外文翻译---20世纪到21世纪水性涂料面临的技术挑战 中文版.doc

20世纪到21世纪水性涂料面临的技术挑战RobertR.MathesonJr.摘要涂料技术是在人类掌握的最古老的技术之一。相对来说，水性涂料包括有机物涂料例如：血液，鸡蛋和2000年以前就已经开始使用的从植物中萃取出来的萃取物质。而且，随着水性涂料原材料和制备、应用技术的逐渐提高，水性涂料开始被连续地大范围地使用。但是，纵观所有年代和历史文明，从水性涂料作为保护手段和装饰手段这一根本目的来看，它依然存在某种缺陷。本文试图通过分析水性涂料的研究和发展方向的关键问题所在，从现代科技角度对水性涂料在新世纪的发展趋势做一个预测，从而可以作为21世纪研究水性涂料的开始。前言人类装饰各种不同物质表层的历史已有数千年了。完成此项任务最为行之有效的方式就是在被保护或者被装饰物质的表层涂上一层耐久性、黏附力等特性都达到应用要求的新型材料。这种新型的材料就是水性涂料。可以想象，水性涂料早期的研究历史是一部非常规但又是专门研究的历史书籍。人们经常用各种不同的物质混合来做实验，用当时手头上有限的、可从自然界获取的材料意外地达到了他们的目的。人类祖先流下来的珍贵遗产依然影响着当今涂料世界，尽管现在的大都分水性涂料都大量采用人工合成物质作为原料，但还是有一些水性涂料使用天然物质合成，被稀薄地涂抹在物体表层。现如今，水性涂料要求能够简单让大众使用；涂抹之后能够在短时间内固化；要求涂料在生产、使用过程当中对环境的综合影响最小；能够较好抵抗环境的腐蚀作用；并且可以提供良好的经济价值。以上是笔者总结的影响当今水性涂料生产和发展的五个重要因素。水性涂料命名原则在水性涂料漫长、分散和经验主义的历史演变和发展过程中留下了一些晦涩难懂而又容易混淆的词汇1。弄清楚经常使用的三种既相互区别有可互换的用语会非常有帮助。亮漆(来自阿拉伯语lakk)是一种在物质成膜时没有共价键干预的涂抹在表层的水性涂料（通常由溶剂的蒸发物制得）。相反，油漆（来自于中世纪拉丁语系）是一类本质上要求成膜物质在应用过程中发生化学反应的水性涂料。而搪瓷漆（来自于德语）是油漆家族中的一个部分，它的生产过程中用到了固化（烘干）这一步骤。在以前，这些区分是明显而具有针对性的，但是，现在水性涂料的发展使得这些区别越来越小。不过，面对水性涂料日新月异的发展，这些区别还是能够突出其特殊性的。使水性涂料对环境的影响降到最低的方法被公认为一项重大技术难题的是如何减少或者排除现代涂料当中有机挥发物质(VOCS)2。在今天人口数量庞大、工业化程度极高的城市中，有机挥发物引起了许多环境问题。说得更清楚一点，这个问题是水性涂料引起的最为严重的问题。水性涂料中相互不起化学反应的组分完全依靠某一人工助剂(组分中的溶剂)使它们能够发挥作用，而且使用完之后必须去除那些帮助涂料起保护和装饰作用的组分。较低的溶解度会使得有机挥发物质在水性涂料的使用过程中挥发出来，这是由于使用过程中产生的热量所致。当加热的涂料冷却后，它可以达到人们装饰、保护的目的，但是涂料的使用也存在一定的局限性，因为当温度过高时它有可能再次变得柔软或者扭曲。更进一步说，由于大多数涂层是无定形态或半晶质态，它的抗压和抗冲击能力开始引起人们的关注，人们担心在低温状态下它的这两种能力能否达到要求3。水性涂料中可以被人们接受的有机挥发物质是那些不对环境造成危害的物质（例如二氧化碳和水）。由于高压的要求，液态或超临界态二氧化碳在工业应用中受到限制。水是更容易广泛使用于水性涂料的溶剂，但它也不是万能的，用水作为溶剂的问题在于：涂料在相对湿度不同的环境中使用，必须不断地改变它的干燥时间，而这种改变也是不可避免的。因为相对湿度几乎每个小时都改变，所以这是个复杂的问题。事实上，现今所有的水性涂料都含有机挥发物质，与传统的、使用常规有机溶剂的水性涂料相比，新型水性涂料中有机挥发物的含量已大大降低，但还是或多或少存在。现代水性涂料的发展趋势是：既能够最大程度地保护环境，又可以保留涂料中传统特性、综合性控制、低成本生产这些性质。有机挥发物不仅是水性涂料影响环境的一个因素，更是阻碍其发展的因素。因为在美国，有关所谓空气污染物(HAPs)的章程是非常重要的4，章程明确规定哪些传统芳香溶剂不可以使用，众所周知，大量使用这些溶剂将会引起人类健康方面的疾病。同样，在世界各地也都明令禁止这些溶剂的大规模使用。在重金属使用方面也有着这样一个广泛的制约，但有相当多的特殊金属通过在表层涂抹水性涂料达到使用要求的例子5。