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1058 107 涂料 制备 研究 只有 说明书

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1058-107无醛涂料的制备与研究（只有说明书）,1058,107,涂料,制备,研究,只有,说明书

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毕业设计（论文）题 目： 107无醛涂料的制备与研究 学 院： 环境与化学工程学院专业名称： 材料化学班级学号： 06023317学生姓名： 向顺成指导教师： 熊联明教授二O一 O 年 六 月 毕业设计（论文）外文翻译题目 20世纪到21世纪水性涂料面临的技术挑战专 业 名 称 材料化学班 级 学 号 06023317学 生 姓 名 向顺成指 导 教 师 熊联明教授填 表 日 期 2010 年 3 月 8 日本设计已经通过答辩，如果需要图纸请联系QQ 251133408 另专业团队代做毕业设计，质量速度有保证。1 前言1.1 107无醛涂料简介107涂料是上世纪80年代初期开发的,以聚乙烯醇缩甲醛为主要成膜物的涂料。仿瓷涂料、冷瓷涂料、803涂料等均为此种涂料的商名。尽管上世纪60年代我国就有了乳胶漆的生产技术,但由于107涂料以价格低廉适应了当时的社会发展水平和人民生活的要求,所以曾风靡一时,占据了我国建筑涂料的大部分市场。但是，在多年使用中,107涂料暴露出一些致命的缺陷。其中最大的危害当属107涂料中含有的有害物质甲醛。传统107涂料的主要成膜物质107胶的生产,是在聚乙烯醇中加入甲醛,进行醇醛缩合反应而生成的胶状体混合物,由于聚乙烯醇是分子量很大的高分子化合物,与甲醛反应时反应阻力很大,通常条件下很难与甲醛反应完全1,这样大量的致癌物质甲醛就会残留在107胶中,当107胶用作107涂料的主要成膜物质时,107胶中的未反应甲醛就全留在107涂料中，危害人们的健康。目前市场上的107涂料绝大部分都含有甲醛这一有毒、有害成分，加之传统107涂料的耐寒性差、游离甲醛含量高，其应用范围受到很大限制2。聚乙烯醇（PVA）在酸性条件下与甲醛反应生成的聚乙烯醇缩甲醛胶，因具有粘接力强、黏度大、成本低廉等优点，也曾在建筑装饰装修中广泛应用。随着人们环保意识的增强，国家对缩醛类胶水中游离甲醛挥发量的限制越来越严格。近年来人们为降低缩醛类胶水中游离甲醛挥发做了大量工作，并取得了一定进展3-7，但这些改性方法只能降低胶粘剂中游离甲醛的含量，而不能完全消除。因此，研制新型无毒害的107涂料已是107涂料市场发展的必然趋势。无醛107涂料即是在107胶的生产制备过程中选用某种交联物质来替代传统的甲醛，使得107胶中完全不含有甲醛这一有毒物质，在生产源头将甲醛这一有毒物质去除，从而保证了制备的新型107涂料完全适应市场的需要，亦符合国家的环保要求。以聚乙烯醇作为主要成膜物制得的建筑涂料具有水溶性好，成膜性能优良，价格低等优点，得到了广泛使用6，但聚乙烯醇分子中含有大量的羟基，亲水性大，单纯以聚乙烯醇作为成膜物的建筑涂料，因耐水性差而受影响。如何提高聚乙烯醇类涂料的耐水性是建筑涂料行业迫切需要解决的问题。目前普遍采用化学改性的方法，使其耐水性得到改善，常用的有甲醛改性聚乙烯醇，但因游离甲醛的刺激气味及毒性使其应用范围受到限制，用聚醋酸乙烯、丙烯酸乳液、硅溶胶等改性8，都存在一定问题，改性工艺复杂，可操作性差，引入原材料品种多，成本高。