1058-107無醛涂料的制備與研究（只有說明書）,涂料,制備,研究,鉆研,只有,說明書,仿單 畢業(yè)設計（論文）題 目： 107 無醛涂料的制備與研究 學 院： 環(huán)境與化學工程學院專業(yè)名稱： 材料化學班級學號： 06023317學生姓名： 向順成指導教師： 熊聯(lián)明教授二 O 一 O 年 六 月 畢業(yè)設計（論文）外文翻譯題目 20 世紀到 21 世紀水性涂料面臨的技術挑戰(zhàn)專 業(yè) 名 稱 材料化學班 級 學 號 06023317學 生 姓 名 向順成指 導 教 師 熊聯(lián)明教授填 表 日 期 2010 年 3 月 8 日1本設計已經通過答辯，如果需要圖紙請聯(lián)系QQ 251133408 另專業(yè)團隊代做畢業(yè)設計，質量速度有保證。1 前言1.1 107 無醛涂料簡介107 涂料是上世紀 80 年代初期開發(fā)的,以聚乙烯醇縮甲醛為主要成膜物的涂料。仿瓷涂料、冷瓷涂料、803 涂料等均為此種涂料的商名。盡管上世紀 60 年代我國就有了乳膠漆的生產技術,但由于 107 涂料以價格低廉適應了當時的社會發(fā)展水平和人民生活的要求,所以曾風靡一時,占據了我國建筑涂料的大部分市場。但是，在多年使用中,107 涂料暴露出一些致命的缺陷。其中最大的危害當屬 107涂料中含有的有害物質—甲醛。傳統(tǒng) 107 涂料的主要成膜物質—107 膠的生產,是在聚乙烯醇中加入甲醛,進行醇醛縮合反應而生成的膠狀體混合物,由于聚乙烯醇是分子量很大的高分子化合物,與甲醛反應時反應阻力很大,通常條件下很難與甲醛反應完全 [1],這樣大量的致癌物質甲醛就會殘留在 107 膠中,當 107 膠用作 107 涂料的主要成膜物質時,107 膠中的未反應甲醛就全留在 107 涂料中，危害人們的健康。目前市場上的 107涂料絕大部分都含有甲醛這一有毒、有害成分，加之傳統(tǒng) 107 涂料的耐寒性差、游離甲醛含量高，其應用范圍受到很大限制 [2]。聚乙烯醇（PVA）在酸性條件下與甲醛反應生成的聚乙烯醇縮甲醛膠，因具有粘接力強、黏度大、成本低廉等優(yōu)點，也曾在建筑裝飾裝修中廣泛應用。隨著人們環(huán)保意識的增強，國家對縮醛類膠水中游離甲醛揮發(fā)量的限制越來越嚴格。近年來人們?yōu)榻档涂s醛類膠水中游離甲醛揮發(fā)做了大量工作，并取得了一定進展 [3-7]，但這些改性方法只能降低膠粘劑中游離甲醛的含量，而不能完全消除。因此，研制新型無毒害的 107 涂料已是 107 涂料市場發(fā)展的必然趨勢。無醛 107 涂料即是在 107 膠的生產制備過程中選用某種交聯(lián)物質來替代傳統(tǒng)的甲醛，使得 107 膠中完全不含有甲醛這一有毒物質，在生產源頭將甲醛這一有毒物質去除，從而保證了制備的新型 107 涂料完全適應市場的需要，亦符合國家的環(huán)保要求。以聚乙烯醇作為主要成膜物制得的建筑涂料具有水溶性好，成膜性能優(yōu)良，價格低等優(yōu)點，得到了廣泛使用 [6]，但聚乙烯醇分子中含有大量的羥基，親水性大，單純以聚乙烯醇作為成膜物的建筑涂料，因耐水性差而受影響。如何提高聚乙烯醇類涂料2的耐水性是建筑涂料行業(yè)迫切需要解決的問題。目前普遍采用化學改性的方法，使其耐水性得到改善，常用的有甲醛改性聚乙烯醇，但因游離甲醛的刺激氣味及毒性使其應用范圍受到限制，用聚醋酸乙烯、丙烯酸乳液、硅溶膠等改性 [8]，都存在一定問題，改性工藝復雜，可操作性差，引入原材料品種多，成本高。因此，需要尋找新的無醛方式來對 107 涂料進行改性。1.2 脲素改性聚乙烯醇反應機理107 膠耐寒性差是由于聚乙烯醇在水中的氫鍵效應所致。聚乙烯醇在水溶液中易發(fā)生締合反應，水被氫鍵截留在無定型區(qū)和結晶區(qū)。在無定型區(qū)，它們是相對游離的;在結晶區(qū)，則呈締合狀態(tài)。因此，提高 107 膠的耐寒性應使結晶區(qū)的水締合狀態(tài)發(fā)生改變。解決的有效辦法是通過聚乙烯醇的高縮醛化，使 107 膠的結晶區(qū)改變制備的關鍵是原料配比、合成工藝和反應終點，提高膠的縮醛化度，使其具有較高的粘度和較好的耐寒性。在一定條件下加入適量的脲素，可以達到這一效果。反應式如下：1.3 硼酸鈉改性聚乙烯醇反應機理聚乙烯醇(PVA)是一種強親水性經基聚合物，要想改善其耐水性，必須把 PVA 分子中的羥基掩蔽起來，或者使羥基與其它分子結合生成難溶于水的物質。