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水性涂料基础知识 内部培训用 2010年1月8日 编制 王勇 2 目录 1 前言2 水性涂料的定义及类型3 发展水性涂料的意义4 水性涂料的发展现状及前景5 水性涂料的优点及不足6 水性涂料的配方特点及成份组成 7 水性涂料的生产工艺8 水性涂料的施工方法及应用9 水性涂料的成膜特性10 水性涂料的理化性能指标11 水性油墨的补充说明附 VOC HAPs说明 水性涂料常见问题分析 3 前言随着涂料工业的发展 一个新的问题日益被人们所关注 即有机涂料对环境的污染问题 在涂料工业中 所用的溶剂和助剂中常含有挥发性有机化合物 VOC 它们挥发到空气中会造成空气污染 除此之外 有害空气污染物 HAPs 重金属等有毒有害物质也对环境和人体健康造成危害 4 为了减少涂料对环境的污染 绿色涂料的概念应运而生 绿色涂料是低公害 或无公害 和低毒 或无毒 的涂料的总称 常常也称为 环境友好涂料 或 环保涂料 这类涂料对生态环境所造成的危害很小或者没有危害 也不会影响到人类健康 为实现这一目标 涂料工业的研究和生产主要向四个方向发展 即高固体份涂料 无溶剂涂料 粉末涂料和水性涂料 5 2 水性涂料的定义及类型水性涂料是指以水为主要分散介质的涂料 根据树脂在水中的分散状态 通常将水性涂料分为三类 水溶型涂料 乳液型涂料和水分散型涂料 根据成膜物的类别 水性涂料又可分为 水性无机高分子涂料 如硅溶胶涂料 水性有机涂料 水性有机无机复复合涂料 还可按树脂类型 离子类型 涂装方式等分类 6 水溶型涂料 由水溶性树脂制备的 通过在树脂中引入较多亲水基团以增加其在水中的溶解性 特点为 涂膜有较好的外观 但干燥性 耐水性 耐溶剂性均较差 乳液型涂料 是在水中 树脂分散粒径大于0 1 m的水分散体 其配制的清漆通常为乳白色不透明状 特点为 具有良好的力学性能 干燥性 耐水性及耐腐蚀性 乳液型涂料是目前研究最深 应用最广的水性涂料 典型代表为建筑内外墙涂料 7 水分散型涂料是在水中 树脂分散粒径很小 通常在0 01 0 1um 的水分散体 其配制的清漆通常为透明或半透明 无色或微白色 特点为 水分散型涂料的涂层较紧密 外观状态较好 耐水和耐腐蚀性均较优良 其成膜物的理化性能明显优于水溶型及乳液型涂料 在工业用涂料及部份民用涂料领域正逐步取代溶剂型涂料 是一类很有发展前途的水性涂料 8 3 发展水性涂料的意义实际上 水性涂料并非完全不含有机溶剂 在实用中 为提高涂料的各种性能所添加的助溶剂 助剂 固化剂等 都可能含有部分有机溶剂 此外 各种助剂 填料 颜料带入涂料的重金属 同样会给水性涂料带来不环保的因素 因此 水性涂料并不能简单等同于绿色涂料或环保涂料 但是 水性涂料和涂料的水性化 极大地降低了有机溶剂的用量及对环境的污染 这为涂料工业向绿色 环保方向迈进提供了坚实的基础 9 4 水性涂料的发展现状及前景水性涂料在涂料工业发展中的地位已为世人所共识 有资料介绍 目前世界涂料总量中 水性涂料占30 以上 其中以建筑涂料 55 和工业涂料 28 的应用最为重要 在建筑涂料方面 欧美日等发达国家的水性涂料比例高达70 90 在德国达到93 而在工业涂料中 水性涂料占总量的20 30 此外 功能性水性涂料也已被广泛应用于道路标志 家具 金属 保温体系等多个领域 10 近几年来 我国涂料工业水性化的进程十分迅猛 取得良好业绩 