因此，需要寻找新的无醛方式来对107涂料进行改性。1.2 脲素改性聚乙烯醇反应机理107胶耐寒性差是由于聚乙烯醇在水中的氢键效应所致。聚乙烯醇在水溶液中易发生缔合反应，水被氢键截留在无定型区和结晶区。在无定型区，它们是相对游离的;在结晶区，则呈缔合状态。因此，提高107胶的耐寒性应使结晶区的水缔合状态发生改变。解决的有效办法是通过聚乙烯醇的高缩醛化，使107胶的结晶区改变制备的关键是原料配比、合成工艺和反应终点，提高胶的缩醛化度，使其具有较高的粘度和较好的耐寒性。在一定条件下加入适量的脲素，可以达到这一效果。反应式如下：1.3 硼酸钠改性聚乙烯醇反应机理聚乙烯醇(PVA)是一种强亲水性经基聚合物，要想改善其耐水性，必须把PVA分子中的羟基掩蔽起来，或者使羟基与其它分子结合生成难溶于水的物质。本文加入硼酸钠，水解后会生成硼酸，其作用是使PVA分子中的OH基团与硼酸分子进行化学反应，硼酸的BO键断裂，与聚乙烯醇形成CBO键，从而使聚乙烯醇分子得以交联，提高了耐水性，其反应式如下:1.4 异氰酸酯（TDI）改性聚乙烯醇反应原理TDI在水溶液中,同PVA的反应比较复杂,其主要交联反应为TDI交联PVA分子链,生成甲苯二氨基甲酸聚乙烯醇酯。交联反应可继续进行,也可相互交错进行,生成交联度更大的高分子化合物。由于以水为溶剂,交联剂TDI与水反应生成甲苯二胺和脲,该反应产物很容易被氧化成醌,而使粘合剂带棕黄色9。另外,TDI自身也可二聚、三聚。利用动力学原理,控制反应温度、原材料配比等来控制交联度抑制副反应、避免较深的颜色、保证交联改性反应的有效进行。1.5 国内外研究进展国内这几年涂料市场的发展非常迅猛，但国家对其环保要求也是越来越高。据笔者了解，水性涂料国家标准自实施之日起，不达标的涂料产品不再允许生产；自2010年7月1日起，不达标的产品不再允许在市场上销售。从2010年5月份起，由环境保护部颁布的涂料环境标准环境标志产品技术要求防水涂料正式实施。水性涂料国家标准规定：不得人为向防水涂料中添加乙二醇醚及其酯类、邻苯二甲酸酯、二元胺、烷基酚聚氧乙烯醚、支链十二烷基苯磺酸钠、烃类、酮类、卤代烃类溶剂。同时，水性涂料国家标准对挥发性有机化合物、放射性、甲醛、苯、苯类溶剂、固化剂中游离甲苯二异氰酸酯等物质也提出了限值要求。在国外，环境保护已成为一项重中之重的事业。随着现代化工业的发展，环境污染越来越受到人类的重视，各国政府都相继制定了有关法规，美国从66项法规发展到现在的1113项法规，对建筑涂料的有机挥发物（VOC）的限制作出了更为明确的规定。其有机挥发物含量从100mg/l限定到50mg/l。日本和欧美国家也都在环保法规上对有机挥发物含量给出了限定标准，世界环保的要求和呼声，使涂料的开发研究朝着低污染环保型的方向深化。建筑涂料在生产、使用中的挥发物质是主要的环境污染源之一，因此，减少有机挥发物的含量已经成为国外建筑涂料发展的总趋势。目前，国内外大多都是着力降低107涂料中游离甲醛的含量，例如：张占柱等人在改性107胶的制备研究1中通过高缩醛化等方法使得107涂料中游离甲醛的含量0.35%; Pedram Fatehi等人通过高分子电解滴定和胶质滴定等方法10来改性涂料中游离甲醛的含量; Huining Xiao等人通过添加纤维来改性涂料11。目前取代甲醛用别的物质作交联剂来制备107建筑涂料这样的研究还是比较少的，用聚醋酸乙烯、丙烯酸乳液、硅溶胶等改性，都存在一定问题，比如：改性工艺复杂，可操作性差，引人原材料品种多，成本高，等等。