水性涂料的优势及面临的问题

水性涂料的优势及面临的问题随着国民经济的快速增长，我国的涂料产量和用量正以惊人的速度增长，在“十一五”期间成为世界第一大涂料生产和消费国。但是相比发达国家，我国的涂料消费结构不尽合理，高污染的溶剂型涂料占相当大的比重。溶剂型涂料由于在生产和使用过程中释放出大量的挥发性有机化合物（以下简称VOC），会对人体健康带来严重影响。据统计，涂料加工和生产释放出来的VOC量占其排放总量的20%~25%，仅次于汽车尾气的排放而位居VOC污染量第二位[1]。面对日趋严峻的环境问题和巨大的资源、能源消耗，很多国家制定了严格的法律、法规和环保排放标准来限制挥发性有机物的排放，以鼓励和推广使用绿色环保、节能节材的新产品。在我国，《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》、《重点区域大气污染防治“十二五”规划》等文件相继实施，要求采取区域联防联控措施，控制挥发性有机物、氮氧化物等重点污染物，挥发性有机物的污染防治在环境管理中的重要性逐步凸显。《中国涂料行业“十二五”规划》中鼓励符合标准的环境友好型涂料生产（水性木器涂料、水性工业涂料、水性船舶涂料、辐射固化涂料，以及在生产、使用、施工及后处理过程中对环境不造成污染或对环境质量有所改善的涂料生产）。因此，环境友好型涂料是涂料行业发展的趋势。其中，水性涂料因无毒无害、易于净化、低成本、低粘度、无刺激、不燃等特点，成为当今的研究重点。1·水性涂料简介水性涂料是指用水作溶剂或者作分散介质的涂料，包括水溶性涂料、水稀释性涂料、水分散性涂料（乳胶涂料）3种。水溶性涂料是以水溶性树脂为成膜物，主要有聚乙烯醇及其各种改性物及水溶醇酸树脂、水溶环氧树脂及无机高分子水性树脂等。水稀释性涂料主要以乳化乳液为成膜物，以此来溶解树脂，然后在乳化剂的帮助下依靠强烈的机械搅拌使树脂分散在水中形成乳液，称为后乳化乳液，制成的涂料在施工中可用水来稀释。水分散涂料主要是指以合成树脂乳液为成膜物配制的涂料。溶剂型涂料是由颜填料、树脂、溶剂和各种助剂四大部分组成。水性涂料与溶剂型涂料的组成大体相同，但水性涂料需用的助剂更多，配方更复杂，主要由水性树脂、颜填料助剂、中和剂、水等组成。2·水性涂料的发展优势2.1环境友好水性涂料从原料来源到生产及使用的全生命周期，均有利于环境的健康发展。它不仅在生产过程中将易挥发的有机溶剂替代，而且使用时涂装工具可用水清洗，也减少了清洗溶剂的消耗。有机溶剂的生产需要消耗化石原料，在资源紧缺的现阶段是对资源的一大挑战，水性涂料的出现，解决了这一问题。同时，溶剂的削减，大大减少了生产及使用过程中挥发性有机化合物的排放，为改善周边大气环境作出了积极的贡献。马春庆[3]等人对比了不同涂装体系的VOC排放量，结果表明“溶剂型中涂+溶剂型色漆+单组份罩光清漆”工艺体系的VOC排放量为120g/m3，而“水性中涂+水性色漆+水性罩光清漆”工艺体系的排放量仅为28g/m3，排放量大幅度降低。另一方面，水性涂料仅采用少量低毒性醇醚类有机溶剂，有机溶剂挥发量减少，极大改善了工作场所的环境，有利于工作人员的身体健康。一般的水性涂料有机溶剂（占涂料）在10％～15％之间，而现在的阴极电泳涂料已降至1.2％以下，对降低污染节省资源效果显著。2.2减少风险以溶剂中最常见的甲苯和二甲苯为例：甲苯的闪点为4℃，蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1.2%～7.0%（体积）；二甲苯闪点29℃，蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限约为1%～7%（体积）。两者均为易燃物质。因此，溶剂型涂料的易燃易爆原料储存和使用的场所，具有发生火灾爆炸事故的风险。