本文加入硼酸鈉，水解后會生成硼酸，其作用是使 PVA 分子中的 —OH 基團與硼酸分子進行化學反應，硼酸的 B—O 鍵斷裂，與聚乙烯醇形成—C —B—O—鍵，從而使聚乙烯醇分子3得以交聯(lián)，提高了耐水性，其反應式如下:1.4 異氰酸酯（TDI ）改性聚乙烯醇反應原理TDI 在水溶液中 ,同 PVA 的反應比較復雜,其主要交聯(lián)反應為 TDI 交聯(lián) PVA 分子鏈,生成甲苯二氨基甲酸聚乙烯醇酯。交聯(lián)反應可繼續(xù)進行,也可相互交錯進行,生成交聯(lián)度更大的高分子化合物。由于以水為溶劑,交聯(lián)劑 TDI 與水反應生成甲苯二胺和脲,該反應產物很容易被氧化成醌,而使粘合劑帶棕黃色 [9]。另外,TDI 自身也可二聚、三聚。利用動力學原理,控制反應溫度、原材料配比等來控制交聯(lián)度抑制副反應、避免較深的顏色、保證交聯(lián)改性反應的有效進行。1.5 國內外研究進展國內這幾年涂料市場的發(fā)展非常迅猛，但國家對其環(huán)保要求也是越來越高。據筆者了解，水性涂料國家標準自實施之日起，不達標的涂料產品不再允許生產；自 2010年 7 月 1 日起，不達標的產品不再允許在市場上銷售。從 2010 年 5 月份起，由環(huán)境保護部頒布的涂料環(huán)境標準《環(huán)境標志產品技術要求防水涂料》正式實施。水性涂料國家標準規(guī)定：不得人為向防水涂料中添加乙二醇醚及其酯類、鄰苯二甲酸酯、二元胺、烷基酚聚氧乙烯醚、支鏈十二烷基苯磺酸鈉、烴類、酮類、鹵代烴類溶劑。同時，水性涂料國家標準對揮發(fā)性有機化合物、放射性、甲醛、苯、苯類溶劑、固化劑中游離4甲苯二異氰酸酯等物質也提出了限值要求。在國外，環(huán)境保護已成為一項重中之重的事業(yè)。隨著現代化工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染越來越受到人類的重視，各國政府都相繼制定了有關法規(guī)，美國從 66 項法規(guī)發(fā)展到現在的 1113 項法規(guī)，對建筑涂料的有機揮發(fā)物（VOC）的限制作出了更為明確的規(guī)定。其有機揮發(fā)物含量從 100mg/l 限定到 50mg/l。日本和歐美國家也都在環(huán)保法規(guī)上對有機揮發(fā)物含量給出了限定標準，世界環(huán)保的要求和呼聲，使涂料的開發(fā)研究朝著低污染環(huán)保型的方向深化。建筑涂料在生產、使用中的揮發(fā)物質是主要的環(huán)境污染源之一，因此，減少有機揮發(fā)物的含量已經成為國外建筑涂料發(fā)展的總趨勢。目前，國內外大多都是著力降低 107 涂料中游離甲醛的含量，例如：張占柱等人在改性 107 膠的制備研究 [1]中通過高縮醛化等方法使得 107 涂料中游離甲醛的含量≤0.35% ; Pedram Fatehi 等人通過高分子電解滴定和膠質滴定等方法 [10]來改性涂料中游離甲醛的含量; Huining Xiao 等人通過添加纖維來改性涂料 [11]。目前取代甲醛用別的物質作交聯(lián)劑來制備 107 建筑涂料這樣的研究還是比較少的，用聚醋酸乙烯、丙烯酸乳液、硅溶膠等改性，都存在一定問題，比如：改性工藝復雜，可操作性差，引人原材料品種多，成本高，等等。1.6 項目的研究內容、研究目標以及擬解決的關鍵問題研究內容：傳統(tǒng) 107 建筑涂料的成本低廉、容易制備，但它的粘結強度和耐水、耐潮性能較差，加之含有甲醛等有害物質，其應用范圍越來越受到限制。選用無毒無害的交聯(lián)劑來替代甲醛完成聚合反應，同時使所得產品的基本性能不發(fā)生變化成為一個關鍵的問題。本文采用三種不同種類的交聯(lián)劑進行改性，完全不用甲醛等有毒有害物質作為交聯(lián)劑、從產品源頭上保證所制得的產物符合國家的環(huán)保要求。另外，采用正交等實驗方法確定每一種交聯(lián)劑的最佳實驗條件，通過比較三種交聯(lián)劑在最佳實驗條件下所制得 107 涂料的力學性能確定哪種交聯(lián)劑最為合適。研究目標：(1) 確定每一種交聯(lián)劑與聚乙烯醇(PVA)反應的最佳實驗條件；(2) 制備出水溶性、力學性能較高的 107 無醛涂料并測定其基本力學性能；(3) 通過比較確定最佳交聯(lián)物質及反應條件。擬解決的關鍵問題：(1) 由于聚乙烯醇 (PVA)極容易聚合，因此確定交聯(lián)劑的含量成為一個關鍵問題。5(2) 測試產品的各種性能。(3) 綜合分析各種產品。2 實驗部分2.1 實驗試劑及儀器2.1.1 實驗試劑實驗試劑詳見表2.1。