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發展水性材料的重要性

    水性(waterborne)涂料被定義為“配方中的揮發性物質絕大部分是水的涂料”。在水性涂料中,水的獨特物理特性和其普遍存在性決定了水性涂料的使用方法以及科技開發。隨著人們環保意識的不斷提高和環保法規的日趨嚴格,水性涂料將成為21世紀世界涂料市場的主角,目前在我國也擁有巨大的市場。
 
    1·發展水性涂料的重要性
 
    從“水性”兩個字上,我們并看不出這有什么重要意義,水對我們日常的生活中已經司空見慣而習以為常。這里之所以突出水的重要性而經常不提或不重點提及涂料中其它的成分是因為,在這種涂料中“水”取代了或大部分取代了其他種類涂料中討厭的而經常是帶來種種問題的“有機溶劑”。而且從實際工程應用的角度來看,涂料的性能在很大程度上是由溶劑的特性決定的。
 
    水性涂料現在越來越得到人們的關注而取得了長足的進步。其科技進步的動力是對向大氣中排放有機溶劑的限制,這也是粉末型涂料和高固含量涂料發展進步的動力所在。減少有機溶劑的揮發既有環保上的又有經濟上的重要意義。最早的環保考慮始于美國,其最早開始制定政府的法規約束有機溶劑如烯烴、芳香化合物和支鏈酮等光敏性等揮發物。最早的法規是LosAngels郡在1966年7月制定的“六六法規”。原因是LosAngels深受有機溶劑引起的環境問題的困擾,因為其地理環境特點使揮發的有機溶劑聚集在城市上空而經久不散。它們徘徊在城市的上空,常常引起光化學反應產生的大霧而給城市帶來極大的煩惱。美國政府早在1970年就制定了全國范圍內的法規來控制碳氫化合物的排放-就是著名的“清潔空氣法案(ClearAirAc)t”。
 
    水性涂料除了環境保護方面的優點之外,還有其他的許多好處。特別是對于在涂料行業進行施工的工人,水性涂料的廣泛使用可以是他們少受或不受有機涂料潛在的毒害以及免除火災發生的隱患。在廢物的處理方面,一般水性涂料產生的垃圾和溶劑性涂料相比更容易進行無毒化處理。從經濟上來說水性涂料更加惹人喜愛,因為水是工程用溶劑中最便宜和最容易循環利用的溶劑。和經常受石油價格影響的有機溶劑相比,水是最經濟最穩定的選擇。
 
    據報道太原一位高工家里搞裝修,一天高工去工地時,發現3個油漆工都昏死過去,經過緊急搶救后,仍有一人死亡。據了解,由于給家具刷油漆時不能開窗以防止油漆的龜裂,油漆工們晚上覺得氣味難聞,就躲到另一間未刷漆的房間睡覺,沒想到還是中毒了。尤其以在涂料的使用過程中危害最大,而油漆工人往往是最大的受害者。除此之外,涂料使用后的3-6個月中也是最容易危害人體健康的時期。涂料所含的有害物主要有揮發性中苯及苯系物是主要污染物。據了解,苯已經被世界衛生組織確定為致癌物質,可引發癌癥、血液病等。除了施工中的污染不可忽視外,入住后的危害也不能小覷。
 
    正是由于前面提到的水性涂料的種種好處,盡管一些保守主義的涂料使用者還在彷徨猶豫,各種水性涂料已經越來越得到人們的青睞。很多涂料領域的科研工作者越來越多的投身到水性涂料的研究。
 
    2·水性涂料綠色推薦標準及范圍
 
    2002年7月份中國環境標志產品認證委員會秘書處與國家環保總局共同頒布了新的《水性涂料環境標志產品技術要求》,《要求》對現在家庭裝修中使用比較普遍的水性涂料的環保、綠色、健康、安全等標準做了強制性規定。大家熟悉的多樂士、立邦、富亞等成為首批通過新標準的涂料。全國8000多家涂料企業只有30多家的100多種水性涂料達標。
 
    首先是方方面面最關注的VOC(volatileorganiccompound)指標。由于定義不清,許多企業自以為自己的產品已經達到了比國際標準還高的水平。這種誤解源于國家質檢總局頒布的內墻涂料有害物質限量標準、北京市質監局頒布的安全健康質量評價規則兩個有影響的標準,都把VOC定義為一升涂料中揮發性有機物VOC值國標為VOC的含量。但是,世界各國的VOC定義指的是一升涂料中扣除水分干重中VOC的含量,這一差別,導致北京規則的VOC≤125克/升指標,不過相當于國外的250克/升,這是國外水性涂料與溶劑性涂料的分界限。而國家強制性標準的200克/升指標,則相當于國外的410克/升以上,已經出了水性涂料的界限。所以,許多人單憑數值,就說1999年環境標志標準規定的250克/升限值寬于北京規則和國家強制性標準是不對的。由于與國際標準的VOC計量準則相同,1999年的環境標志標準,實際上嚴于上述兩個強制性標準,2002年的環境標志標準,規定內墻涂料≤100克/升,是按美國ASTM方法正確測試計算VOC值,限值與美國標準相同,更嚴于上述兩個標準,體現了綠色推薦產品的高標準、嚴要求。
 
