凡是用水作溶剂或者作分散介质的涂料，都可称为水性涂料。水性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，以聚乙烯醇及其各种改性物为代表，除此之外还有水溶醇酸树脂、水溶环氧树脂及无机高分子水性树脂等。水稀释性涂料是指后乳化乳液为成膜物配制的涂料，使溶剂型树脂溶在有机溶剂中，然后在乳化剂的帮助下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。乳液是指在乳化剂存在下，在机械搅拌的过程中，不饱和乙烯基单体在一定温度条件下聚合而成的小粒子团分散在水中组成的分散乳液。将水溶性树脂中加入少许乳液配制的涂料不能称为乳胶涂料。严格来讲水稀释涂料也不能称为乳胶涂料，但习惯上也将其归类为乳胶涂料。
1 水性环境友好型涂料的发展
环境友好型涂料是使涂装能确保环保要求的涂料,主要有水性涂料、粉末涂料和高固体涂料。当前,我国工业水性涂料的生产和使用,与国外相比差距很大。欧美发达国家水性木器涂料的销售量已占木器涂料市场的10%以上,占装修木器涂料市场份额的40%以上,而我国水性木器涂料在木器涂料的份额还不到1%。发达国家汽车制造业中汽车底漆采用水性涂料为92%,2000年欧洲中涂漆采用水性涂料为42%,底面漆采用水性涂料为50%。2004年日本水性底色面漆为23%。而国内对水性电泳涂料除具有规模的大厂使用较普遍外,还有很多微型车、卡车等尚在使用水性浸涂漆,配套使用水性涂料的报导不多。
有关资料报道了2010年工业涂料的趋向:粉末涂料将由12%提高到20%;水性涂料占3915%(其中电泳涂料为17%,其他水性涂料为2215%);高固体涂料将由12%降至815%。
从上述数据可知,水性涂料的发展已列于首位。另外,国外设于国内的汽车公司,在设计涂装车间时已考虑到准备使用水性涂料的设施,证实对水性涂料的预见性。
2 水性涂料的特点
水性涂料在生产制造及施工应用中以水作为溶剂,使用的设备均可用水清洗;提高固体含量,使价格降低;水性涂料中颜料分散性较溶剂型差,会影响其耐候性;表面张力较溶剂型高,对工件表面的润湿性、展布性差,涂膜易产生针孔、缩孔、气泡及流挂等弊病;水性涂料的水分蒸发慢于溶剂型涂料,闪蒸时间长或需低温烘烤。对含水量较高的水性涂膜需晾干和在低于100℃温度下分段升温保温,待至水分基本去除,才可烘烤;剪切力对水性涂料的稳定性有影响,在循环系统中会随造成剪切力不同而出现不同的黏度和流速。
3 水性涂料的施工
水性涂料的施工方法与常规施工方法无太大差异,应结合工件形状、防腐要求、外观装饰等具体情况,选用刷涂、浸涂、辊(筒)涂、淋涂、辊涂等。对铸件采用浸涂,出槽后要充分流平,但浸涂所形成的涂膜不均匀。
将薄片工件采用水性丙烯酸涂料以辊涂方式涂漆,以215m/min线速度,在230℃下3～4min固化后,能达到预期的涂膜。
水性涂料的喷涂方法有如下几种:
(1) 空气喷涂,适用于黏度小于30s(涂-4杯)的涂料; (2) 空气辅助无气喷涂(或称混气法),适用于黏度大于30s(涂-4杯)的涂料,已在木制家具业普遍使用; (3) 静电喷涂,由于水性漆的高导电性,应选用水性涂料专用的静电喷漆枪,德国瓦格纳尔、美国诺信公司等多家公司均能提供。
例如:水性醇酸磁漆的施工条件为:涂料黏度:20～24s(涂-4杯);直流电压:45～60kV;固化条件:表干30min后于80℃、20～30min烘干。
4 水性涂料的施工要求
水性涂料的施工要求虽与有机溶剂型涂料要求基本相同,但仍有其特殊性。
(1).涂装前表面处理.木制品经去污或打磨后,表面无木屑粉尘;塑料件经清洁处理后,表面应无脱膜剂类残余污物及毛刺。同时,还需根据不同类型塑料材质进行表面活化或功能化处理;金属件在经过脱脂的基材上进行相应转化膜处理,采用喷砂(抛丸)的表面,要求达到Sa21～2级,粗糙度50μm。
(2).涂料过滤 .采用一般空气喷涂施工的涂料要经过180～200目滤网过滤,采用空气辅助无气喷涂施工的涂料应使用220目滤网过滤。