在我国，涂料厂的溶剂储罐发生火灾爆炸事故屡见报道。水性涂料的生产和使用，减少了对易燃易爆原材料的需求，极大地降低了风险。2.3降低成本2.3.1原料成本随着人们对资源能源的需求日益增大，在世界范围内出现资源能源短缺的问题，导致石油乃至下游产品价格持续上涨，作为下游产品的有机溶剂也不例外。资源价格的压力下，以水作为稀释剂的价格优势正得以逐渐显现[4]。2.3.2环境成本传统的溶剂型涂料生产过程中产生大量的有机废气，为了达到排放要求，企业需要配置尾气处理设施及相关的配套设施，并负担日常运行及维护费用。水性涂料的有机废气排放很少，为企业减轻了负担。2.3.3安全成本水性涂料以水作为稀释剂，使之成为更为安全的涂料，从生产到运输再到应用中的火灾隐患较传统溶剂性涂料大幅降低。对于管理者来说，安全方面的投入成本也将相应的降低。综合考虑原材料成本、设备成本、安全成本、职业病减少等因素，水性涂料是具有市场竞争力的。2.4施工条件及外观性能水性涂料由于透气性比较好，基层内部的水蒸气可以向外扩散；而溶剂型涂料成膜致密，如基层的含水率高，水蒸气无法从涂膜挥发掉，容易起泡，因此在对基层的要求上，水性涂料施工的基层含水率应小于10％，溶剂型涂料施工的基层含水率应小于8％，含水率的要求比水性涂料严格。水性涂料对材质表面适应性好，涂层附着力强，在潮湿环境中可直接涂覆施工。水性涂料中水的挥发主要依靠温度和湿度控制，而溶剂型涂料可通过调整稀释剂的蒸发速率来调整涂着固体份。通常，溶剂型涂料的涂着固体份高达60%~70%，而水性涂料的涂着固体份仅为20%~30%，由此可见，水性涂料的平滑性相对较好。3·水性涂料普及的难点3.1技术方面虽然水性涂料对环境的湿度和基层含水率的要求方面优于溶剂型涂料，但在其他方面的适用性不及溶剂型涂料。（1）因水的表面张力大，难以浸润底材，易产生缩孔，水性涂料对施工过程中及材质表面清洁度要求也较高。不论是溶剂型涂料还是水性涂料，工件表面除油质量的好坏，都将影响涂膜的质量。对于溶剂型涂料的喷涂，工件表面除油不彻底，在外观上不易立即显现；但水性涂料的喷涂，如果工件表面除油不彻底，那么其表面就难以形成完整的漆膜。（2）两种类型的涂料分散介质的熔点差异很大，水为0℃，而有机溶剂的熔点相对低很多，甲苯为–95℃，二甲苯为–25℃左右。因此，对于施工温度，水性涂料施工一般要求在5℃以上，而溶剂型涂料在0℃也可以施工。这一要求，严重限制了水性涂料的使用范围。（3）喷涂水性涂料对喷漆室的湿度也有一定的要求，水性涂料在环境相对湿度85%以上时表干缓慢，水溶剂在较饱和湿度环境下无法正常挥发，当湿度过高（达到90%以上）时，在被涂物上的涂膜会流淌下来[5]。因此需要喷漆室有良好的空气循环，保持适当的湿度。（4）由于水的蒸发潜热大，是一般溶剂的5~7倍，往往需提高烘干温度或延长烘干时间。3.2性能方面目前，水性涂料具有普通溶剂型涂料的防护与装饰功能，但是在高装饰性要求的场合，无法达到很高的丰满度，需要溶剂型涂料来实现。3.3思维惯性目前，对于水性涂料的使用尚未出台强制性的要求，而传统的溶剂型涂料广泛地扎根于社会生产、生活的各个方面，专业人士早已熟知其性能，不论是生产方面，还是使用方面都得心应手。要想驾驭水性涂料这一新生事物，需要花费额外的精力去了解和熟悉它的特性。因此受使用惯性的影响，多数人也不愿主动放弃原已稳定使用的溶剂型涂料而承担一定的投资风险去使用水性涂料，这也是水性涂料普及应用遇到的一大障碍。4·展望以水作为稀释剂的水性涂料较溶剂型涂料VOC含量大幅降低，对环境友好，对施工者、使用者的健康无害，在国内已有不少水性涂料企业的成功案例。今后，大力开展基础性研究，降低水性涂料的施工难度、改善使用性能，是水性涂料拓展应用领域、大规模普及应用的当务之急。