表2.1 實驗試劑藥品名稱 化學式 純度 生產廠家聚乙烯醇1799 (CH2CHOH)n CP 上海精細化工科技有限公司硼酸鈉 Na2B4O7·10H2O AR 江西科技精細化工廠脲素 CH4N2O AR 上海試一化學試劑有限公司甲苯-2,4-二異氰酸酯 C9H6N2O2 AR 上海試一化學試劑有限公司氫氧化鈉 NaOH AR 上海實驗試劑有限公司丙酮 CH3COCH3 AR 汕頭市隴西化工有限公司磷酸三丁酯 CH2=CHCOOC4H9 CP 上?；瘜W試劑供應五聯(lián)化工廠六偏磷酸鈉 (NaPO3)6 AR 上海試一化學試劑有限公司鈦白粉 TiO2 AR 汕頭市隴西化工有限公司立德粉 ZnS·BaSO4 AR 無錫市澤輝化工有限公司6滑石粉 Mg3[Si4O10](OH)2 AR 南昌市明瑞化工有限公司輕質碳酸鈣 CaCO3 AR 上海市奉賢試劑廠2.1.2 實驗儀器實驗儀器詳見表2.2。表2.2 實驗儀器儀器名稱 型號 生產廠家調溫恒溫電熱套 HDM–500 上海精宏實驗設備有限公司電熱恒溫鼓風干燥箱 101–1–BS 上海躍進醫(yī)療器械廠數顯恒溫水浴鍋 HH–2 國華電器有限公司無極恒速攪拌器 D–2 鞏義市英谷予華儀器廠電子天平 PL–203 海特勒（上海）儀器有限公司旋轉式粘度計 NDJ–7 上海天平儀器廠秒表 4504 廣州麥斯卡發(fā)展有限公司初粘性測試儀 QT–G 上海精宏實驗設備有限公司漆膜附著力試驗儀 QFZ 天津永利達材料試驗機有限公司72.2 實驗內容2.2.1 以脲素為交聯(lián)劑制備 107 涂料 [12]2.2.1.1 正交實驗表的確定 [13]實驗選擇粘度為主要參考指標，采用四個不同的反應因素作為正交實驗表的四個因素，分別為：A—反應溫度（℃） ；B—反應時間（ min） ；C—交聯(lián)劑與聚乙烯醇（PVA）的摩爾比。每個因素擬定 3 個水平(見表 2.3)，選用 L4(23)正交表進行正交實驗（見表 2.4） 。表2.3 正交實驗因素水平表因素水平A反應溫度（℃）B反應時間（min）C交聯(lián)劑與聚乙烯醇（PVA）的摩爾比1 75 20 1.2:12 85 30 1.5:1L4(23)正交實驗因素表如表2.4所示表2.4L 4(23)正交實驗因素表列號實驗號A B C1 1 1 12 1 2 23 2 1 24 2 2 12.2.1.2 107膠的制備向裝有電動攪拌器、滴液漏斗和溫度計的三口燒瓶中加入 92ml 的去離子水，攪拌下慢慢加入 8.0g 聚乙烯醇（PVA） 。逐步升溫至 A℃，攪拌溶解。溶解后加入濃鹽酸，8調至 PH 值為 C,繼續(xù)保溫 A℃，加入 Dg 交聯(lián)劑硼酸鈉，反應 Bmin,反應結束后降溫至約 60℃，慢慢滴加 30%的氫氧化鈉溶液，調節(jié)反應液至 PH 值 7.0～7.5。撤去熱源，繼續(xù)攪拌片刻即可。2.2.1.3 107涂料的制備在一燒杯中取 2.2.1.2 中制得 107 膠 50g，分別加入 1.0g 六偏磷酸鈉、1.4g 鈦白粉、2.8g 立德粉、2.8g 滑石粉、15.0g 輕質碳酸鈣、0.1g 磷酸三丁酯，攪拌混勻，即得 107涂料。測所得涂料的粘度作為主要參考指標，確定最佳實驗條件。2.2.1.4 107 涂料性能的研究在最佳實驗條件下重復 2.2.1.2，2.2.1.3 步驟，測試涂料的附著力、初粘性、表干時間、成膜性、粘度、固含量等參數。2.2.2 以硼酸鈉為交聯(lián)劑制備 107 涂料 [14-15]2.2.2.1 107膠的制備在電加熱爐上，向裝有電動攪拌器、滴液漏斗和溫度計的三口燒瓶中加入 92ml 的去離子水，攪拌下慢慢加入 8.0g 聚乙烯醇（PVA） 。逐步升溫至 95℃以上，攪拌溶解。溶解后將三口燒瓶移至恒溫水浴鍋中，加入適量 5%的 NaOH 溶液，調至 PH 值為 7 左右,反應溫度控制在 70℃左右，分別加入 0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05gNa 3BO3 為交聯(lián)劑，反應 60min,反應結束后降溫至約 50℃，撤去熱源，繼續(xù)攪拌片刻即可。五組實驗編號分別為 0.01%號、0.02%號、0.03%號、0.04%號、0.05%號。2.2.2.2 107膠的性能測試分別測試 0.01%號、0.02%號、0.03%號、0.04%號、0.05%號涂料的附著力、初粘性、表干時間、成膜性、粘度、固含量等參數，繪制曲線，確定最佳配比。