5-3 水性涂料在线视频

同学们好

欢迎大家来到《高分子合成材料学》

我是今天的主讲老师 李老师

这一节课我们主要学习水性涂料

水性涂料就是凡是用水作为溶剂

或者作分散介质的涂料总称

水性和溶剂型涂料的区别首先是组成

从组成上可以看出两者的核心区分是

有机溶剂和水

而水和有机溶剂的最大区别之一是

表面张力

水的表面张力是72.5mN/m

醇类溶剂为21.4-35.1

酯类为21.2-28.5

酮类为22.5-26.6

均远远小于水的

因此 概括而言

水性涂料与溶剂型涂料的不同点表现为

一 表面张力高

流动流平性好

导致基材润湿性差

二 表面张力高

许多表面活性物都构成了稳泡因素

所以水性涂料特别容易起泡

动态表面张力容易失衡

这是由于涂料中

加了许多降低表面张力的活性剂

在高剪切速率下

来不及快速在瞬间扩大的界面上重新排布

造成失衡

四 颜料分散困难

容易絮凝产生沉降 发花浮色等

五 特别容易受温度影响

水性涂料按照成膜物质

与水的相互作用关系可分为三类

水溶性涂料

是指成膜物质为水溶性树脂

即树脂能溶解在水中

代表性物质是聚乙烯醇及其各种改性物

第二类是水稀释性涂料

成膜物是后乳化乳液

需要在施工中用水来稀释

第三类是水分散性涂料

成膜物是合成树脂乳液

又称为“乳胶漆”