1.6 项目的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题研究内容：传统107建筑涂料的成本低廉、容易制备，但它的粘结强度和耐水、耐潮性能较差，加之含有甲醛等有害物质，其应用范围越来越受到限制。选用无毒无害的交联剂来替代甲醛完成聚合反应，同时使所得产品的基本性能不发生变化成为一个关键的问题。本文采用三种不同种类的交联剂进行改性，完全不用甲醛等有毒有害物质作为交联剂、从产品源头上保证所制得的产物符合国家的环保要求。另外，采用正交等实验方法确定每一种交联剂的最佳实验条件，通过比较三种交联剂在最佳实验条件下所制得107涂料的力学性能确定哪种交联剂最为合适。研究目标：(1) 确定每一种交联剂与聚乙烯醇(PVA)反应的最佳实验条件；(2) 制备出水溶性、力学性能较高的107无醛涂料并测定其基本力学性能；(3) 通过比较确定最佳交联物质及反应条件。拟解决的关键问题：(1) 由于聚乙烯醇(PVA)极容易聚合，因此确定交联剂的含量成为一个关键问题。(2) 测试产品的各种性能。(3) 综合分析各种产品。2 实验部分2.1 实验试剂及仪器2.1.1 实验试剂 实验试剂详见表2.1。表2.1 实验试剂药品名称化学式纯度生产厂家聚乙烯醇1799(CH2CHOH)nCP上海精细化工科技有限公司硼酸钠Na2B4O710H2OAR江西科技精细化工厂脲素CH4N2OAR上海试一化学试剂有限公司甲苯-2,4-二异氰酸酯C9H6N2O2AR上海试一化学试剂有限公司氢氧化钠NaOHAR上海实验试剂有限公司丙酮CH3COCH3AR汕头市陇西化工有限公司磷酸三丁酯CH2=CHCOOC4H9CP上海化学试剂供应五联化工厂六偏磷酸钠(NaPO3)6AR上海试一化学试剂有限公司钛白粉TiO2AR汕头市陇西化工有限公司立德粉 ZnSBaSO4AR无锡市泽辉化工有限公司滑石粉Mg3Si4O10(OH)2AR南昌市明瑞化工有限公司轻质碳酸钙CaCO3AR上海市奉贤试剂厂2.1.2 实验仪器实验仪器详见表2.2。表2.2 实验仪器仪器名称型号生产厂家调温恒温电热套HDM500上海精宏实验设备有限公司电热恒温鼓风干燥箱1011BS上海跃进医疗器械厂数显恒温水浴锅HH2国华电器有限公司无极恒速搅拌器D2巩义市英谷予华仪器厂电子天平PL203海特勒（上海）仪器有限公司旋转式粘度计NDJ7上海天平仪器厂秒表4504广州麦斯卡发展有限公司初粘性测试仪QTG上海精宏实验设备有限公司漆膜附着力试验仪QFZ天津永利达材料试验机有限公司2.2 实验内容2.2.1 以脲素为交联剂制备107涂料122.2.1.1正交实验表的确定13实验选择粘度为主要参考指标，采用四个不同的反应因素作为正交实验表的四个因素，分别为：A反应温度（）；B反应时间（min）；C交联剂与聚乙烯醇（PVA）的摩尔比。每个因素拟定3个水平(见表2.3)，选用L4(23)正交表进行正交实验（见表2.4）。表2.3 正交实验因素水平表因素水平A反应温度（）B反应时间（min）C交联剂与聚乙烯醇（PVA）的摩尔比175201.2:1285301.5:1L4(23)正交实验因素表如表2.4所示表2.4L4(23)正交实验因素表实验号列号ABC11112122321242212.2.1.2 107胶的制备向装有电动搅拌器、滴液漏斗和温度计的三口烧瓶中加入92ml的去离子水，搅拌下慢慢加入8.0g聚乙烯醇（PVA）。逐步升温至A，搅拌溶解。溶解后加入浓盐酸，调至PH值为C,继续保温A，加入Dg交联剂硼酸钠，反应Bmin,反应结束后降温至约60，慢慢滴加30%的氢氧化钠溶液，调节反应液至PH值7.07.5。