2.2.2.3 107涂料的性能測試選取最佳配比實驗條件下的107膠50g，分別加入1.0g六偏磷酸鈉、1.4g鈦白粉、2.8g立德粉、2.8g滑石粉、15.0g輕質碳酸鈣、0.1g磷酸三丁酯，攪拌混勻，即得107涂料，重復2.2.2.2實驗操作步驟。2.2.3 以異氰酸酯為交聯(lián)劑制備 107 涂料 [15-19]2.2.3.1 107膠的制備在電加熱爐上，向裝有電動攪拌器、滴液漏斗和溫度計的三口燒瓶中加入 92ml 的9去離子水，攪拌下慢慢加入 8.0g 聚乙烯醇（PVA） 。逐步升溫至 95℃以上，攪拌溶解。溶解后將三口燒瓶移至恒溫水浴鍋中，加入適量 5%的溶 NaOH 液，調至 PH 值為 7 左右,反應溫度控制在 50℃左右，分別加入 0.03g、0.05g、0.1g、0.2g、0.3g 甲苯-2,4-二異氰酸酯交聯(lián)劑，反應 90min,反應結束后降溫至約 30℃，撤去熱源，繼續(xù)攪拌片刻即可。五組實驗編號分別為 0.03%號、0.05%號、0.1%號、0.2%號、0.3%號。 （注：0.1%號實驗加入適量丙酮考察丙酮對反應體系的影響。 ）2.2.3.2 107膠的性能測試分別測試 0.03%號、0.05%號、0.1%號、0.2% 號、0.3%號涂料的附著力、初粘性、表干時間、成膜性、粘度、固含量等參數，繪制曲線，確定最佳配比。2.2.3.3 107涂料的性能測試選取最佳配比實驗條件下的107膠50g，分別加入1.0g六偏磷酸鈉、1.4g鈦白粉、2.8g立德粉、2.8g滑石粉、15.0g輕質碳酸鈣、0.1g磷酸三丁酯，攪拌混勻，即得107涂料，重復2.2.3.2實驗操作步驟。3 結果與討論3.1 實驗數據記錄與結果處理3.1.1 脲素體系表 3.1：正交實驗數據表列號實驗號A（℃） B（ min） C：配料比粘度（mpa.s)1 75 20 1.2 18×102 75 30 1.5 32×103 85 20 1.5 27×104 85 30 1.2 57×10表 3.2：實驗條件數據分析表試驗號因素 A B CⅠ 50 45 75Ⅱ 84 89 5910Ⅰ/2 25 22.5 37.5Ⅱ/2 41 44.5 29.5極差 R 16 22 8優(yōu)化條件 A2 B2 C1最佳實驗方案：B 2>A2>C1在最佳實驗條件下測得的實驗參數如下表 3.3（注：初粘性采用 15 號鋼球、30°夾角）：表 3.4：各項性能測試表附著力 初粘性 表干時間 成膜性 粘度六級 2′40″ 47min 一般 63mpa.s固含量測試如下表 3.5：固含量測試表面皿質量 M 皿 膠體質量 M1 灼燒后質量 M2 固含量8.590g 2.585g 8.989g 84.6%3.1.2 硼酸鈉體系以硼酸鈉為交聯(lián)劑制備的 107 膠的各項性能如下表 3.6表 3.6 以硼酸鈉為交聯(lián)劑的各項性能測試性能實驗號0.01% 0.02% 0.03% 0.04% 0.05%附著力 二級 二級 二級 三級 三級初粘性 9′34″ 20′9″ 27′8″ 42′17″ 32′46″11表干時間 2h20min 2h30min 2h30min 3h 3h30min成膜性 一般 較好 較好 最好 較好粘度 12×100mpa.s 26×100mpa.s 33×100mpa.s 59×100mpa.s 36×100mpa.s表面皿質量 M 皿 9.017g 9.561g 8.614g 8.968g 8.581g膠體質量M1 2.382g 3.349g 2.269g 4.181g 4.804g灼燒后質量 M2 9.232g 9.885g 8.822g 9.317g 8.990g固含量性能測試固含量 91.0% 90.3% 90.8% 91.7% 91.5%圖 3.7 初粘性曲線12圖 3.8 表干時間曲線圖 3.9 粘度曲線圖 3.10 固含量曲線133.1.3 異氰酸酯體系以甲苯-2,4-二異氰酸酯為交聯(lián)劑制備的 107 膠的各項性能如下表 3.11表 3.11 以甲苯-2,4-二異氰酸酯為交聯(lián)劑的各項性能測試性能實驗號0.03% 0.05% 0.1% 0.2% 0.3%附著力 三級 二級 一級 一級 二級初粘性 5′21″ 11′37″ 34′23″ 25′28″ 13′33″表干時間 2h50min 3h 3h20min 4h 6h14成膜性 一般 較好 最好 較好 較好粘度 5×100mpa.s 16.5×100mpa.s 38×100mpa.s 20×100mpa.s 9×100mpa.s表面皿質量 M 皿 9.691g 8.742g 8.160g 8.472g 8.091g膠體質量M1 