 水性漆应用的特点和注意事项

        我们在生产、使用等各个环节应该正确把握水性漆的特点，发挥其长处避免其缺点，无论在生产还是使用，水性漆除了环保，还有易清洁、现场环境好清理、火灾隐患低等优点。最大的问题是如何保证良好的施工质量和漆膜性能。

        由于水的特性较有机溶剂有较大的差别，熟知这些差异非常重要。水的表面张力比有机溶剂大的多，但是可以通过加入助剂的方法降低表面张力，对底材润湿、表面流平方面略逊于溶剂性油漆，但应用基本影响不大。

        水的汽化温度高，会导致涂料喷涂时不易挥发、雾化时不易蒸发、蒸发时受环境湿度影响大。溶剂的挥发受温度影响大，但可以采用不同沸点的溶剂进行调整；水的蒸发受湿度影响大，只能通过环境湿度调整。

        大多数水性漆为非牛顿流体，在施工粘度上有别于溶剂性油漆，可以通过试验确定在原漆中的加水比例，因为加水量和粘度变化并非呈线性关系。

        水性漆的应用需特别控制气泡的产生。水性涂料采用与溶剂型涂料相同的烘烤工艺，易导致漆膜中水分的残留从容产生气泡，因此在水性涂料中导入预热工艺，从而防止烘烤时出现气泡、控制因体积收缩造成的流挂以及表面流平。

5 水性漆的市场应用分析

        水性漆的研究方向和应用领域主要集中在四个大的领域：钢结构行业、汽车零部件和机械设备、汽车涂装、轨道交通涂装等。

        钢结构行业用水性漆品种以水性丙烯酸、水性醇酸、水性环氧酯、水性无机富锌、水性环氧类为主，其中水性丙烯酸、水性醇酸、水性环氧酯以防锈为主，水性无机富锌、水性环氧漆可以达到中度耐腐蚀的要求，从产品性能和应用结果来看，总体效果不错，性能有保障。但是也暴露出一些问题，由于施工环境差、温湿度难控制、室外作业和底材处理不到位等原因，漆膜易出现闪锈、开裂、干燥慢、防锈性变差等问题。

        基于环保、降低工人危害、降低火灾隐患的要求，汽车零部件（车桥、传动轴等）、机械设备等的涂装越来越多的由溶剂型油漆更换成水性漆。应用的品种以水性丙烯酸漆、水性醇酸漆、水性环氧酯漆为主，根据不同的施工条件选用不同的产品。该类漆可以满足汽车零部件对油漆性能的要求，某些产品的性能甚至超过了溶剂型同类产品。但同样在施工环境方面需要改进，以适应水性漆的特点。

        汽车是油漆涂料行业的用漆大户，用量仅次于建筑涂料，汽车漆也是性能要求最高，涂装技术要求最高的品种。水性汽车漆的应用时间较短，经过了十多年的发展，其涂膜性能与溶剂型涂料相比不相上下，但受设备投资大、作业环境要求严格等制约，推广和普及还需时日。目前比较成熟的水性汽车漆配套体系为阴极电泳漆+水性中涂漆+水性底色漆，罩光清漆还采用溶剂型产品。其中水性中涂漆为水性聚酯氨基类产品，水性底色漆以水性丙烯酸氨基类产品为主。

        轨道交通车辆用涂料的发展也趋于水性化，欧美发达国家已经逐步将水性漆在轨道车辆上开始应用，阿尔斯通公司、西门子公司、庞巴迪公司都有水性漆项目在应用。国内尚处于起步阶段。轨道车辆用水性漆基本采用自干或低温烘干双组份体系，涂层结构为水性环氧底漆+水性聚氨酯中涂+水性丙烯酸聚氨酯面漆。水性环氧底漆具有附着力好、耐腐蚀性优、配套性好的特点；水性聚氨酯中涂具有封闭腻子层缺陷、提高被涂物表面平整度、易打磨的优点，同时与底、面层的配套性良好；水性丙烯酸聚氨酯面漆具有耐老化、光泽高、耐污染的特点，兼具保护性和装饰性于一体。

6 结语

        我国涂料行业的发展正处于重要的战略机遇期，在政策导向和环保法规的要求下，大力发展和应用环境友好型的水性涂料对中国涂料企业和应用企业责无旁贷，为改善我们的生存环境做出努力，发展的同时创造的是绿色GDP。从技术角度讲我们与国外涂料巨头在这一领域的差距并不大，我们也应该以此为契机体现民族工业的创造力和创新能力。对于水性漆的使用者也应该加大设备改造的投入力度，改善施工环境，为水性漆的良好应用创造条件。