撤去热源，继续搅拌片刻即可。2.2.1.3 107涂料的制备在一烧杯中取2.2.1.2中制得107胶50g，分别加入1.0g六偏磷酸钠、1.4g钛白粉、2.8g立德粉、2.8g滑石粉、15.0g轻质碳酸钙、0.1g磷酸三丁酯，搅拌混匀，即得107涂料。测所得涂料的粘度作为主要参考指标，确定最佳实验条件。2.2.1.4 107涂料性能的研究在最佳实验条件下重复2.2.1.2，2.2.1.3步骤，测试涂料的附着力、初粘性、表干时间、成膜性、粘度、固含量等参数。2.2.2 以硼酸钠为交联剂制备107涂料14-152.2.2.1 107胶的制备在电加热炉上，向装有电动搅拌器、滴液漏斗和温度计的三口烧瓶中加入92ml的去离子水，搅拌下慢慢加入8.0g聚乙烯醇（PVA）。逐步升温至95以上，搅拌溶解。溶解后将三口烧瓶移至恒温水浴锅中，加入适量5%的NaOH溶液，调至PH值为7左右,反应温度控制在70左右，分别加入0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05gNa3BO3为交联剂，反应60min,反应结束后降温至约50，撤去热源，继续搅拌片刻即可。五组实验编号分别为0.01%号、0.02%号、0.03%号、0.04%号、0.05%号。2.2.2.2 107胶的性能测试分别测试0.01%号、0.02%号、0.03%号、0.04%号、0.05%号涂料的附着力、初粘性、表干时间、成膜性、粘度、固含量等参数，绘制曲线，确定最佳配比。2.2.2.3 107涂料的性能测试选取最佳配比实验条件下的107胶50g，分别加入1.0g六偏磷酸钠、1.4g钛白粉、2.8g立德粉、2.8g滑石粉、15.0g轻质碳酸钙、0.1g磷酸三丁酯，搅拌混匀，即得107涂料，重复2.2.2.2实验操作步骤。2.2.3 以异氰酸酯为交联剂制备107涂料15-192.2.3.1 107胶的制备在电加热炉上，向装有电动搅拌器、滴液漏斗和温度计的三口烧瓶中加入92ml的去离子水，搅拌下慢慢加入8.0g聚乙烯醇（PVA）。逐步升温至95以上，搅拌溶解。溶解后将三口烧瓶移至恒温水浴锅中，加入适量5%的溶NaOH液，调至PH值为7左右,反应温度控制在50左右，分别加入0.03g、0.05g、0.1g、0.2g、0.3g甲苯-2,4-二异氰酸酯交联剂，反应90min,反应结束后降温至约30，撤去热源，继续搅拌片刻即可。五组实验编号分别为0.03%号、0.05%号、0.1%号、0.2%号、0.3%号。（注：0.1%号实验加入适量丙酮考察丙酮对反应体系的影响。）2.2.3.2 107胶的性能测试分别测试0.03%号、0.05%号、0.1%号、0.2%号、0.3%号涂料的附着力、初粘性、表干时间、成膜性、粘度、固含量等参数，绘制曲线，确定最佳配比。2.2.3.3 107涂料的性能测试选取最佳配比实验条件下的107胶50g，分别加入1.0g六偏磷酸钠、1.4g钛白粉、2.8g立德粉、2.8g滑石粉、15.0g轻质碳酸钙、0.1g磷酸三丁酯，搅拌混匀，即得107涂料，重复2.2.3.2实验操作步骤。