水性涂料的优点

水作为溶剂节省大量资源

消除了施工时火灾危险性

降低了对大气污染

一般的水性中有机溶剂的含量

在10％～15％之间

尤其在现在的阴极电泳涂料中

有机溶剂的含量已降至1.2％以下

对降低污染节省资源效果显著

水性涂料在湿表面和潮湿环境中

可以直接涂覆施工

对材质表面适应性好

涂层附着力强

涂装工具可用水清洗

大大减少清洗溶剂的消耗

电泳涂层均匀 平整 展平性好

内腔 焊缝 棱角 棱边部位

都可以涂上一定厚度的涂层

有很好的防护性

电泳涂膜有最好的耐腐蚀性

厚膜阴极电泳涂层的耐盐雾性

最高可达1200h

但是水性涂料也有一些不足

体现为 一 水性涂料对施工过程中

基材料表面清洁度要求高

这是因为水的表面张力大

污物很容易使涂膜产生缩孔

二 水性涂料对抗强机械作用力的

分散稳定性差

输送管道内的流速急剧变化时

分散微粒被压缩成固态微粒

使涂膜产生麻点

水性涂料对涂装设备腐蚀性大

需采用防腐蚀衬里或不锈钢材料

设备造价高

而且烘烤型水性涂料对施工环境条件

温度 湿度要求尤为严格

需要投入大量的调温调湿设备

同时也增大了能耗

并且随着水的蒸发潜热变大

烘烤能量消耗愈大

水性涂料存在耐水性差的问题

使涂料和槽液的稳定性差

涂膜的耐水性差

这主要是由于水性涂料的介质

一般都在微碱性

也就是pH在7.5～8.5之间

树脂中的酯键易水解而使分子链降解

影响涂料和槽液稳定性

以及涂膜的性能

要获得性能良好的水溶性涂料

首先要对树脂进行水性化

主要有以下三种途径实现树脂的水性化

第一种途径是

在树脂分子链中引入胺基或羧基

也就是用酸或碱中和

形成阳离子型或阴离子型树脂

能水解或增溶分散于水解

二 在树脂分子链

引入一定数量的强亲水基团

如羧基 羟基 氨基 醚基 酰胺基等

自乳化而分散于水中

三 外加乳化剂乳液聚合

或对树脂强制乳化 形成水分散乳液

有时这三种方式同时并用

可提高水分散性及水分散液的稳定性

必须强调的是

水性涂料虽然以水作为介质

但为了提高树脂的水溶性

调节水性涂料的粘度及涂膜的流平性

需加入少量醇醚类有机助溶剂

故水性涂料中

助溶剂的作用是增加树脂在水中的溶解度

同时用于调节树脂溶液的粘度

提高漆液的稳定性

改善漆膜的流平性和外观

以同一个树脂来比较

助溶剂不同

助溶效果也不同

在水溶性的醇类中

碳链长的醇比碳链短的醇助溶效果好

含醚基的醇比不含的醇助溶效果好

因此 丁醇比乙醇好

丁基溶纤剂比丁醇更好

助溶剂的加入量

通常为树脂量的30％以下

常用的助溶剂有乙醇 异丙醇

正丁醇 叔丁醇

在配制水性涂料还需要加入中和剂

树脂的品种不同

所用的中和剂也不同

常温下的水溶性涂料需选用

低沸点的中和剂

浅色漆则选用变色性小的中和剂

例如氨 三乙胺 氢氧化钾等

中和剂的用量 通常要求是以

使树脂70％以上的羧基被中和

树脂水溶液的pH值达到7以上

一般控制pH值为7.5~8.5

以保持它的水溶性和稳定性

常用的水溶性树脂有

水溶性油及改性水溶性油

水溶性环氧树酯

水溶性醇酸树脂

水溶性聚酯树脂

水溶性丙烯酸树脂等

下面我们来介绍

一 水溶性油

油分子中的双键与不饱和酸或酐加成

即可制得能水溶的油

其反应机理因油分子双键结构不同而不同

油分子结构有

具有共扼双键结构的油

具有隔离双键结构的油

及具有不饱和双键结构的油

制备水溶性油时

可以用亚麻仁油 桐油

脱水蓖麻油 豆油等

不饱和羧酸可以是顺丁烯二酸或酐

反丁烯二酸 巴豆酸

亚甲基丁烯二酸等

其中以顺丁烯二酸酐和反丁烯二酸

用量最多

以水溶性油为主体的合成树脂漆

由于耐候性能不好

多用于底漆

施工方法多数采用电沉积涂装

改性水溶性油

要把疏水性油制成水溶性油

可采用让油分子结合上

具有亲水性能的酸基团

使之形成具有一定的酸性的物质

通常 最终酸值应保持在60以上

才能获得较好的水溶性和稳定性

常用的改性油有水溶性顺丁烯二酸改性油

水溶性二甲酚酚醛改性油

水溶性松香酚醛 环戊二烯改性油

及半酯化水溶性油

水溶性环氧树脂

化学改性是制备水性环氧树脂的主要方法

化学改性法是通过打开

环氧树脂分子中的部分环氧键

引入极性基团

或者通过自由基引发接枝反应

这些亲水性基团

或具有表面活性作用的链段

能帮助环氧树脂在水中分散

化学改性法也可以将亲水性的基团

通过共价键直接引入环氧树脂的分子中

因此制得的乳液稳定

粒子尺寸较小

化学改性法引入的亲水性基团

可以是阴离子 阳离子

或非离子的亲水链段

从而水溶性环氧树脂就分为阴离子型

阳离子型和非离子型环氧树脂

水溶性聚酯树脂

聚酯树脂是由多元醇和多元酸缩聚而成的

其漆膜的硬度 光泽

过烘烤性能及耐久性能都很好

聚酯树脂可分为饱和聚酯

和不饱和聚酯两类

作为烘烤漆

不饱和聚酯用得比较普遍

要使多元醇和多元酸

缩聚成为热固性聚酯树脂

所用的多元醇与多元酸二者之间

必须有一个具有两个以上的活性官能团

为了制备具有水溶性的聚酯树脂

必须将反应控制在一个较高的酸值

或者把酸超量

也可取得水溶性的效果

在配方设计时

必须采用单元酸

或用二元醇来调节分子结构

以避免交联并可改进漆膜的性能

六 水溶性丙烯酸酯树脂

丙烯酸酯树脂以其漆膜色浅 光泽好

保光 保色性优

耐候性能佳为主要特点

广泛用于装饰性

耐候性要求较高的场合