2.131g 2.655g 2.301g 1.901g 2.795g灼燒后質量 M2 8.886g 9.026g 8.263g 8.696g 8.298g固含量性能測試固含量 90.8% 89.3% 95.5% 88.2% 92.5%圖 3.12 初粘性曲線15圖 3.13 表干時間曲線圖 3.14 粘度曲線16圖 3.15 固含量曲線173.2 實驗數據的討論3.2.1 脲素體系由表 3.1～3.5 可知：以脲素作為交聯(lián)劑所制得的 107 膠的粘度都不是特別的大，在最佳實驗條件下所得 107 涂料的粘度也只有 63mpa.s，再者，所得涂料的附著力、初粘性、表干時間、成膜性、固含量等實驗參數都不甚理想，究其原因，我想是因為脲素分子結構式上的羰基活性不高，無法充分與聚乙烯醇進行進行交聯(lián)反應所致，所以可以得出，脲素不適合作為 107 涂料的反應交聯(lián)劑。3.2.1 硼酸鈉體系由圖表 3.6～3.10 可以知道：以硼酸鈉作為交聯(lián)劑所制得的 107 膠在粘度、附著力、初粘性、表干時間、成膜性、固含量等實驗參數上都是很理想的，這是因為加入體系中的硼酸鈉水解后會生成硼酸，其作用是使 PVA 分子中的—OH 基團與硼酸分子進行化學反應，硼酸的 B—O 鍵斷裂，與聚乙烯醇形成— C—B—O—鍵，從而使聚乙烯醇分子得以交聯(lián)，再者，高活性的 Na+也可以加速交聯(lián)反應，所以制得的 107 膠的性能都較為優(yōu)異。圖 3.8 中表干時間是隨著交聯(lián)劑含量的上升而逐步增加的，而圖 3.7、3.9、3.10 都顯示，所得 107 膠的粘度、初粘性和固含量都在 0.04%時達到最大值，如再增加交聯(lián)劑的的含量則會有所遞減、由于 Na+含量過高，實驗中也會出現凝膠現象。所以，0.04%號實驗所制得的 107 膠是最理想的。3.2.3 異氰酸酯體系由圖表 3.11～3.15 可以知道：以甲苯-2,4-二異氰酸酯作為交聯(lián)劑所制得的 107 膠在粘度、附著力、初粘性、表干時間、成膜性、固含量等實驗參數上也都比較理想的。但是，除了加入丙酮的 0.1%號實驗，其它實驗所得 107 膠都是略微帶棕黃色甚至是紅色。由于以水為溶劑,交聯(lián)劑 TDI 與水反應生成甲苯二胺和脲,該反應產物很容易被氧化成醌,而使粘合劑帶棕黃色 [9]。而圖 3.12、3.14 、3.15 都顯示，所得 107 膠的粘度、初粘性和固含量都在 0.1%時達到最大值，而成膜性、附著力等定性實驗也都證明，加入丙酮的 0.1%號實驗產品的性能最好，這些都是因為若不加入丙酮，異氰酸酯與水會發(fā)生反應，而且反應溫度越高，由于拉平效應，異氰酸酯與水反應的速率會逐漸接近與主要成膜物質聚乙烯醇的反應速率，但是加入丙酮之后，由于異氰酸酯與丙酮能夠互溶而且丙酮也極易溶于水中，所以它與水反應的趨勢會大大降低。因此可以得出結18論，丙酮有助于異氰酸酯發(fā)生交聯(lián)反應，0.10%號實驗所制得的 107 膠最理想。4 結論(1)脲素分子式上的羰基活性不高，不適合做 107 涂料的交聯(lián)劑。(2)硼酸鈉分子式中的B —O結構和高活性的Na +有助于加速制備107膠的交聯(lián)反應，反應體系中硼酸鈉的百分含量為0.04%時所制得的107膠的性能最優(yōu)，但當體系中硼酸鈉的百分含量大于0.05%時會出現凝膠現象。(3)異氰酸酯（和丙酮聯(lián)用）非常適合做制備107膠的交聯(lián)劑，丙酮的加入可減緩交聯(lián)反應中拉平效應的趨勢，所得產品的粘度、附著力、初粘性、表干時間、成膜性、固含量都非常合適，異氰酸酯的百分含量在0.1%時制得的107涂料性能最好。(4)同樣作為交聯(lián)劑，與異氰酸酯相比，使用硼酸鈉作交聯(lián)劑所得產物在粘度、初粘性等實驗參數上優(yōu)于異氰酸酯，但它在固含量、成膜性、附著力等方面卻不如異氰酸酯所得產物，特別是在成膜性上，加入丙酮的0.1%號實驗的成膜性是所有實驗中做好的，因此，異氰酸酯最適合替代甲醛，作為107無醛涂料的反應交聯(lián)劑、且百分含量在0.1% 左右。參考文獻[1] 莊義.為什么要淘汰 107 涂料[J] . 中國涂料.1999,4:44 -46.[2] 張占柱，趙雅琴，靳明君 等.改性 107 膠的制備研究 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世紀研究水性涂料的開始。前言人類裝飾各種不同物質表層的歷史已有數千年了。