(3).涂料黏度.水性涂料施工黏度的高低,会造成涂膜出现流挂、桔皮等弊病,因此要根据不同施工方法和不同材质进行调节和控制。刷涂时黏度应为22～28s,浸涂时黏度在40～50s之间,一般喷涂时在15～25s,静电喷涂时宜在18～24s之间。
(4). 环境条件.采用喷涂方法施工时,对环境的温度和湿度的变化比较敏感。其环境的最佳条件为相对湿度(65±3)%,温度(23±3)℃。
(5).环境空气洁净度.闪蒸或晾干(预烘)过渡室要求10万级,对有装饰要求的喷涂室为1万级。
(6).水质要求.用于稀释涂料的水质,去离子水pH=7,电导率220S/cm;自来水pH=7,电导率170S/cm。
(7). 烘干.由于水性涂料涂膜中含水量较高,一般情况下,不能直接进入高温烘烤,因此要自行蒸发或先在50℃及90℃温度下分段升温,然后进入工艺温度烘干,而对浸涂的工件,在出槽后尚需流平。
5 水性涂料的涂装
(1)木制品的涂装.早在1988年美国南加利福尼亚对木器家具厂提出使用水性涂料,经过这些年的研究发展,已获成功。国内木器生产厂也已逐渐推广,水性涂料主要类型有:水性聚酯、丙烯酸及聚氨酯水分散体涂料、双组分聚氨酯和丙烯酸聚氨酯涂料。单组分和双组分聚氨酯涂料在目前应用相当广泛,水性木器涂料的综合性能已接近聚氨酯聚酯涂料。涂装工艺:底材打磨———涂底漆———打磨———刮腻子(2～3道,每道干燥2～3h)———打磨(600～1000#砂纸)———涂底漆———罩面漆(1～3道,每道间隔015h,前二道干燥后打磨采用1000#砂纸)———干燥(自干或低温烘干)。水性底漆,提高木材浸润性,增大附着力;面漆的施工可采用刷涂或喷涂,涂料经200目滤网过滤;涂料黏度为18～22s。家具涂装施工时涂膜要薄,防止流挂,采用多层薄涂,干燥时间按生产厂规定。
(2). 塑料制品的涂装 .以塑料取代木材、金属的趋势日益增加。在汽车零部件中,塑料比例已占25%以上。塑料底材表面处理主要有清洁处理和表面活性化,其目的是为提高底材与涂膜的附着,表面的油污可视塑料类型选用低级醇类和芳香烃及酮系溶剂。表面活性的方法有氧化处理、铬酸处理、电晕处理及等离子处理等。此外,由于塑料制品在压制成型后产生残余应力或局部结晶化,涂装时会发生开裂或细纹且不利于涂料润湿,可以分别采用退火或吹离子风来消除。这在开发和应用水性涂料中尤为重要。而表面功能化则是赋予底材导电,真空喷涂金属、紫外线保护层等特殊功能。近年来,国外推出塑料用的水性涂料,其主要品种有单组分水性丙烯酸醇酸涂料、水性丙烯酸聚酯涂料、单组分及双组分水性聚氨酯涂料、水性环氧酯涂料等。美国伊士曼公司出售含有一定量有机溶剂的PP专用水性底漆。常用的ABS、PC塑料制品涂装工序为:底材打磨或修整(适用于有毛刺或表面有缺陷的零件,包括填腻)———预处理(退火处理、醇类溶剂清洗或活性化处理、干燥)———消除静电(静电除尘)———涂底漆———晾干———烘干———静电除尘———涂色漆———晾干、流平———烘干———冷却———检验。涂料施工一般喷1～2道,每道膜厚10～15μm。膜层过薄,影响流平;膜层过厚,会产生流挂、缩边等现象。
(3).汽车涂装.欧洲汽车涂料中,除电泳漆外,中涂及面漆水性化比例很高。一半以上轿车厂的涂装线使用了水性中涂,六成的轿车厂使用水性底色漆(其中水性金属闪光底色漆的应用也很广泛,水性罩光漆也处于在试用完善中)。美国通用汽车公司的德国欧宝公司的艾森纳赫厂是涂装工艺全部实现水性化的第一家工厂。在日本本田、日产等汽车公司已有40%～50%涂装线采用水性涂料,涂料品种为水性丙烯酸聚酯型及水性聚酯氨基中涂漆,固体分为60%,涂料黏度40s(涂-4杯),固化条件140℃、30min,其性能接近溶剂型。国外轿车的涂装工艺为:电泳涂层(18～20μm)———水性中涂层(25～40μm,150℃、30min)———水性底色涂层(25～40μm,80℃、10min,本色或金属色)———有机溶剂或粉末罩光涂层或水性罩光涂层(35～40μm)。