3 结果与讨论3.1 实验数据记录与结果处理3.1.1 脲素体系表3.1：正交实验数据表实验号列号粘度（mpa.s)A（）B（min）C：配料比175201.21810275301.53210385201.52710485301.25710表3.2：实验条件数据分析表试验号因素ABC504575848959/22522.537.5/24144.529.5极差R16228优化条件A2B2C1最佳实验方案：B2A2C1在最佳实验条件下测得的实验参数如下表3.3（注：初粘性采用15号钢球、30夹角）：表3.4：各项性能测试表附着力初粘性表干时间成膜性粘度六级24047min一般63mpa.s固含量测试如下表3.5：固含量测试表面皿质量M皿胶体质量M1灼烧后质量M2固含量8.590g2.585g8.989g84.6%3.1.2 硼酸钠体系以硼酸钠为交联剂制备的107胶的各项性能如下表3.6表3.6以硼酸钠为交联剂的各项性能测试性能实验号0.01%0.02%0.03%0.04%0.05%附着力二级二级二级三级三级初粘性93420927842173246表干时间2h20min2h30min2h30min3h3h30min成膜性一般较好较好最好较好粘度12100mpa.s26100mpa.s33100mpa.s59100mpa.s36100mpa.s固含量性能测试表面皿质量M皿9.017g9.561g8.614g8.968g8.581g胶体质量M12.382g3.349g2.269g4.181g4.804g灼烧后质量M29.232g9.885g8.822g9.317g8.990g固含量91.0%90.3%90.8%91.7%91.5%图3.7初粘性曲线图3.8表干时间曲线图3.9粘度曲线图3.10固含量曲线3.1.3 异氰酸酯体系以甲苯-2,4-二异氰酸酯为交联剂制备的107胶的各项性能如下表3.11表3.11以甲苯-2,4-二异氰酸酯为交联剂的各项性能测试性能实验号0.03%0.05%0.1%0.2%0.3%附着力三级二级一级一级二级初粘性5211137342325281333表干时间2h50min3h3h20min4h6h成膜性一般较好最好较好较好粘度5100mpa.s16.5100mpa.s38100mpa.s20100mpa.s9100mpa.s固含量性能测试表面皿质量M皿9.691g8.742g8.160g8.472g8.091g胶体质量M12.131g2.655g2.301g1.901g2.795g灼烧后质量M28.886g9.026g8.263g8.696g8.298g固含量90.8%89.3%95.5%88.2%92.5%图3.12初粘性曲线图3.13表干时间曲线图3.14粘度曲线图3.15固含量曲线3.2 实验数据的讨论3.2.1 脲素体系由表3.13.5可知：以脲素作为交联剂所制得的107胶的粘度都不是特别的大，在最佳实验条件下所得107涂料的粘度也只有63mpa.s，再者，所得涂料的附着力、初粘性、表干时间、成膜性、固含量等实验参数都不甚理想，究其原因，我想是因为脲素分子结构式上的羰基活性不高，无法充分与聚乙烯醇进行进行交联反应所致，所以可以得出，脲素不适合作为107涂料的反应交联剂。3.2.1 硼酸钠体系由图表3.63.10可以知道：以硼酸钠作为交联剂所制得的107胶在粘度、附着力、初粘性、表干时间、成膜性、固含量等实验参数上都是很理想的，这是因为加入体系中的硼酸钠水解后会生成硼酸，其作用是使PVA分子中的OH基团与硼酸分子进行化学反应，硼酸的BO键断裂，与聚乙烯醇形成CBO键，从而使聚乙烯醇分子得以交联，再者，高活性的Na+也可以加速交联反应，所以制得的107胶的性能都较为优异。图 3.8中表干时间是随着交联剂含量的上升而逐步增加的，而图 3.7、3.9、3.10都显示，所得107胶的粘度、初粘性和固含量都在0.04%时达到最大值，如再增加交联剂的的含量则会有所递减、由于Na+含量过高，实验中也会出现凝胶现象。