其中尤以建筑涂料最为突出 目前我国建筑涂料的水性化比例约占75 左右 与国际基本同步 工业涂料中 水性涂料的比例也在逐步上升 目前主要集中在皮革漆 木器漆 地坪漆 装修漆等领域 在金属防护 塑胶 机车等领域的应用也在逐步推广 涂料行业科技中长期发展规划 中提出 未来10年中 我国将大幅削减传统溶剂涂料 在工业涂料中的比例 使其所占份额由 11 目前的50 锐减至5 用10 15年时间 对传统涂料产业实行新技术嫁接与改造 最终将传统溶剂涂料市场份额缩减至1 以下 这些规划为包括水性涂料在内的环保型涂料的发展提供了难得的机遇 随着国外客商对出口制品表面涂层的进一步环保要求 在家电 玩具等领域的很多出口件上 已被指定必须用水性涂料 石油化工原料的进一步涨价而导致的油性涂料成本上升 涂料施工人员对自身健康的日益重视 越来越多的油性涂料市场份额将不得不被水性涂料所取代 与此同时 我们应趁此机遇 大力推广我司的水性树脂系列产品 12 5 水性涂料的优点及不足优点 节约能源 消除施工中火灾危险性 降低环境污染 水性涂料通过用水代替传统溶剂型涂料中的有机溶剂 从而降低涂料的VOC含量 具有显著的环保特征 与高固体份涂料相比 水性涂料所含有机溶剂大为减少 与粉末涂料相比 水性涂料生产设备简单 节省能源 与紫外光固化涂料相比 水性涂料的制备工艺简单 不需要高能源的消耗 13 在湿表面和潮湿环境中可直接涂覆施工 可采用电泳涂装 使涂膜均匀 平整 展开性好 具有很好的防护性 电泳涂装是一种涂装方式 涂装工具可用水清洗 减少清洗溶剂的消耗 安全无毒或低毒 不燃不爆 易消光 但较难获得高光泽及高丰满度的漆膜 14 不足 水的蒸发潜热高 较许多溶剂挥发慢 如二甲苯 丁酯 需延长干燥时间或提高烘烤温度 漆膜在自干时 环境空气湿度大时 80 明显影响其干燥速度 对于敏感的材料 如纸张 不易涂装或涂装后易产生缺陷 配漆时采用的某些树脂易水解或对配方中其它成份较敏耐造成析出胶化 影响涂料的贮存和使用性能 浩海的树脂通常不存在此问题 15 水的表面张力大 使得涂料对基材的润湿困难 基材表面的污物易使涂膜产生缩孔 因此水性涂料在施工过程中对材质表面的清洁度要求较高 涂膜中残留的亲水基团会降低涂膜的耐水性能和防腐蚀性能 某些理化性能与溶剂型涂料相对尚存在一定差距 针对不同底材 浩海有对应的耐水及防腐蚀性优异的树脂 敬请留意 16 6 水性涂料的配方特点及组成成份由于水性涂料存在的上述不足 在配方设计时常采用添加各种助剂加以克服 如助溶剂用以提高涂料的稳定性和挥发速度 成膜助剂用以提高涂层的质量 分散剂和增稠剂用以提高涂料的抗沉降性 防锈剂用以防止涂层对金属基材的锈蚀 触变剂用以提高涂料的施工性能等等 与相应的溶剂性涂料相比 水性涂料的配方往往十分复杂 选用的原料有时可多达十几至几十种组分 17 水性涂料通常由 水性树脂 颜填料 助剂 水组成 某些水性涂料中由于树脂合成时带入或出于配方设计的需要 可能含有部份有机溶剂 其中水性树脂是水性涂料的主要成膜物质 其在水性涂料中的用量通常占总配方量的60 85 其性能的好坏直接影响水性涂料的最终性能 如贮存稳定 施工性能 成膜物的理化性能等 故水性树脂的选择是至关重要的 且在配方设计时最被工程师们所关注 18 颜填料 许多可与溶剂型的通用 但应注意 水性涂料用的颜填料必须是耐碱的 因水性涂料自身的PH值是微碱性的 对涂膜耐水要求高的场合 不宜用水溶性大的颜填料 有专门用于水性涂料的铝银浆 