水性漆基本概念及水性丙烯酸树脂概述

2023-01-12

2020年我国涂料总产量近2500万吨，VOC排放高达五、六百万吨，造成严重的资源浪费。同时，VOC排放也是PM2.5的重要来源，控制VOC，对大气污染防治至关重要。

截止目前，全国绝大部分省、直辖市相继出台了对挥发性有机物征收排污费的地方性法规，引导涂料行业的研发、生产和应用向环保型涂料发展。

水性漆基本概念

定义：水性漆是以水作为分散介质的涂料。

基本组成为：水性树脂+水+助剂+颜填料；水性漆用水取代了大部分有机溶剂。

根据水性树脂组成的不同，将水性漆分为：水性丙烯酸树脂漆、水性聚氨酯漆及水性环氧树脂漆等；

依据成膜机理可分为：水性漆分为热塑性水性漆和热固性水性漆；

从包装形式不同水性漆可分为：单组份水性漆和双组份水性漆；

从施工层次可分为：封闭底漆、腻子、底漆、中涂漆和面漆；

从应用基材的不同水性漆可分为：建筑涂料、水性木器漆及水性金属漆。

根据防护等级的不同水性金属漆分为：轻防腐水性金属漆、中等防腐水性金属漆和重防腐水性金属漆。

水性漆的基本组成为：水性树脂+水+助剂+颜填料

油性漆的基本组成为：溶剂型树脂+有机溶剂+助剂+颜填料

水性漆树脂的分类

水性树脂是水性金属漆的关键组分，决定其成本和性能，按照结构不同可分为：

（1）水性丙烯酸树脂（包括水溶型、水分散体（胶体）型和水乳型三大类）。

（2）水性聚氨酯（有聚酯型和聚醚型；芳香族型和脂肪族型；阴离子型、阳离子型非离子型；）

（3）水性聚酯树脂、水性醇酸树脂；

（4）水性环氧树脂及固化剂；

（5）UV固化水性树脂；

（6）水性杂化体树脂。

随着科学技术的不断进步，传统的油性树脂正在逐步的被水性化，新的水性树脂还将不断涌现。

树脂的水性化的方法

（1）乳液聚合法：乳液聚合是油性单体借助乳化剂和机械搅拌，使单体分散在水中形成乳液，由水性引发剂引发的单体聚合。乳液聚合方法是水性丙烯酸树脂合成的经典方法。

（2）外乳化法：即通过外加乳化剂，通过强剪切相反转生成水包油型聚合物乳液。该法只用于少数油性树脂的水性化。如水性环氧树脂乳液的制备。

（3）自乳化法：通过对树脂结构的化学改性，引入非离子型或离子型的水性化单元，以实现其水可分散性，得到水分散型树脂。自乳化法是一种分子水平对树脂的改性，所得水分散体粒径小、分布窄、稳定性好，且技术含量高，是目前树脂水性化的主流方法。

阴离子型丙烯酸树脂通常为羧酸盐型：含—COO^-；阳离子型则为季胺盐型：含—N⁺R₃。

阴离子水性聚氨酯有羧酸盐和磺酸盐两种，分别含—COO^-、—SO₃^-。阳离子型也是季胺盐型：含—N⁺R₃。

非离子型水性化单元通常选用聚乙二醇嵌段：—(OCH₂CH₂)_n—。

水性丙烯酸树脂概述

（1）水性丙烯酸树脂定义：以水为溶剂或分散介质，用丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯基类单体及水性单体为主要原料合成的树脂体系称为水性丙烯酸树脂。

（2）水性丙烯酸树脂分类：a根据组成成分：全丙水性树脂、苯丙水性树脂、硅丙水性树脂、醋丙水性树脂、氟丙水性树脂、叔丙（叔碳酸酯-丙烯酸酯）水性树脂等。

b根据成膜特性：热塑性丙烯酸树脂和热固性丙烯酸树脂。

热塑性丙烯酸树脂其成膜主要靠分散介质（水）挥发使大分子或大分子颗粒聚集融合成膜，成膜过程中没有发生化学反应。

热固性丙烯酸树脂也称为反应交联型树脂，其成膜过程中伴有几个组分可反应基团的交联反应，因此涂膜具有网状结构，因此其耐溶剂性、耐化学品性好，适合于制备防腐涂料。

（3）丙烯酸树脂的合成单体

依据单体对涂膜性能的影响常将单体进行如下分类，以方便应用。

水性丙烯酸树脂的配方设计

水性丙烯酸树脂及其涂料应用范围很广，因此其配方设计是非常复杂的。基本原则主要遵循以下几点：

a要针对不同基材和产品确定树脂剂型——水稀释型或水乳型或分散体型；

b选择单体组成、玻璃化温度（Tg）；

c选择水性单体类型及用量；

d选择引发剂类型及用量；

E选择溶剂组成；

f选择乳化剂种类及用量；

g选择聚合工艺。

最后通过实验进行检验、修正，以确定最佳的产品工艺和配方。

单体的选择

a单体概述

为方便应用，通常将聚合单体分为硬单体、软单体和功能单体三大类。

硬单体:甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（ST）、甲基丙烯酸异冰片酯(IBOMA) ；

软单体:丙烯酸乙酯(EA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸异辛酯(2-EHA)。

弱极性的苯乙烯、长链的丙烯酸及甲基丙烯酸酯（如月桂酯、十八烷酯）具有较好的耐醇性和耐水性。

功能性单体有含羟基的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，含羧基的单体有丙烯酸和甲基丙烯酸。

其它功能单体有：丙烯酰胺（AAM）、羟甲基丙烯酰胺（NMA）、双丙酮丙烯酰胺（DAAM）和甲基丙烯酸乙酰乙酸乙酯（AAEM）、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯（DMAEMA）等。

功能单体的用量一般控制在1％~6％质量份。

乙烯基三异丙氧基硅烷单体由于异丙基的位阻效应，Si－O键水解较慢，在乳液聚合中其用量可以较高（10）。

含羧基的单体引入羧基可以改善树脂对颜、填料的润饰性及对基材的附着力，而且同环氧基团有反应性，对氨基树脂的固化有催化活性。

B单体共聚活性

由于单体结构不同，共聚活性不同，共聚物组成同单体混合物组成通常不同，对于二元、三元共聚，他们通过共聚物组成方程可以关联。对于更多元的共聚，没有很好的关联方程可用，只能通过实验研究，具体问题进行具体分析。

实际工作时一般采用单体混合物“饥饿态”加料法（即单体投料速率<共聚速率）控制共聚物组成。若混合单体的竟聚率相差太大，如苯乙烯同醋酸乙烯、氯乙烯、丙烯睛难以共聚。必须用活性相差较大的单体共聚时，可以补充一种单体进行过渡，即加入一种单体，而该单体同其它单体的竟聚率比较接近、共聚性好，苯乙烯同丙烯睛难以共聚，加入丙烯酸酯类单体就可以改善他们的共聚性。

下表中单体对的竟聚率可用来评估单体的共聚活性。