高分子论文

水性涂料的应用及前景

摘要：本文总结了水性涂料用高分子分散剂的结构特点、在颜料粒子表面的吸附行为及研究方法、常用种类、以及影响高分子分散剂分散稳定性能的因素,并展望了其发展方向。

关键词:水性涂料，高分子分散剂，吸附，分散，稳定性

涂料是由高分子物质和配料组成的混合物，并能涂覆在基材表面形成牢固附着连续涂膜的新型高分子材料。1867年美国第一个涂料专利的出现标志着涂料科学与技术的开始。涂料也是当代工业的一个不可缺少的配套材料。它与塑料、黏合剂、合成橡胶、合成纤维成为五大合成材料。本文综述了水性聚氨酯(WPU)涂料、水性丙烯酸酯涂料、水性环氧树脂涂料、水性紫外光(UV)固化涂料等几类主要的水性涂料.

1.1水性涂料用高分子分散剂的分子结构特征

高分子分散剂通过静电斥力和立体位阻障碍作用来维持颜料粒子在介质中的性能,为了使分散体系均匀稳定并满足性能要求,吸附在颗粒表面的高分子分散剂的分子结构需要具备以下两个特征:①与固体颗粒表面能形成牢固的结合的锚固段,如-COOH、-COO-、-NR2、-NR3+、-SO32-、-PO43-、-OH等;②在分散介质中有一定长度的溶剂化链段,如聚乙二醇。与传统的表面活性剂型分散剂相比,其结构中的锚固基团及溶剂化链取代了表面活性剂的亲水基团与亲油基团。

1.2超分散剂在颗粒表面的吸附机理

分散剂在分散相上的吸附是其显示润湿分散性能的前提。在水体系中,锚固端一般在颗粒的表面形成吸附,它与颗粒的相互作用与锚固基团的种类和粒子的表面性质有关。固体颗粒与分散剂之间的结合力主要有以下几种:

1.2.1离子对

对于强极性表面的无机物颗粒,当粒子表面电荷和超分散剂官能团带有的电荷相反时,高分子分散剂的锚固基团可与颗粒表面的强极性基团以离子对的形式结合起来,高分子分散剂吸附在颗粒表面,见图1A 。另外,如果粒子表面的酸碱性与锚固基团相反,离子对也可形成。

1.2.2氢键

大多数有机颜料没有荷电点,其表面极性不如无机颜料强, 反应活性也不如无机颜料高, 因此一般不能形成离子对的锚固形式。但由于其分子结构中可能含有氢键给体或受体,如酯基、羰基以及醚键等,因此具备形成氢键的能力,高分子分散剂可以通过氢键锚固于颜料表面。由于氢键的键能较低,单一的氢键难以保证足够的吸附强度, 因此每个高分子分散剂分子中需要含有多个锚固基团(见图1B),宜采嵌段或梳状的分子结构。

1.3各种涂料

1.31 WPU涂料

WPU涂料具有耐磨、光亮、较强的附着力、良好的装饰性和透湿透气性等优点，广泛应用于木器涂料、汽车涂料、纸张涂料、皮革装饰剂等。但其固含量低、耐水性差、干燥速度慢、耐热性不够等缺点限制了其进一步的推广应用。因此通过改性制备性能优异的WPU涂料一直是人们追求的目标。WPU涂料按使用形式可分为单组分和双组分。

单组分WPU属热塑性树脂，聚合物相对分子质量较大， 成膜时只是水挥发到环境中，符合环保要求且操作简单。通过丙烯酸酯改性、环氧树脂改性和交联改性可以提高WPU的性能。丙烯酸酯改性聚氨酯复合乳液(简称PUA)比丙烯酸酯乳液与聚氨酯乳液物理共混体系的性能更优异且稳定性也好，一般用于水性中高档木器面漆。以WPU大单体分子为表面活性剂，将丙烯酸单体加入到种子乳液中，制备以丙烯酸树脂为核，聚氨酯为壳的水性丙烯酸- 聚氨酯的杂合体，不同比例的丙烯酸酯/聚氨酯乳液，其微观结构和涂膜的性能均不同。环氧树脂共聚改性WPU是将环氧树脂与聚合物多元醇同时加入并与多异氰酸酯同时反应。乳液的耐水性以及涂膜的附着力、干燥速率和耐水性等性能都有显著提高。交联改性可以进一步提高WPU涂料的机械性能和耐化学品性能。将功能性单体和带羰基单体接枝在PU链上，带羰基的聚氨酯- 丙烯酸酯共聚物与己二酸二酰肼(ADH)发生自交联反应，产品广泛地应用于木地板涂料及家具涂料等。