在采用某类颜填料时 应先试验其与水性树脂的兼容性 以防其影响涂料的贮存稳定性 因颜料自身所带电荷属性与水性树脂电荷属性相差太大而导致水性树脂产生破乳凝胶化现象 某些颜填料在涂料生产时的加入工艺与溶剂型涂料不同 如消光粉的加入 需先用水润湿后再加入 19 水 所使用的水必须是去离子水 因一般自来水中所含的钙镁等离子太多 这会影响水性涂料的贮存稳定性及干速 助剂 助剂在水性涂料中是必不可少的组份 其直接影响到水性涂料的贮存 施工 涂膜理化性能等 常用的有 润湿分散剂 流平剂 消泡剂 增稠剂 缓蚀剂 防霉杀菌剂 催干剂 成膜助剂 共溶剂 消光剂 PH值调节剂等 20 PH值调节剂 水性涂料只有在微碱性条件下才能有较好的贮存稳定性 故通常选用PH值调节剂将其PH值调至8 9 常用的有胺水及其改性物等 成膜助剂 通常为高沸点的有机溶剂 大多微溶于水 其作用是降低水性涂料的最低成膜温度 其在水性涂料自干时的作用最为明显 常用的有丙二醇醚类 21 共溶剂 通常为高沸点的有机溶剂 在低温下可能会用部份低沸点溶剂 其有一定的水溶性 其作用是起流平和防桔皮 缓干或快干 常用的有NMP N 甲基吡咯烷酮 丙二醇甲醚醋酸酯等 在选用时应注意 低分子醇类 如异丙醇 易使PUA或PUD类树脂产生破乳现象 进而影响贮存稳定性 故在选用共溶剂时 应将其加入涂料中作贮存稳定性测试 50 C水浴7d 无异常即可 增稠剂 其在水分散型涂料中是常用的一种助剂 因水分散型性树脂自身的触变性低 加之水的挥发速度慢 涂料在施工中往往会出现流挂现象 添加合适的增稠剂往往能解决此问题 在选用时应注意很多类的增稠剂加入后会影响漆膜的最终耐水性 如膨润土类 纤维素类 聚氨酯类缔合型增稠剂 对耐水性影响较小 22 防冻剂 受环境温度的影响 如低于0 C 水性涂料或水性树脂的冻结和熔化过程可能会造成表观粘度的升高或乳液的凝聚而造成报废 常用的防冻措施是向其内加入甲醇 丙酮 乙二醇及甘油等防冻剂 降低乳液的冻结温度 部份成膜助剂及共溶剂也有此作用 此类溶剂可能在水性树脂出厂时已添加 因此在设计涂料配方前应咨询相关供货方 且其不是必须加入的物质 加入会增加VOC量 23 7 水性涂料生产理论上水性涂料的生产工艺流程可与油性涂料相同 但因某些水性树脂本身对温度较敏感 如很多水性醇酸类树脂在温度超过55 C时很容易发生破乳现象 故在需磨料及高速稠度分散下应适当调整工艺 或树脂合成时本身存在缺陷及不稳定性 此现象在许多技术不成熟的树脂合成厂家较为明显 此时如出于成本等因素考虑可与生产方讨论最佳生产工艺 以下就AC PUA PUD三类水性树脂生产工艺作出讨论 以下助剂的加入工艺 除供应方指明要用特定的方法外 均可参考此工工艺 24 生产色漆 水性树脂 纯水 助剂 如开稀后的消泡剂 分散均匀 边中速分散边加入各类通用色浆 高速分散均匀 调色至标样 边中速分散边加入剩余物料 纯水 开稀后的增稠剂 成膜助剂等 中至高速分散均匀 加入开稀后的流平剂 中速分散均匀 磨通用色浆 纯水 分散剂 其它助剂 如开稀后的消泡剂 分散均匀 边低速分散边加入色粉 高速分散均匀 研磨至规定细度 砂磨 球磨 三辊均可 补加配方中剩余材料 纯水 防冻剂等 25 B 水性清漆 水性树脂 纯水 助剂 如开稀后的消泡剂 分散均匀 边中速分散边加入剩余物料 纯水 开稀后的增稠剂 成膜助剂等 中至高速分散均匀 加入开稀后的流平剂 中速分散均匀 水性涂料生产注意事项 A 批量生产的水性涂料 