水性中涂漆主要有聚酯和聚氨酯漆,固体分为50%～60%,烘干条件分别为:140℃、20min、80℃、15min。水性面漆、底色漆主要有丙烯酸和聚氨酯漆.2002年DuPont公司为Volvo汽车公司开发了一种水性珍珠白色涂料采用三涂一烘(3C1B)工艺。即“湿碰湿”涂3道固化1次的施工,即在标准喷漆线上完成3层涂料1次固化的喷涂作业。据介绍,该工艺对施工环境温湿度条件较宽。国内轿车的涂装工艺(本色漆轿车):电泳涂层+水性中涂+高固体分有机溶剂型本色漆层。由于我国地域辽阔,南北气候差别很大,在现有改进的水性涂料施工工艺的温湿度适用范围,温度20～30℃相对湿度50%～85%,据介绍,东北地区基本上可满足,而我国南方地区在高温高湿的夏季,仍需采用特殊办法,上述3C1B工艺可获解决,但底色漆预烘干问题尚待研究。国外对水性涂料的喷涂都采用自动静电喷涂,而国内仍以使用手动喷涂为主。对水性涂料的喷涂也有采用将工件加热至35～40℃或将涂料加热至35～40℃进行的。
6 结语
水性涂料是当前发展迅速的环保型涂料,但在亚洲使用比例极低,仅为3%(欧洲为42%)。水性涂料在投入生产使用中投资较高,如设备的耐腐蚀、烘干室、强冷设备、生产场地温湿度条件控制调节设备等。但在现有设备上加以改造,也是可行的,在减少污染治理费用、降低材料消耗、保障操作人员健康等方面,能在短期内得到回报。
涂料生产厂要加快新型水性涂料的开发,提高现有水性涂料质量,减少涂装作业中的细小气泡和烘干过程中产生的气泡,降低固化温度和缩短闪干时间,提高光泽、硬度、外观装饰性及高温回粘等,以符合更广泛的使用要求。
相对于统治涂料世界近一个世纪的溶剂型涂料而言，水性涂料是我们涂料行业的一支新生力量，其诞生和发展主要是受到了人类对环境保护重要性的逐渐认知所驱动。自1966年美国加州颁布实施第一个挥发性有机化合物（VOC）法令以来，各国对严格控制VOC排放量、限制高VOC涂料产品的生产和使用的工作都已经提升到了法律法规的高度，水性涂料因其VOC含量极低且节省能源而成为现代涂料工业发展的主流方向。
据对全球各地区涂料产品生产的统计资料显示，北美地区水性工业涂料占了43％，溶剂型工业涂料只占51％；西欧地区水性工业涂料占了34％，溶剂型工业涂料只占52％；而在中国，水性工业涂料只占15％，溶剂型工业涂料则高达80.5％。由此可见，在涂料水性化领域我们与发达国家的差距还很大。所幸的是，这种局面正在改变。
首先，随着生活水平的日益提高，人们在装修的过程中越来越关注环保与健康，推动了对水性涂料的需求。
其次，近年来我国涂料业在水性涂料的研究、生产和应用等方面正以前所未有的速度向前推进，新产品层出不穷，扩大了水性涂料的市场空间。
第三，国家在政策法规等方面积极加以引导，其中今年颁布的《ISO14020国际标准配套涂料技术标准》对规范和促进水性涂料健康发展将起到非常积极的作用。最后，前些年由于水性涂料在价格方面的劣势，在一定程度上制约了其市场发展，而今年以来，原油价格出现了大幅度上涨，导致各地油性涂料的价格被迫不断提升，有的甚至已高过一些水性涂料，这种情况从某种程度上也推动了水性涂料的发展，使有些地方的水性涂料出现了令人振奋的旺销局面，这不能不说是水性涂料发展的一个难得的机遇。
现在，水性涂料在我国的发展可谓占尽了天时、地利、人和，我国水性涂料产业必将实现飞跃。最近在无锡举办的第三届环保型水性树脂及涂料技术研讨会预计参会人数160人，而实际人数超出了近一倍，这个人才济济的场面正是水性涂料蒸蒸日上的最好证明。
但是，我们也必须认识到，水性涂料也不是万能的，目前在许多领域以水性涂料完全代替溶剂型涂料还为时过早，一些水性涂料品种在耐水性、硬度、光泽等性能指标上目前还赶不上溶剂型涂料。在基础材料的研制、成膜物质的合成、成膜机理的创新、生产工艺的改进、制造成本的降低以及涂装工艺的成熟与规范等方面，还有很多工作要做。
