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水性醇酸樹脂涂料的研究及應(yīng)用
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http://china-zesir.com 發(fā)稿日期:2006-7-11
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涂料是國民經(jīng)濟各部門不可缺少的配套材料 , 廣泛應(yīng)用于各類建筑物、各種工業(yè)制品和交通工具的裝飾與保護以及各類鋼鐵設(shè)施如碼頭、海洋石油鉆井平臺、輸變電塔等的防腐保護。隨著科技的發(fā)展 , 涂料的功能和應(yīng)用領(lǐng)域正在逐漸完善和擴大 , 涂料的消費水平也已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的重要指標 [1 ] 。
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我國涂料的總產(chǎn)量已躋身世界前列 , 在產(chǎn)品的產(chǎn)量、品種、質(zhì)量、技術(shù)裝備水平有了長足的進步。但是隨著人們環(huán)保意識的不斷增強以及我國加入 WTO后國外企業(yè)紛至沓來 , 現(xiàn)有的民族涂料工業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn) , 如何降低生產(chǎn)和使用涂料所造成的污染 , 尤其是對大氣的污染。涂料對大氣的污染主要是由揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 造成的 , 包括能引起大氣層氧化容量和酸度變化 ( 導(dǎo)致酸雨 ) , 還可能產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的碳氫化合物、有機鹵化物、有機硫化物、羥基化合物、有機酸和有機過氧化物等。在涂料的加工和生產(chǎn)過程中釋放出來的 VOC 總量僅次于汽車尾氣而位居第二 , 占 VOC 污染量的 20 % ～ 25 % , 且大多發(fā)生在城鎮(zhèn)等人類聚居區(qū)域 , 其污染作用非常嚴重 , 因此 , 減少和控制涂料中 VOC 的釋放 , 是保護環(huán)境的一個必要措施 [2 ] 。
西方發(fā)達國家對 VOC 的防治起步較早。美國早在 1966 年就制定和實施了著名的加利福尼亞RULE66 法規(guī) ; 在 1977 年 , 美國環(huán)保局 (EPA) 進一步制定了大氣凈化法 CAA (CLEAR AIR ACT,CAA) , 提出了 VOC 的排放標準 ;1990 年又對 CAA 作了進一步的限定和修正 [3] 。歐洲各國也制定了嚴格的 VOC 排放標準 , 最具代表性的是德國的大氣清凈法 [4] 。我國從 20 世紀 80 年代開始也陸續(xù)制定了一些環(huán)保法規(guī)。環(huán)境壓力正在影響全球的涂料工業(yè) , 因此 , 發(fā)展和推廣低 VOC 甚至零 VOC 的環(huán)保型涂料是大勢所趨 [5] 。
環(huán)保涂料是指水性涂料、高固體涂料、粉末涂料和輻射固化涂料等 [6] 。據(jù)統(tǒng)計 ,1998 年美國涂料的總產(chǎn)量已達 650 萬 t, 占全球的 25 %; 同時其環(huán)保涂料的市場份額也逐年增大 ,1999 年水性涂料市場份額高達 61 . 1% 。
而我國傳統(tǒng)溶劑型涂料仍占 55 . 5%, 與發(fā)達國家之間的差距很大 [7] 。
2 水性涂料的優(yōu)點與不足