    其次,關于苯、甲苯、二甲苯、乙苯、鹵代烴、甲醛及甲醛聚合物以及重金屬鉛、鎘、鉻、汞等,公眾不清楚,這些都是不得添加的,因此沒有含量高與低之差別,只有遵守“不得添加”這一規則的守法違法問題。許多企業以這些指標作為健康涂料的依據,也是不符合水性涂料實際的。為此,國家環保總局標準中明確說明,所有上述物質,只是為控制雜質帶入的有害物限量,即對顏料、鈦白粉、乳液等因成分不純帶入的有害物予以限制,絕不是允許人為添加。
 
    第三是水性涂料的范圍,除廣為使用的內墻、外墻涂料外,水性木器漆、水性防腐涂料、水性防水涂料、水性聚氨酯涂料也進入綠色推薦標準范圍。僅舉水性木器漆一例,2004年雅典奧運會,全部場館都指定用水性木器漆,因為對家庭裝飾裝修,德國、法國已規定,不能讓左鄰右舍聞到有機溶劑的氣味。為適應這一以人為本的潮流,更多地支持各類水性涂料,是這一新標準的目標。
 
 
 
    3·水性涂料的常見困難
 
    水性涂料和有機溶劑涂料在有些地方是相似的。但是在有些情況下,水性涂料經常要面對一些在有機溶劑涂料沒有的困難。這兩種體系的最大差別在于成膜過程中揮發物的連續相的逐漸消失機理的不同。而成膜過程又對涂料的最終性能有很大的影響因而在受到極大的關注。3.1水性涂料中的水有很高的沸點因此揮發過程十分緩慢,強烈的依賴與環境的濕度。在低濕度情況下,它可能干燥的很快有時會引起裂縫。在高濕度情況下(如熱帶國家尼加拉瓜濕度經常達到78-85%),成膜過程將十分緩慢造成涂料的松垂。需要更多的能量使其干燥,甚至是溶劑型油漆的四倍因為水的比熱較大。
 
    3.2 水性涂料對施工過程中及材質表面清潔度要求高,因水的表面張力大,很不容易侵潤,易使涂膜產生縮孔。在油脂性表面這個問題尤其突出。
 
    3.3 水性涂料對抗強機械作用力的分散穩定性差,輸送管道內的流速急劇變化時,分散微粒被壓縮成固態微粒,使涂膜產生麻點。要求輸送管道形狀良好,管壁無缺陷。
 
    3.4 水性涂料對涂裝設備腐蝕性大,尤其是對鐵制設備的銹蝕。經常需采用防腐蝕襯里或不銹鋼材料,設備造價高。水性涂料對輸送管道的腐蝕,金屬溶解,使分散微粒析出,涂膜產生麻點,也需采用不銹鋼管。
 
    3.5 烘烤型水性涂料對施工環境條件(溫度、濕度)要求較嚴格,增加了調溫調濕設備的投入,同時也增大了能耗。
 
    3.6 水的蒸發潛熱大,烘烤能量消耗大。陰極電泳涂料需在180℃烘烤;而乳膠涂料完全干透的時間則很長。
 
    3.7 沸點高的有機助溶劑等在烘烤時產生很多油煙,凝結后滴于涂膜表面影響外觀。
 
    3.8 形成的涂料層常常對水是敏感的,即使空氣中的水蒸汽含量的增加就會引起涂料的褶皺。
 
    水性涂料雖然存在諸多問題,但通過配方及涂裝工藝和設備等幾方面技術的不斷提高,有些問題在工藝上得到防止,有些通過配方本身得到改善和提高。
 
    4·結論及展望
 
    試圖對于水性涂料的要求、特點和困難作一簡要的涉獵。作為一種新興的“朝陽”類型,水性涂料已經而且還將繼續得到飛速的發展。鑒于對環保、能源和健康的與日俱增的關注,發展水性涂料在可見的將來會得到政府和科技工作者持續而執著的任務。
 
    從技術創新來講,在水溶性、交聯劑和表面活性劑是科研的重點所在。最近在水性涂料的研究發展方向致力于抗應力和環境溫度的變化、提高整體綜合性能、進一步減少共同溶劑的使用。在乳液集合的發展使膠束有自聚結的能力,這種活性聚結物可以減少共同溶劑的使用。水性涂料的綜合性能的提高得力于基于聚氨酯和混合聚合物的新配方以及使用新的交聯成膜方式(如紫外照射)。
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