丙烯酸酯树脂漆大致可分为以下几类

其中水溶性丙烯酸酯树脂漆都是热固性的

它的固化作用是通过树脂本身含有的

可相互作用的官能团

如羧基与氨基 羟基交联

或外加交联树脂

如环氧树脂 酚醛树脂

氨基树脂等来实现

制备水溶性丙烯酸酯树脂有两种方法

一种方法是

丙烯酸酯在溶液中

共聚成粘稠状的聚丙烯酸酯

然后部分醇解

第二种方法是

丙烯酸酯和含有不饱和双官能的羧酸单体

如甲基丙烯酸 丙烯酸 顺丁烯二酸酐等

在溶液中共聚成酸性聚合物

加胺中和成盐 而获得水溶性

这种合成方法是最常见的

水溶性丙烯酸酯树脂的热固化

主要采用以下两种技术途径

第一个是带羟基 氨基

羧基或环氧基的功能性基团

在高温下可彼此反应而交联固化

但是固化温度较高

一般为160~180℃

第二种方式是

在水溶性丙烯酸酯树脂中

添加水溶性交联剂

如水溶性酚醛树脂

六甲氧甲基三聚氰胺树脂等

它们在加热时彼此反应交联

也就是140℃左右固化完全

下面我们学习水溶性涂料成膜固化的机理

水溶性涂料成膜固化的机理

与一般溶剂型涂料相同

但其成膜过程却另有特点

首先 水溶性树脂由于需要水溶

其分子量都不会太大

否则水溶困难

因此 它们作为一种高分子材料使用时

多半是制成热固性的

为了提高水溶性

水溶性树脂多半都是以胺盐

或羧酸盐形式存在

因而在成膜固化过程中

首先是组成胺的挥发

当然 在加热过程中

也有可能形成胺的衍生物

水溶性涂料除采用刷 喷

辊 浸等一般涂装方法外

更重要的方式是采用电沉积涂装方法

水溶性涂料成膜固化过程

最重要的组分就是固化剂

不同于溶剂型涂料

我们这里主要介绍的是

水溶性涂料用固化剂

在漆膜形成之前

水溶性涂料的成膜物质

自然是溶于水的

一旦成膜后又必须不溶于水

这个过程称为交联固化

水溶性树脂从交联的方式可分为

自交联和外加交联剂交联两类

不同的侧链活性基团

具有不同的反应方式

要求不同的反应条件

固化后生成不同的反应结构

因此也具有不同的反应特点

一般而言 最常用的固化剂

有水溶性三聚氰胺甲醛树脂

脲醛树脂 苯代三聚氰胺甲醛树脂等

其中以水溶性六甲氧甲基三聚氰胺

用得比较普遍

下面我们来介绍 乳胶漆

涂料对环境的污染主要是有机挥发物

也就是前面说的VOC

向大气中进行的排放

降低涂料的VOC

是环境保护提出的课题之一

以合成树脂代替油脂

以水代替有机溶剂

是涂料工业当前发展的方向

乳胶漆不用油脂

也不用有机溶剂

既节省了资源

也解决了施工中的环境污染

劳动保护及火灾危险

所以得到了迅速发展

乳胶漆的定义

以聚合物的微粒 粒径在0.1~10微米

分散在水中成稳定乳状液

称为聚合物乳液 简称乳液

聚合物乳液一般由烯类单体

经乳液聚合而得

在合成的乳液中加入颜料和助剂

经研磨即成乳胶漆

也称为乳胶涂料

由此可知乳胶漆的成膜物质就是合成乳液

聚合物乳液成膜过程的机理

普遍认为成膜过程分为三个阶段

第一阶段 聚合物乳液中水分挥发

当乳胶颗粒占胶层的74%时

乳胶颗粒相互靠近达到密集的充填状态

水和水溶性物质充满在乳胶颗粒的空隙间

第二阶段 随着水分不断挥发

聚合物颗粒表面吸附的吸附层被破坏

间隙越来越小 直至形成毛细管

毛细管作用迫使乳胶颗粒变形

随着挥发介质的增多

压力越来越大

直至颗粒间界面消失

第三个阶段是 水分完全挥发

压力达到每个乳胶粒中

分子链扩散到另一颗粒分子链中

颗粒进一步合并

乳胶颗粒中的聚合物链段

开始不断相互扩散

逐步形成连续均匀的乳胶涂膜

而常见的乳胶漆的类型主要包括以下几个

一 丁苯乳胶漆

它是应用最早的乳胶漆

是由丁二烯和苯乙烯进行聚合

获得的乳胶制成的

主要用于内用建筑漆

但由于其漆膜易变黄变脆

对墙面附着力不好等缺点

现已被性能更好的

聚醋酸乙烯乳胶漆所代替

二 聚醋酸乙烯乳胶漆

它是应用最广泛的乳胶漆

由醋酸乙烯聚合得到的乳胶制成

作为室内灰面墙漆

比丁苯乳胶漆有较好的保色性和附着力

它还具有适合室外使用

有一定程度的耐侯性

为了使漆膜不开裂粉化

用顺丁烯酸二丁脂作为增韧剂

可提高漆膜的柔韧性

这种漆对木面和旧漆面

也有一定的附着力

三 丙烯酸乳胶漆

它是由一些丙烯酸脂共聚物制成的

由于丙烯酸共聚物的种类不同

可得到不同品种的乳胶漆

由于丙烯酸乳胶漆具有漆膜柔软

能耐水耐碱

户外耐侯性好

与被涂物粘接力强等特点

因此常作为室外木面和抹灰面建筑用漆

四 油基乳化漆

它是由干性植物油 松香甘油脂

乳化剂 催干剂加入适量的水与氨水组成

它具有一定的耐油性 绝缘性

可作为绝缘漆

由于储存稳定性不好

一般都做成漆基

使用时再乳化

还有一种粉末乳胶漆

有储存期长 运输使用方便等优点

五 苯乙烯 丙烯酸系乳液

苯乙烯 丙烯酸系乳液

也称为“改性丙烯酸乳液”

是以一部分或全部苯乙烯代替

全丙烯酸系中的甲基丙烯酸甲酯

苯乙烯由于苯基的刚性

也是一种硬单体

其作用仅次于甲基丙烯酸甲酯

但价格都要便宜得多

在共聚乳液中

苯乙烯含量可高达50％

但用量太多会降低在极性物体上的附着力

在外用白漆中

其保色性比全丙烯酸酯差些

这类乳胶漆也具有良好的耐候性

耐水解性及抗粉化性

并可制成有光的乳胶漆

价格与性能都比较适当

因此这类乳胶漆得到了迅速的发展

特别在国内应用非常广泛

好 今天的内容就到这里

感谢同学们的聆听