水性涂料大致分為三類 : 水溶型、乳膠型和水分散型 [8] 。由于水無毒、無味、不燃而且廉價 , 因此 , 將水引入涂料中 , 既可降低生產(chǎn)成本 , 又大大降低 VOC 的含量 , 所以水性涂料才得以迅猛發(fā)展 [9] 。但正是因為水的引入又帶來一系列的新問題 , 比如水的蒸發(fā)潛熱很大 , 加速干燥需要提高溫度 , 而且水的揮發(fā)速度受相對濕度的影響很大 ; 水的表面張力非常大 , 對顏料的分散和涂料的涂布都有不利影響 ; 當水性涂料應(yīng)用于金屬基體時 , 由于水的高導(dǎo)電性可能引起基體腐蝕等 [10] 。為了解決上述問題 , 往往采用在涂料中添加助溶劑、表面活性劑和還原劑等助劑的辦法 , 而這些助劑的添加又不可避免地帶來一定的負面影響�？傊� , 水性涂料的配制遠較溶劑型涂料復(fù)雜 , 也存在一些不足之處 , 但由于它能大大地降低 VOC 含量 , 順應(yīng)環(huán)保趨勢 , 而且能夠滿足許多場合下的性能要求 , 所以我們有理由相信水性涂料是涂料發(fā)展的一大趨勢。
3 醇酸樹脂的性質(zhì)及干燥機理醇酸樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯和聚酯樹脂等是制備水性涂料的主要基料 , 其中醇酸樹脂是發(fā)展最早、產(chǎn)量最大的合成樹脂。研制高性能水性醇酸樹脂涂料 , 對于生產(chǎn)廠商而言 , 產(chǎn)品轉(zhuǎn)型的投入和周期都更容易接受。醇酸樹脂的另一優(yōu)勢是它基本不依賴于石油產(chǎn)品 , 作為一種重要的戰(zhàn)略物資 , 石油的價格和供應(yīng)量受國際形勢的影響很大 , 而且現(xiàn)階段我國的石油消費在很大程度上依賴于進口 , 因此醇酸樹脂具有得天獨厚的價格優(yōu)勢。此外 , 醇酸樹脂的組分和性能可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整 , 僅僅是不同的多元醇和多元酸就能得到性能各異的樹脂 ; 而醇和酸之間官能度之比的變化可控制支化度 , 樹脂原料中羧基之間或羥基之間的碳原子數(shù)能調(diào)整樹脂的柔軟性等 [10] , 這些特點無疑使醇酸樹脂能夠應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。
醇酸樹脂的合成原料是多元醇、多元酸和單元酸 ( 油 ), 其中多元醇常用甘油和季戊四醇 ; 多元酸常用苯酐 , 其次是間苯二甲酸、對苯二甲酸和順酐 ; 單元酸常用植物油脂肪酸、合成脂肪酸等。醇酸樹脂配方的確定很復(fù)雜。在理論上要求樹脂酸值低、相對分子質(zhì)量大 ; 在生產(chǎn)工藝上要求反應(yīng)平穩(wěn)不膠化 : 在應(yīng)用上為了達到不同的目的 , 又要求制備出不同類型的樹脂。醇酸樹脂可分為兩大類 , 一類是通過氧化干燥的 ; 另一類非氧化干燥的 , 后者主要是作增塑劑和多羥基聚合油。從某種意義上來說 , 氧化干燥的醇酸樹脂也可以說是一種改性干性油。干性油的漆膜干燥需要很長時間 , 其原因是它們的相對分子質(zhì)量較低 , 需要很多反應(yīng)才能形成交聯(lián)的大分子。醇酸樹脂相當于 “ 大分子 ” 的油 , 只需少許交聯(lián)點 , 即可使漆膜干燥 , 其漆膜性能當然也遠超過干性油漆膜 [11] 。
醇酸樹脂的氧化干燥可分為三階段 : 誘導(dǎo)期、引發(fā)期和交聯(lián)期 [12] 。誘導(dǎo)期內(nèi)空氣中的氧氣遷移并溶解在涂膜中 , 然后擴散到樹脂或干性油的不飽和雙鍵處 , 此時的干燥速率由氧氣的擴散速率控制。若醇酸樹脂中含有一些抗氧劑如酚類和醌類等雜質(zhì) , 醇酸樹脂的固化反應(yīng)將會延遲 , 即誘導(dǎo)期會較長。引發(fā)期內(nèi)與順式雙鍵相鄰的α碳原子快速形成氫過氧化物 , 同時引起順式雙鍵異構(gòu)化生成反式雙鍵或共軛雙鍵 , 醇酸樹脂的引發(fā)期一般持續(xù) 6h 左右。交聯(lián)期內(nèi)在催干劑的作用下 , 過氧化物分解 , 并形成交聯(lián)結(jié)構(gòu) , 其中的反應(yīng)包括共軛不飽和雙鍵可能和附近脂肪酸上的不飽和雙鍵發(fā)生聚合反應(yīng) , 一些雙鍵 ( 反式雙鍵 ) 被氧化為環(huán)氧化合物 , 環(huán)氧化合物會發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)或進一步氧化導(dǎo)致不飽和脂肪酸鏈的斷裂 , 生成一些小分子可揮發(fā)產(chǎn)物如醛、酮等 , 殘留的以羥基和羥基封端的化合物進一步與以前生成的酯進行反應(yīng)或進行酯交換 , 仍然殘留的將是涂膜的親水點。在整個固化過程中 , 多個反應(yīng)同時發(fā)生。此外 , 醇酸樹脂的種類和催干劑配方不同 , 反應(yīng)類型也不同 , 干燥過程和速率也將不同 , 對最終的涂膜性能影響很大。