完成此項任務最為行之有效的方式就是在被保護或者被裝飾物質的表層涂上一層耐久性、黏附力等特性都達到應用要求的新型材料。這種新型的材料就是水性涂料?？梢韵胂螅酝苛显缙诘难芯繗v史是一部非常規(guī)但又是專門研究的歷史書籍。人們經常用各種不同的物質混合來做實驗，用當時手頭上有限的、可從自然界獲取的材料意外地達到了他們的目的。人類祖先流下來的珍貴遺產依然影響著當今涂料世界，盡管現在的大都分水性涂料都大量采用人工合成物質作為原料，但還是有一些水性涂料使用天然物質合成，被稀薄地涂抹在物體表層?，F如今，水性涂料要求能夠簡單讓大眾使用；涂抹之后能夠在短時間內固化；要求涂料在生產、使用過程當中對環(huán)境的綜合影響最小；能夠較好抵抗環(huán)境的腐蝕作用；并且可以提供良好的經濟價值。以上是筆者總結的影響當今水性涂料生產和發(fā)展的五個重要因素。水性涂料命名原則在水性涂料漫長、分散和經驗主義的歷史演變和發(fā)展過程中留下了一些晦澀難懂而又容易混淆的詞匯 [1]。弄清楚經常使用的三種既相互區(qū)別有可互換的用語會非常有幫助。亮漆(來自阿拉伯語 lakk)是一種在物質成膜時沒有共價鍵干預的涂抹在表層的水性涂料（通常由溶劑的蒸發(fā)物制得） 。相反，油漆（來自于中世紀拉丁語系）是一類本質上要求成膜物質在應用過程中發(fā)生化學反應的水性涂料。而搪瓷漆（來自于德語）是油漆家族中的一個部分，它的生產過程中用到了固化（烘干）這一步驟。在以前，這些區(qū)分是明顯而具有針對性的，但是，現在水性涂料的發(fā)展使得這些區(qū)別越來越小。不過，面對水性涂料日新月異的發(fā)展，這些區(qū)別還是能夠突出其特殊性的。使水性涂料對環(huán)境的影響降到最低的方法被公認為一項重大技術難題的是如何減少或者排除現代涂料當中有機揮發(fā)物質(VOCS) [2]。在今天人口數量龐大、工業(yè)化程度極高的城市中，有機揮發(fā)物引起了許多環(huán)境問題。說得更清楚一點，這個問題是水性涂料引起的最為嚴重的問題。水性涂料中相互不起化學反應的組分完全依靠某一人工助劑(組分中的溶劑)使它們能夠發(fā)揮作用，而且使用完之后必須去除那些幫助涂料起保護和裝飾作用的組分。較低的溶解度會使得有機揮發(fā)物質在水性涂料的使用過程中揮發(fā)出來，這是由于使用過程中產生的熱量所致。當加熱的涂料冷卻后，它可以達到人們裝飾、保護的目的，但是涂料的使用也存在一定的局限性，因為當溫度過高時它有可能再次變得柔軟或者扭曲。更進一步說，由于大多數涂層是無定形態(tài)或半晶質態(tài)，它的抗壓和抗沖擊能力開始引起人們的關注，人們擔心在低溫狀態(tài)下它的這兩種能力能否達到要求 [3]。水性涂料中可以被人們接受的有機揮發(fā)物質是那些不對環(huán)境造成危害的物質（例如二氧化碳和水） 。由于高壓的要求，液態(tài)或超臨界態(tài)二氧化碳在工業(yè)應用中受到限制。水是更容易廣泛使用于水性涂料的溶劑，但它也不是萬能的，用水作為溶劑的問題在于：涂料在相對濕度不同的環(huán)境中使用，必須不斷地改變它的干燥時間，而這種改變也是不可避免的。因為相對濕度幾乎每個小時都改變，所以這是個復雜的問題。事實上，現今所有的水性涂料都含有機揮發(fā)物質，與傳統(tǒng)的、使用常規(guī)有機溶劑的水性涂料相比，新型水性涂料中有機揮發(fā)物的含量已大大降低，但還是或多或少存在?，F代水性涂料的發(fā)展趨勢是：既能夠最大程度地保護環(huán)境，又可以保留涂料中傳統(tǒng)特性、綜合性控制、低成本生產這些性質。有機揮發(fā)物不僅是水性涂料影響環(huán)境的一個因素，更是阻礙其發(fā)展的因素。因為在美國，有關所謂空氣污染物(HAPs)的章程是非常重要的 [4]，章程明確規(guī)定哪些傳統(tǒng)芳香溶劑不可以使用，眾所周知，大量使用這些溶劑將會引起人類健康方面的疾病。同樣，在世界各地也都明令禁止這些溶劑的大規(guī)模使用。在重金屬使用方面也有著這樣一個廣泛的制約，但有相當多的特殊金屬通過在表層涂抹水性涂料達到使用要求的例子 [5]。水性涂料還有一種應用方法，即是通過電鍍的方式在負極給被保護物質的表層鍍上一層保護層，例如：給金屬鍍層鍍上一層鉻；以各式各樣的涂層鍍金屬鉻或者鉛；在防止海洋堵塞的物體上鍍錫；甚至用水銀作為鍍層電鍍金屬以達到抗菌的目的。與其它材料加工的領域相同，電鍍技術也必須尋找可供選擇的成分，但是沒有破壞環(huán)境的后顧之憂。雖然取得一定的進展，但是同類型的，特別是關于金屬防腐涂層的技術還未被真正找到。