必须先行作小样贮存稳定性测试 可采用加温贮存法 B 增稠剂的加入 固体类增稠剂应先将其溶解成水溶液 再加入 液体类增稠剂需先用3 5倍的水开稀 然后在上述工艺阶段加入 加入时应边搅拌漆料边将其缓慢加入 并搅匀充分 应注意防止局部增稠剂浓度过高而使水性涂料产生结团或颗粒 26 C 膨润土类增稠剂 因其在水中会电离 应将其和所用水性树脂进行相容性试验 以免因其电离的离子和水性树脂中乳化剂的离子电性相异 而引起破乳现象 D 消泡剂的加入 最好先行用2 3倍的水或助溶剂类开稀分散后再加入 E 流平剂的加入 建议在制漆的最后阶段加入 因其在加入之前 其涂料中可能已加入增稠剂 故不推荐高速分散 以免产生过多气泡 遇到较难分散的流平剂时 可先用3 5倍水将其分散均匀 然后往里加入部份生产中间段的漆料 高速分散均匀后 再加入生产中间段的漆料中 中速分散均匀 F 颜料的选择 立德粉不能和汞盐防霉剂同用 以免引起涂膜泛黄 一般不用氧化锌和铅白 以免增稠和凝结 可参考上节中颜料部份的建议 27 G 搅拌 应注意某些厂家的水性树脂不能进行高速长时间分散 应高速搅拌可能会造成其破乳 机械稳定性不良 浩海化工的水性树脂不存在此现象 H 在水性涂料的生产中应尽量避免其接触易产生金属离子的器物 如易生锈的铁缸 在包装时建议用塑胶桶包装 磨料时尽可能避免使用金属珠类球磨机 28 8 施工工工艺施工方法 与溶剂型涂料大致相同 水性涂料也可采用喷涂 刷涂 淋涂 滚涂等施工工艺 在固化工艺上根据不同涂料固化要求可分为 自干 烘烤 紫外线辐射固化等 除对水敏感的一些底材外 理论上水性涂料可应用于所有溶剂型涂料所应用的场合 注意事项 A 注意施工环境的湿度及温度 通常要求湿度5 CB 如是自干水性涂料 则干燥时应注意其最低成膜温度 29 9 水性涂料的成膜特性水性涂料的成膜过程与溶剂型涂料有所不同 其经历了水分 及部份溶剂 挥发 乳液粒子聚集 粒子压缩 粒子融合聚结 成膜五个阶段 30 通常含有外加交联剂及固化剂或自身带有可交联反应基团的水性涂料 其交联反应从粒子融合聚结阶段开始 这种交联反应将极大地提高涂膜的理化性能 扫描电子显微镜下乳液形成的膜 31 10 水性涂料的理化性能指标水性涂料的供货指标通常包括 PH值 漆液外观 固含 粘度 贮存稳定性等 水性涂料的成膜物性能指标与溶剂型涂料基本相同 包括 漆膜外观 硬度 附着力 冲击 耐水 耐化学品 耐候等 具体性能要求 依用途及客户的不同需求而有所差异 32 11 水性油墨的补充说明水性油墨 又称水基油墨 随着人们对环保及工作环境健康的重视 越来越多的溶剂型油墨被水性油墨所代替 当前在打印用墨水 印刷用油墨 鞋材及皮革用油墨等领域都在逐步应用水性油墨 水性油墨与水性涂料在原材料 如助剂 树脂 颜料 方面有许多是通用的 在水性树脂方面 针对水性油墨的特殊要求 如高柔韧性 浩海化工有相应的产品可供应用 敬请留意相关产品说明 水性油墨的施工工艺 丝印 胶印 滚涂 喷涂等在成膜特性 理化性能指标上 水性油墨与上述的水性涂料类似 33 VOCVOC是英文有机挥发物 volatileorganiccompound 的缩写 VOC含量是涂料界最为关心的问题之一 许多VOC会严重损害人的肝 肾和中枢神经系统 刺激呼吸道和口腔粘膜 有些还有致癌和致畸作用 VOC对动植物的危害也是十分严重的 对环境的破坏可能造成物种的毁灭 这主要表现在对空气和水的污染 光化学反应产物的危害 以及地球臭氧层的破坏导致太阳辐