4 醇酸樹脂的水性化研究
醇酸樹脂涂料具有很好的涂刷性和潤滑性 , 但也存在一些明顯的缺點 : 涂膜干燥緩慢 , 硬度低 , 耐水性、耐腐蝕性差 , 戶外耐候性不佳等 , 需要通過改性來滿足性能要求。醇酸樹脂分子具有極性主鏈和非極性鍘鏈 , 使其能夠和許多樹脂、化合物較好地混容 , 為進行各種物理改性提供了前提 ; 此外其分子上具有羥基、羧基和雙鍵等反應(yīng)性基團 , 可以通過化學(xué)合成的途徑引入其他分子 , 這是對醇酸樹脂化學(xué)改性的基礎(chǔ) [13] 。
在設(shè)計、合成水溶性醇酸樹脂及其涂裝的領(lǐng)域也已經(jīng)有了大量的研究和開發(fā)。制備水溶性樹脂一般有 3 種方法 : (1) 成鹽法 : 通過酸堿反應(yīng)將聚合物主鏈轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苡谒年庪x子或陽離子 ; (2) 在聚合物中引入非離子基因 ; (3) 將聚合物轉(zhuǎn)變成兩性離子中間體 ; 其中成鹽法已基本實現(xiàn)工業(yè)化。水溶性醇酸樹脂與溶劑型醇酸樹脂具有相同的干燥機理 , 但樹脂種類、金屬催干劑的含量和種類、施工環(huán)境的濕度、溫度和溶劑組成等諸多因素都會影響水溶性醇酸樹脂的干燥性能。另外水溶性醇酸樹脂在貯存過程中由于酯鍵的水解 , 會降低樹脂的相對分子質(zhì)量 ; 加之其本身的相對分子質(zhì)量較低 ; 氧氣在水中的溶解度較低等 , 導(dǎo)致其干燥速率比相應(yīng)的溶劑型醇酸樹脂慢。除干燥速度較慢之外 , 其早期的硬度、耐水性和耐溶劑性較差 , 清漆和色漆的水解穩(wěn)定性也不盡人意 , 所以仍需對其改性。有機硅改性水溶性醇酸樹脂是將有機硅中間體與三羥甲基丙烷、間苯二甲酸和脂肪酸一起反應(yīng)得到一種含羥基的預(yù)聚物 , 然后與偏苯三酸酐反應(yīng)再進行水性化。它具有與水溶性醇酸樹脂類似的施工性能 , 但干燥性能、耐候性、耐久性、耐熱性和耐水解性都得到改善 , 而且還顯示出優(yōu)良的外觀和耐水性 [14] 。目前水溶性醇酸樹脂的研究主要集中在降低涂料的施工黏度 , 消除水溶性醇酸樹脂在水稀釋過程中出現(xiàn)的稀釋峰 , 使用對環(huán)境友好的共溶劑 , 進一步增強薄涂膜的耐腐蝕性 , 改善外觀和降低成本 , 開發(fā)具有特種功能的水溶性醇酸樹脂涂料等方面 [15] 。
此外 , 丙烯酸改性醇酸樹脂具有優(yōu)良的保色性、保光性、耐候性、耐久性、耐腐蝕性及快干、高硬度 , 而且兼具醇酸樹脂本身的優(yōu)點 , 拓寬了醇酸樹脂的應(yīng)用領(lǐng)域。因而具有較好的發(fā)展前景。 Bakule 研究了丙烯酸乳液與水溶性醇酸樹脂混合體系的穩(wěn)定性及涂膜性能 , 這種乳膠 - 水稀釋混合體系涂膜的化學(xué)性能良好而且 VOC 含量較低 [16] 。將丙烯酸改性醇酸樹脂水性化 , 一方面可采用乳液聚合法合成醇酸乳液 , 這種乳液具有比丙烯酸乳液更低的最低成膜溫度 , 而且不需要助溶劑就能形成美觀的涂膜 , 其涂膜性能優(yōu)于丙烯酸乳液 ; 另一方面可用脂肪酸法合成改性水溶 5 水性醇酸樹脂涂料的應(yīng)用
5 . 1 鐵道車輛
隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展 , 鐵路客運量也大幅度增加。鐵路客車幾次提速、客車更新?lián)Q代 , 極大地滿足了廣大旅客對列車在縮短旅行時間、乘坐舒適、視覺美觀等方面的要求。這其中 , 鐵路客車用高性能防護涂料起到了非常重要的作用。根據(jù)防護及裝飾等作用的要求 , 每年僅用于新造客車的涂料用量就在 5 000 t 以上 ; 同時對鐵路貨車用漆的要求也越來越高 [18] 。