消除水性涂料對環(huán)境的影響對環(huán)境的負面影響和較低的力學強度是所有水性涂料的缺陷，也是制約它發(fā)展的關鍵因素。自然界的腐蝕是多年來難以解決的問題，它嚴重阻礙了水性涂料的發(fā)展。水性涂料可作為水下涂層的一部分，抵抗含水有機體的侵蝕，例如蠕蟲；作為外部涂層抵抗某些動物排出糞便的侵蝕，例如鳥、昆蟲；最為內部涂層抵抗某些細菌的侵蝕，例如霉菌。這些技術上的難題都是相同的，即在不對環(huán)境造成負面影響的基礎上使用無毒的水性涂料抵抗這些侵蝕。專門為此項任務研制特殊水性涂料的工作也就應運而生。經驗告訴我們，這條道路通常是昂貴而又不完美的，但偶爾會卓有成效。但是，客觀地說，完全不使用有毒、或者重金屬物質而又達到人們的要求，這樣的例子似乎還沒有出現?，F在有一個新的思路，在被涂抹物質表面產生包含生物化學反應和簡單風化反應的輕型化學反應來阻止侵蝕 [6]。舉個例子來說，水性涂層的水解可以切斷生物腐蝕。如果人們設計的水性涂料水解后能生成防腐、防塞甚至是可達到我們任意目的的產物，那么這將成為一種有效的手段。最大化控制通過水性涂料的分子對于水性涂料來說，防腐是一項重要的任務，水性涂料的傳統(tǒng)任務就是保護被涂物體免受環(huán)境的影響，這種保護實質上是一種化學和力學性質的保護。油漆就是專門為此目的而開發(fā)出來的，在被保護物質表層涂上一層油漆形成一層保護層是一種行之有效的手段，避免物體在使用過程中受到侵蝕。為了控制外界環(huán)境的侵蝕，現代水性涂料的生產技術中出現了一個特殊領域，在涂料的各種生產工藝中都不可避免地用到了這些特殊技術。在物體表層的某一區(qū)域內涂抹的是一層水性涂層，用于防止侵蝕，而用于防止輻射和控制熱量的涂層則被涂抹在物體內部電子元件的密封處。涂抹在鐘、表等潔凈物體表面的涂層厚度是一個值得關注的問題，這些物體外界細微的溫差可能導致水性涂層厚度的改變。另外一個極端的環(huán)境則是在鐵路機車的棚子中，濕氣，溫度，氣流，表面腐蝕等眾多問題都可能導致水性涂層的性質發(fā)生巨大變化。在選取水性涂料的各種組分時額外小心是面對這種挑戰(zhàn)的一個思路，這樣做可以避免許多副反應的產生。不管什么情況，一旦副反應發(fā)生，就會帶來一定的危害，產生不必要的麻煩。這將導致聚合過程無法受到控制（事實已經證明，某些聚合物例如聚丙烯酸酯的聚合過程無法控制 [7]）。不參與反應的基體材料要嚴格排除在外，另外要優(yōu)化實驗條件，避免原料的浪費。由于極其苛刻的性能要求，汽車涂料走到了水性涂料應用領域的前沿，在強大經濟作用的刺激下，人們生產了大量的汽車。現在已經有一些文獻開始介紹關于監(jiān)測和控制汽車涂料性能的新型綜合性分析技術 [8]。用作裝飾的水性涂料特別需要添加顏料、云母和某種金屬微粒。有效分散這些微粒的手段是在水性涂料的生產過程中大量使用分散劑來分散它們，并且要防止在以后的使用過程中出現復聚。為了使水性涂層分子具有較小的流動性，需要對其進行精密的控制，否則，一旦使用，外界壓力會導致微粒復聚、涂層黏附力下降等一系列問題。由于顏料是水性裝飾涂料中最為昂貴的成分，因此合理使用、節(jié)約成本也是非常重要的。另外，由于原料的集中溶解和使用過程中外界環(huán)境的壓力，涂層中微粒的分散成為一個突出的問題。但是，日新月異的化學技術使得分散劑有了很大的發(fā)展，從而在控制涂層分子這一方面出現了一個較大的飛躍。而且，制造嵌段式共聚物（專為微粒在某一物體表面或者某一溶解環(huán)境的親和力設計）的技術已經被開發(fā)并用于商業(yè)。這樣的專利技術有很多而且越來越多，但是C. Hosotte-Filbert [9]的專利是一個典型。功能水性涂料在第四屆世界涂料學術會議上，水性涂料被描述成具有修復作用的油漆涂料或者是在使用過程中能夠起化學反應的亮漆涂料。為了抵抗自然界長期的氧化作用，我們設計了許多類型的功能涂料。在通常人眼中，這種長期的氧化作用被視為麻煩。然而，學會適應并利用它也是有好處的，搪瓷功能涂料中硅氧鍵的形成、互換就是依靠這種長期的氧化作用 [10]。當然，此種行為會導致涂層外部在光和氧氣的環(huán)境中受到一定損傷。此外，對壓力和破裂起抵抗作用的特種功能涂料還在研制當中 [11]。如今，傳統(tǒng)功能涂料的生產控制和運輸控制都成為一個難題，值得注意的是許多成功的涂料（通常用于減緩或者防止腐蝕）都是用于各種材料的運輸和滲透。大氣中的氧氣滲透進入食物、二氧化碳滲透進入碳酸飲料、藥物滲透進入身體，電荷滲透進入設備，這些熱滲透都在一個等溫環(huán)境中或易受腐蝕的環(huán)境中進行的，而此種環(huán)境中水和離子材料的滲透是水性涂料在生產運輸過程中最需要考慮的因素。