水性涂料还有一种应用方法，即是通过电镀的方式在负极给被保护物质的表层镀上一层保护层，例如：给金属镀层镀上一层铬；以各式各样的涂层镀金属铬或者铅；在防止海洋堵塞的物体上镀锡；甚至用水银作为镀层电镀金属以达到抗菌的目的。与其它材料加工的领域相同，电镀技术也必须寻找可供选择的成分，但是没有破坏环境的后顾之忧。虽然取得一定的进展，但是同类型的，特别是关于金属防腐涂层的技术还未被真正找到。消除水性涂料对环境的影响对环境的负面影响和较低的力学强度是所有水性涂料的缺陷，也是制约它发展的关键因素。自然界的腐蚀是多年来难以解决的问题，它严重阻碍了水性涂料的发展。水性涂料可作为水下涂层的一部分，抵抗含水有机体的侵蚀，例如蠕虫；作为外部涂层抵抗某些动物排出粪便的侵蚀，例如鸟、昆虫；最为内部涂层抵抗某些细菌的侵蚀，例如霉菌。这些技术上的难题都是相同的，即在不对环境造成负面影响的基础上使用无毒的水性涂料抵抗这些侵蚀。专门为此项任务研制特殊水性涂料的工作也就应运而生。经验告诉我们，这条道路通常是昂贵而又不完美的，但偶尔会卓有成效。但是，客观地说，完全不使用有毒、或者重金属物质而又达到人们的要求，这样的例子似乎还没有出现。现在有一个新的思路，在被涂抹物质表面产生包含生物化学反应和简单风化反应的轻型化学反应来阻止侵蚀6。举个例子来说，水性涂层的水解可以切断生物腐蚀。如果人们设计的水性涂料水解后能生成防腐、防塞甚至是可达到我们任意目的的产物，那么这将成为一种有效的手段。最大化控制通过水性涂料的分子对于水性涂料来说，防腐是一项重要的任务，水性涂料的传统任务就是保护被涂物体免受环境的影响，这种保护实质上是一种化学和力学性质的保护。油漆就是专门为此目的而开发出来的，在被保护物质表层涂上一层油漆形成一层保护层是一种行之有效的手段，避免物体在使用过程中受到侵蚀。为了控制外界环境的侵蚀，现代水性涂料的生产技术中出现了一个特殊领域，在涂料的各种生产工艺中都不可避免地用到了这些特殊技术。在物体表层的某一区域内涂抹的是一层水性涂层，用于防止侵蚀，而用于防止辐射和控制热量的涂层则被涂抹在物体内部电子元件的密封处。涂抹在钟、表等洁净物体表面的涂层厚度是一个值得关注的问题，这些物体外界细微的温差可能导致水性涂层厚度的改变。另外一个极端的环境则是在铁路机车的棚子中，湿气，温度，气流，表面腐蚀等众多问题都可能导致水性涂层的性质发生巨大变化。在选取水性涂料的各种组分时额外小心是面对这种挑战的一个思路，这样做可以避免许多副反应的产生。不管什么情况，一旦副反应发生，就会带来一定的危害，产生不必要的麻烦。这将导致聚合过程无法受到控制（事实已经证明，某些聚合物例如聚丙烯酸酯的聚合过程无法控制7）。不参与反应的基体材料要严格排除在外，另外要优化实验条件，避免原料的浪费。由于极其苛刻的性能要求，汽车涂料走到了水性涂料应用领域的前沿，在强大经济作用的刺激下，人们生产了大量的汽车。现在已经有一些文献开始介绍关于监测和控制汽车涂料性能的新型综合性分析技术8。用作装饰的水性涂料特别需要添加颜料、云母和某种金属微粒。有效分散这些微粒的手段是在水性涂料的生产过程中大量使用分散剂来分散它们，并且要防止在以后的使用过程中出现复聚。为了使水性涂层分子具有较小的流动性，需要对其进行精密的控制，否则，一旦使用，外界压力会导致微粒复聚、涂层黏附力下降等一系列问题。由于颜料是水性装饰涂料中最为昂贵的成分，因此合理使用、节约成本也是非常重要的。另外，由于原料的集中溶解和使用过程中外界环境的压力，涂层中微粒的分散成为一个突出的问题。但是，日新月异的化学技术使得分散剂有了很大的发展，从而在控制涂层分子这一方面出现了一个较大的飞跃。而且，制造嵌段式共聚物（专为微粒在某一物体表面或者某一溶解环境的亲和力设计）的技术已经被开发并用于商业。这样的专利技术有很多而且越来越多，但是C.Hosotte-Filbert9的专利是一个典型。功能水性涂料在第四届世界涂料学术会议上，水性涂料被描述成具有修复作用的油漆涂料或者是在使用过程中能够起化学反应的亮漆涂料。为了抵抗自然界长期的氧化作用，我们设计了许多类型的功能涂料。在通常人眼中，这种长期的氧化作用被视为麻烦。然而，学会适应并利用它也是有好处的，搪瓷功能涂料中硅氧键的形成、互换就是依靠这种长期的氧化作用10。当然，此种行为会导致涂层外部在光和氧气的环境中受到一定损伤。此外，对压力和破裂起抵抗作用的特种功能涂料还在研制当中11。如今，传统功能涂料的生产控制和运输控制都成为一个难题，值得注意的是