所以，0.04%号实验所制得的107胶是最理想的。3.2.3 异氰酸酯体系由图表3.113.15可以知道：以甲苯-2,4-二异氰酸酯作为交联剂所制得的107胶在粘度、附着力、初粘性、表干时间、成膜性、固含量等实验参数上也都比较理想的。但是，除了加入丙酮的0.1%号实验，其它实验所得107胶都是略微带棕黄色甚至是红色。由于以水为溶剂,交联剂TDI与水反应生成甲苯二胺和脲,该反应产物很容易被氧化成醌,而使粘合剂带棕黄色9。而图 3.12、3.14、3.15都显示，所得107胶的粘度、初粘性和固含量都在0.1%时达到最大值，而成膜性、附着力等定性实验也都证明，加入丙酮的0.1%号实验产品的性能最好，这些都是因为若不加入丙酮，异氰酸酯与水会发生反应，而且反应温度越高，由于拉平效应，异氰酸酯与水反应的速率会逐渐接近与主要成膜物质聚乙烯醇的反应速率，但是加入丙酮之后，由于异氰酸酯与丙酮能够互溶而且丙酮也极易溶于水中，所以它与水反应的趋势会大大降低。因此可以得出结论，丙酮有助于异氰酸酯发生交联反应，0.10%号实验所制得的107胶最理想。4 结论(1)脲素分子式上的羰基活性不高，不适合做107涂料的交联剂。(2)硼酸钠分子式中的BO结构和高活性的Na+有助于加速制备107胶的交联反应，反应体系中硼酸钠的百分含量为0.04%时所制得的107胶的性能最优，但当体系中硼酸钠的百分含量大于0.05%时会出现凝胶现象。(3)异氰酸酯（和丙酮联用）非常适合做制备107胶的交联剂，丙酮的加入可减缓交联反应中拉平效应的趋势，所得产品的粘度、附着力、初粘性、表干时间、成膜性、固含量都非常合适，异氰酸酯的百分含量在0.1%时制得的107涂料性能最好。(4)同样作为交联剂，与异氰酸酯相比，使用硼酸钠作交联剂所得产物在粘度、初粘性等实验参数上优于异氰酸酯，但它在固含量、成膜性、附着力等方面却不如异氰酸酯所得产物，特别是在成膜性上，加入丙酮的0.1%号实验的成膜性是所有实验中做好的，因此，异氰酸酯最适合替代甲醛，作为107无醛涂料的反应交联剂、且百分含量在0.1%左右。参考文献1 庄义.为什么要淘汰107涂料J. 中国涂料.1999,4:44-46.2 张占柱，赵雅琴，靳明君 等.改性107胶的制备研究J.河北化工学院报,1994,18(20):61-63.3 梁柏林,周民杰.环保型DAS-PVA建筑胶粘剂的制备J. 新型建筑材料.2007,57(2):57-59.4 曾丽娟,蓝仁华.改性聚乙烯醇内墙涂料的研制J.化学建材,2005,21(2):14-16.5 刘义,王洪艳,万建华 等.环保型水性涂料的研制J.化学世界,2004,4:189-192.6 柯丽军,黄仕锋.聚乙烯醇缩甲醛的研制J.贵州化工,2005,30(5):17-24.7 姚兴芳,郭英,贾堤,等.环保型聚乙烯醇胶黏剂的研制J.山东建材,2005(6):41-44.8 牛永生,牛晓玉，刘德峥 等.改性聚乙烯醇建筑涂料的研制J.化学工程师,2000,(8):26-27.9 方禹声,朱吕民 等编.聚氨酯泡沫塑料N.北京:化学工业出版社,1984:1225.10 Pedram Fatehi,Huining Xiao.Adsorption characteristics of cationic-modified poly (vinyl alcohol) on cellulose fibersA qualitative analysisJ.Colloids and Surfaces A,2008,327(3):127-133.11 Pedram Fatehi,Huining Xiao.Effect of cationic PVA characteristics on fiber and paper properties at saturation level of polymer adsorptionJ.Carbohydrate Polymers,2010,79(2):423-428.12 张健,王克明.