因此人們也長期致力于防止或者是減緩涂料在長期使用過程中化學和力學性質的降低。水性涂料大規(guī)模工業(yè)化所面臨的挑戰(zhàn)阻礙水性涂料發(fā)展的關鍵因素在于其高昂的成本和固化手段的局限性。毫無疑問，這些問題包括大量資本和能源的消耗，資金周轉，庫存積壓等等。生產過程中熱量對敏感基體的損傷也是其中的一個制約因素。直接的解決方法就是降低固化溫度、減少固化時間，還可以從已經引起人們注意的化學反應和催化劑這兩個方面著手，來解決問題?；蛘?，除開簡單的固化反應，如果能找到一種修復反應使得基體重新被激活，在不損失涂層表面的基礎上將問題解決，這樣是最好的。目前，已經有一些文獻開始介紹用于放射性治療（與紫外光、電子束甚至是可見光配合使用)的水性涂料，這方面的研究將擴大水性涂料的使用領域 [12]。粉末涂料和水性涂料都可以作為創(chuàng)新和研究的對象。而水性涂料所面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何均一修復半透明涂層（要求被修復涂層不受各種輻射的影響）和復雜形狀的涂層?？梢栽诤芏嗟胤交蛘呖梢詮膶嶒炇抑姓业叫麻_發(fā)出來的水性涂料的事例，這些事例都對應著新世紀影響水性涂料發(fā)展的五要素中的一個或者幾個。可能沒有全部五項都對應，但至少都有一項是對應著的。人們需要一個評估系統(tǒng)來測試水性涂料中的成分（特別是有機揮發(fā)物質）對于環(huán)境的影響，而且這個系統(tǒng)還可以提高水性涂料中抵抗環(huán)境侵蝕（特別是抗沖擊性能） 、耐久性和耐腐蝕性等性能，這些性能的研究可能需要十年時間。這種需求已經與現代水性涂料的發(fā)展體系結合在一起?，F代涂料的應用有著四層要求：第一，水性涂料要求應用于電鍍涂層上（這對于重金屬來說已是非常簡單的了） ；第二，水性涂料的粉末底料要求不含有機揮發(fā)物；第三，水性涂層的有機顏料要求含有極少的有機揮發(fā)物和空氣污染物；第四，水性涂料的表層要求含有不超過20%的有機揮發(fā)物，而且還要求有較好的抗沖擊性能、抗酸雨、化學攻擊和化學曝光的性能。當然，所有的應用都與現有基礎設施，包括自動和手動設備，有關，但這樣的確可以降低成本和能耗，增強視覺效果。由于車內環(huán)境對于水性涂料的要求是非常苛刻的，而且這樣的評估系統(tǒng)剛剛啟用，所以各方面還有待努力。從目前情況看，預計花十年時間研究出來一種各方面性能都達標的新型水性涂料是有點困難的，關鍵性的制約在于如何提高水性涂料的抗沖擊性能。展望那五個關鍵因素已經預示了水性涂料在新世界的發(fā)展趨勢。最主要的趨勢是在水性涂料的鏈長和分子結構上做改進，從水性涂料的修復性能這一角度來看，在不傷及環(huán)境或者說對環(huán)境影響很小的前提下，著力提高水性涂料的均一修復性能是一種思路。第二種趨勢解決一些傳統(tǒng)水性涂料的問題，消除它的某種限制。不管是通過緩慢的化學反應來解決傳統(tǒng)水性涂料的問題，還是采用放射手段來輔助水性涂料中各種組分的交聯(lián)，人類的技術手段總是在無限拓展，永遠沒有盡頭。有一個可以歸納以上兩種發(fā)展趨勢的措辭：為達到所要求的性能，你想去除水性涂料中哪些不規(guī)則結構，在涂料的哪種化學過程中采取必要的控制，是生產過程，使用過程，還是涂料的均一修復過程?這最本質的觀察也許能幫你看清楚問題所在，筆者有一種預感，水性涂料的技術瓶頸將存在很長一段時間。涂料技術是一項萃取衍生物的技術，這種技術使得從復雜原料中提取的物質能夠在某一區(qū)域內一起使用，然而這個過程也會伴隨有副產物的產生。涂料的生產制備也總是向人們提出這樣那樣的問題，當水性涂料的應用程序變得再簡單不過的時候，減少涂料對環(huán)境的污染、提高其耐腐蝕性、抗沖擊性和使用壽命就成為發(fā)展水性涂料的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)要求使用最少的原料發(fā)揮涂料最大的作用、對環(huán)境產生最小的影響以及副產物的最大回收利用。由于要求使用最少的資源，因此需要極高的智慧來研究開發(fā)。與現代物質注冊、資本投資和廢物管理等新興的職業(yè)一樣，水性涂料這一職業(yè)也需要持續(xù)地創(chuàng)新。今天，我們只是站在水性涂料的一個歷史階段來縱觀它的過去，展望它的未來。參考文獻[1] P. 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