自20世纪90年代初， Jacobs成功开发出一种能分散于水中的多异氰酸酯固化剂，从而使双组分WPU涂料真正开始进入实际应用研究阶段。双组分WPU涂料是将含—NCO基团的交联固化剂(也称A组分)加入到含羟基的水性多元醇乳液组成双组分体系，A组分进入乳液微粒内，与B组分大分子链上的活性基团反应， 或在成膜的过程中形成交联结构，以提高相对分子质量从而改善其硬度、光泽、耐磨性及耐热性等。它将双组分溶剂型涂料的高性能和水性涂料的低VOC含量结合起来，是一种环境友好涂料，已成功地应用于木器上，是目前水性涂料的研究热点。

1.3.2水性丙烯酸酯涂料

水性丙烯酸酯涂料相对于WPU涂料具有耐候性佳、保光保色性好等优点，常用于水性

木器底漆、中低档木器面漆以及桥梁、管道、集装箱、工业厂房和公共设施的钢结构等。同时它也存在硬度大、耐溶剂性能差和热黏冷脆等问题。为了解决以上问题，其一可通过粒子设计，进行聚合工艺改性，如核/壳和梯度乳液聚合、微乳液聚合、细乳液聚合等，控制粒子的内部结构和粒子形态；其二是化学改性，即从聚合物分子设计观点出发，在大分子链上引入交联基团，通过交联改性等获得相应的高性能化、高功能丙烯酸酯乳液。

2.1各种水性高分子典型应用及发展动态

2.1.1水性聚氨酯涂料

水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水为溶剂，无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点。

高性能与低 VOC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VOC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。

3结论

随着世界各国环保意识的日渐加强， 环保型的水性涂料必将成为涂料工业发展的主流方向之一。虽然水性涂料已获得了较大的发展， 但还有一些技术性难题有待解决。水性涂料树脂乳液是关键。充分利用聚氨酯、丙烯酸酯乳胶粒子的可设计特性，引入特殊功能的分子结构，如氟、硅聚合物链，使水性树脂或乳液具有更多功能；通过对水性成膜物质合成方

法和工艺的改进，加强先进的乳液聚合技术如梯度乳液聚合、核- 壳乳液聚合、细乳液与微乳液聚合、互穿网络乳液聚合等技术在水性涂料树脂及乳液中的应用，提高水性涂料的内在性能。同时，加强水性涂料体系相关助剂的配套研究。水性涂料由于存在大量的亲水基团， 与同类型的溶剂型涂料相比，耐水性能还有差距。进一步加强对高性价比的水性丙烯酸酯乳液、单组分常温自交联型水性聚氨酯、双组分水性聚氨酯以及水性UV固化涂料等的研究，提高交联密度，形成立体的网状结构；同时着重研究如何使其中的亲水性基团更好地参与固化反应， 使水性涂料在固化成膜后，成膜物质的亲水基团的数量大大下降，从根本上提高涂膜的耐水性能。水性涂料成膜机理以及水性涂料涂装技术的进一步研究，将有力地推动水性涂料的前进。水性涂料成膜受外界环境的影响较大，研究水性涂料的成膜机理将有助于得到较好的涂膜，保证水性涂料的应用效果；同时，水性涂料的发展和涂装技术的发展密不可分，相互促进，无论是车间涂装，还是现场涂装都应朝高效、节能、环保和生态和谐的方向发展。

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