低甲醛含量脲醛树脂粘合剂的合成方法研究N.研究报告及专论,2007,28(1)：41-43.13 谢文胜.正交试验研制改性聚乙烯醇缩醛胶J.天津化工，1995,4:4-5.14 夏赤丹,余汉年,张春玲.三苯基甲烷三异氰酸酯和硼砂交联聚乙烯醇水性粘合剂J.化学研究与应用,2003,15(5):731-735.15 夏赤丹,张春玲,吴望喜 等.甲苯二异氰酸酯和硼砂交联聚乙烯醇环保乳胶的研究J.新型建筑材料,2003,4:12-14.16 李坚,戴文杰.水分散性异氰酸酯交联剂的合成与性能初探J.江苏石油化工院学报,2002,14(4):22-24.17 钟安永,陈德本,肖德泉 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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，值得注意的是许多成功的涂料（通常用于减缓或者防止腐蚀）都是用于各种材料的运输和渗透。大气中的氧气渗透进入食物、二氧化碳渗透进入碳酸饮料、药物渗透进入身体，电荷渗透进入设备，这些热渗透都在一个等温环境中或易受腐蚀的环境中进行的，而此种环境中水和离子材料的渗透是水性涂料在生产运输过程中最需要考虑的因素。因此人们也长期致力于防止或者是减缓涂料在长期使用过程中化学和力学性质的降低。水性涂料大规模工业化所面临的挑战阻碍水性涂料发展的关键因素在于其高昂的成本和固化手段的局限性。毫无疑问，这些问题包括大量资本和能源的消耗，资金周转，库存积压等等。生产过程中热量对敏感基体的损伤也是其中的一个制约因素。直接的解决方法就是降低固化温度、减少固化时间，还可以从已经引起人们注意的化学反应和催化剂这两个方面着手，来解决问题。或者，除开简单的固化反应，如果能找到一种修复反应使得基体重新被激活，在不损失涂层表面的基础上将问题解决，这样是最好的。目前，已经有一些文献开始介绍用于放射性治疗（与紫外光、电子束甚至是可见光配合使用)的水性涂料，这方面的研究将扩大水性涂料的使用领域12。粉末涂料和水性涂料都可以作为创新和研究的对象。而水性涂料所面临的主要挑战在于如何均一修复半透明涂层（要求被修复涂层不受各种辐射的影响）和复杂形状的涂层。可以在很多地方或者可以从实验室中找到新开发出来的水性涂料的事例，这些事例都对应着新世纪影响水性涂料发展的五要素中的一个或者几个。可能没有全部五项都对应，但至少都有一项是对应着的。人们需要一个评估系统来测试水性涂料中的成分（特别是有机挥发物质）对于环境的影响，而且这个系统还可以提高水性涂料中抵抗环境侵蚀（特别是抗冲击性能）、耐久性和耐腐蚀性等性能，这些性能的研究可能需要十年时间。这种需求已经与现代水性涂料的发展体系结合在一起。现代涂料的应用有着四层要求：第一，水性涂料要求应用于电镀涂层上（这对于重金属来说已是非常简单的了）；第二，水性涂料的粉末底料要求不含有机挥发物；第三，水性涂层的有机颜料要求含有极少的有机挥发物和空气污染物；第四，水性涂料的表层要求含有不超过20%的有机挥发物，而且还要求有较好的抗冲击性能、抗酸雨、化学攻击和化学曝光的性能。当然，所有的应