近 20 年來 , 鐵道車輛用涂料及涂裝經(jīng)歷了幾次變化 , 涂料檔次和涂裝的工藝水平有較大的提高。涂料品種中的底漆由酚醛、醇酸鐵紅或磁化鐵防銹漆改為環(huán)氧酯磷酸鋅或鉻酸鋅底漆 , 膩子由酯膠、有膏膩子逐步改為環(huán)氧酯或不飽和聚酯膩子 , 面漆由則丙烯酸改性醇酸、脂肪族聚氨酯替代了大部分普通醇酸漆。
曹立安等研制開發(fā)了水溶性厚漿醇酸樹脂漆 , 產(chǎn)品已先后通過鐵道部四方車輛研究所、國家涂料質(zhì)量監(jiān)督檢測測試中心、鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心的檢測 , 顯示出優(yōu)異的物理機械性能、耐腐蝕性和耐候性 [19] 。
5. 2 汽車工業(yè)
汽車涂料是工業(yè)涂料中用量最大的品種 , 在汽車工業(yè)發(fā)達的國家中處于主導(dǎo)地位 , 一般占涂料總產(chǎn)量的 15 % ～ 20 %, 因此它對涂料工業(yè)的影響具有舉足輕重的作用。未來對汽車涂料要求是 : (1) 環(huán)境保護效果好 ; (2) 商品競爭力強 ; (3) 涂膜性能佳 ; (4) 設(shè)備投資少。汽車車身涂料是汽車涂料的主要代表 , 一般由底涂層、中間涂層和面涂層三層或底漆層與面涂層兩層構(gòu)成。底涂層即底漆。國外制造汽車底漆用的主要漆基是各種改性的環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂以及一些優(yōu)質(zhì)的水溶性樹脂 [20] 。
5. 3 船舶工業(yè)
船舶涂料發(fā)展的總方向是省力化、高效化、低毒化、安全化、無公害化、功能化和省工程化以及通用化 [21] 。目前水線以上的船殼主要是醇酸涂料 , 此外還有氯化橡膠類、有機硅改性醇酸、聚氨酯改性醇酸、丙烯酸改性醇酸等 , 其中 93 % 的船殼涂料是醇酸樹脂和氯化橡膠類 , 美國海軍則以有機硅改性醇酸為主 [22] 。
苯乙烯改性醇酸樹脂涂料具有三大特點 , 即粘接力強、耐水性好和干燥速度快。由于耐水性 , 它一直是我國內(nèi)河船舶漆首選產(chǎn)品。它的防潮、防蝕性能在軍事工業(yè)、炮彈貯存方面亦獲得應(yīng)用。
性醇酸樹脂 , 能提高水性醇酸的耐黃變性及干燥速度 [17] 。
5. 4 建筑領(lǐng)域
2000 年我國建筑涂料需求量 100 多萬 t, 在我國建筑涂料中 , 外墻涂料占 49 %, 內(nèi)墻涂料占 21 %, 其余 30 % 為地坪涂料等。我國建筑涂料中溶劑型涂料占 60 %, 當然內(nèi)、外墻涂料以水性涂料為主 , 但其中低中檔品種占 70 %, 而且在高檔產(chǎn)品的研發(fā)和市場推廣方面 , 國產(chǎn)品牌顯得力不從心 ; 以至于諸如立邦漆等國外品牌短短幾年內(nèi)就在國內(nèi)家喻戶曉 [23] 。
丙烯酸醇酸涂料的特點是光澤高 , 一般在 90 % ～ 100 %, 實干時間 8h, 并且保色、保光性優(yōu)于醇酸樹脂 , 丙烯酸醇酸涂料性能良好且易刷涂施工 , 使它成為最佳民用漆品種之一 [24] 。
6 結(jié) 語
只有大力開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能涂料才能趕超世界先進水平 , 使我國不僅是涂料生產(chǎn)的大國 , 而且是涂料研發(fā)的強國。水性醇酸樹脂繼承了醇樹樹脂的優(yōu)點而且可以通過改性獲得良好的耐候性、耐水性、耐腐蝕性、附著力、干燥性等 , 同時水性涂料大大地降低了 VOC 的含量 , 順應(yīng)了環(huán)保的要求 , 因此水性醇酸樹脂涂料是一個很有發(fā)展前景的品種。隨著對水性醇酸樹脂涂料的研究逐漸深入 , 必將推動環(huán)保涂料的應(yīng)用 , 進而促進整個環(huán)保事業(yè)的發(fā)展
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