1.1 世界涂料工業(yè)現(xiàn)狀

涂料是施涂于各種物體表面，提供裝飾與保護(hù)功能的一類材料的總稱，與塑料、合成橡膠、合成纖維、膠粘劑并稱為五大合成材料[1]。環(huán)顧我們的周圍，從我們居住的房屋，使用的家具，到各種交通工具如飛機(jī)，汽車、輪船等，處處都有涂料的存在。

涂料已經(jīng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高有著密不可分的關(guān)系，涂料產(chǎn)量及人均產(chǎn)量已成為當(dāng)代世界各國(guó)衡量經(jīng)濟(jì)水平的標(biāo)準(zhǔn)之一[2]。當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的工業(yè)大國(guó)，其涂料產(chǎn)量及人均產(chǎn)量都是世界名列前茅的。如美國(guó)、日本、德國(guó)等。

上個(gè)世紀(jì)20年代硝基漆的出現(xiàn)被認(rèn)為是涂料第一次與科學(xué)結(jié)合的標(biāo)志，其后，高分子科學(xué)的發(fā)展為現(xiàn)代涂料科學(xué)技術(shù)奠定了雄厚的基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代涂料發(fā)展的主要推動(dòng)力。但是，只有高分子科學(xué)并不能使涂料成為一門獨(dú)立的科學(xué)。

涂料的構(gòu)成中不僅需要聚合物，而且需要各種無(wú)機(jī)和有機(jī)顏料以及各種助劑、溶劑，只有這些組分合理的配合，才能實(shí)現(xiàn)涂料的裝飾與保護(hù)功能。為了制備出穩(wěn)定、合用的涂料以及獲得最佳的使用效果，不僅需要高分子的知識(shí)、還需要膠體化學(xué)、流變學(xué)、光學(xué)等學(xué)科理論的指導(dǎo)。

可以說(shuō)，涂料科學(xué)是建立在高分子科學(xué)有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、膠體化學(xué)、表面化學(xué)和表面物理、流變學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和顏料等基礎(chǔ)上的 新學(xué)科[3]。因此，涂料學(xué)科的研究需要借助這諸多學(xué)科的成就，結(jié)合涂料本身的特點(diǎn)，靈活地加以運(yùn)用和發(fā)展，形成涂料學(xué)科本身的理論體系，指導(dǎo)生產(chǎn)。

20世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國(guó)家先后提出無(wú)公害（無(wú)污染）、省資源、省能源為發(fā)展涂料工業(yè)的前提，經(jīng)濟(jì)、效率、生態(tài)、能源為發(fā)展涂料工業(yè)的四大原則[3]。

節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，發(fā)展高性能材料是世界各國(guó)人民共同的呼聲。近年來(lái)，作為環(huán)境主要污染源之一的涂料工業(yè)的技術(shù)水平有了新的飛躍，研究和開(kāi)發(fā)節(jié)約資源、無(wú)污染或少污染的涂料品種如高固體分涂料、水性涂料、無(wú)溶劑涂料成為涂料科學(xué)的前沿研究課題[4]。與此同時(shí)，人們對(duì)涂料的性能要求也越來(lái)越高，這一切都是涂料工業(yè)界面臨的挑戰(zhàn)，也成為涂料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。

1.2 水性涂料發(fā)展現(xiàn)狀

以水為溶劑或分散介質(zhì)的涂料為水性涂料。進(jìn)入上世紀(jì)90年代，水性涂料發(fā)展的非?？欤呀?jīng)形成多品種、多功能、多用途、龐大的體系。可以根據(jù)以下幾個(gè)方面來(lái)劃分類型：1 粘接劑的類型；2 干燥方法；3 應(yīng)用領(lǐng)域。比較明確的方法是考慮不同的粘接劑在水中的穩(wěn)定狀態(tài)，分為“真溶液”、膠體溶液、分散液和乳液幾種。

1.2.1 涂料的組成

涂料雖然有很多的種類，但其基本組成由四種物質(zhì)組成：成膜物質(zhì)、顏料、溶劑和助劑。成膜物質(zhì)是形成涂膜的物質(zhì)，他是具有聚合活性的天然油脂加工物。顏料可以使漆膜呈現(xiàn)顏色并具有遮蓋力，增強(qiáng)機(jī)械性能，漆膜的耐久性及某些特殊性能，例如防腐蝕，防污染等。溶劑使成膜物質(zhì)均勻溶解，干燥形成具有光澤的漆膜。助劑包括增塑性，催干劑，乳化劑，分散劑，固化劑等[5]。

1.2.2 水性涂料研究進(jìn)展

國(guó)外研究進(jìn)展自40年代鋁被美國(guó)選為熱交換器的優(yōu)良材料以來(lái)，美國(guó)、日本、意利等少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在五六十年代對(duì)熱交換器的結(jié)構(gòu)、形狀進(jìn)行了認(rèn)真的分析和研究以提高其熱交換率。70年代以來(lái)，開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在提高鋁翅片表面的性能上，開(kāi)發(fā)了波紋翅片和百葉窗式翅片。西方國(guó)家從80年代開(kāi)始相繼對(duì)散熱片用鋁箔進(jìn)行了親水憎水處理，采用人工涂層賦予鋁箔表面較強(qiáng)的疏通冷凝水的能力。在八九十年代，相繼報(bào)道的有非親水有機(jī)膜、含硅親水有機(jī)膜、無(wú)硅親水有機(jī)膜等[6-8]，其中疏水處理的并不多。意大利Fosfacal公司開(kāi)發(fā)了BRUGAL憎水處理液[9]，該處理方法工藝流程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，所得涂層附著力高，耐腐蝕性強(qiáng)，但水接觸角僅70°左右，效果并不理想。在國(guó)外，親水處理方式居多，對(duì)此美、日、英等國(guó)皆有報(bào)道。親水性處理又分為無(wú)機(jī)系處理、有機(jī)系處理及有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合系處理。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)機(jī)涂料價(jià)格便宜，涂膜的親水性好，但涂膜的耐蝕、無(wú)臭味性差，且加工時(shí)易磨損模具；有機(jī)及復(fù)合涂料成本較高，涂膜的親水性較差，但膜的成型性、耐蝕性、無(wú)臭味性等較好，目前國(guó)外趨向于開(kāi)發(fā)高性能的有機(jī)涂料。無(wú)機(jī)水玻璃親水涂膜是經(jīng)過(guò)化學(xué)氧化處理的鋁或鋁合金表面涂上一層主要成分為二氧化硅和氧化鈉的涂料得到的，可用 mSiO2/nNa2O 表示。該涂膜的親水性能優(yōu)良，但因含二氧化硅，使膜的硬度大加工時(shí)磨損模具，且硅酸鹽本身會(huì)腐蝕鋁材，二氧化硅型軟鋁石涂膜同樣存在這個(gè)問(wèn)題。Masaski等研制了一種改性的無(wú)機(jī)涂膜，該涂料加入了一定量的有機(jī)高分子化合物[10]，主要成分為堿金屬硅酸鹽、無(wú)機(jī)固化劑和水溶性有機(jī)高分子化合物。其中堿金屬用來(lái)提供親水性;固化劑用來(lái)調(diào)節(jié)膜的硬度并提高膜的耐水溶性:有機(jī)高分子化合物的作用是消除或掩蓋臭味及維持涂膜的親水性。日本Mitsubishi公司開(kāi)發(fā)出軟鋁石系列親水涂膜，該系列二層涂膜的親水角小于20°，三層涂膜小于10°，耐蝕性的鹽霧試驗(yàn)336 h失重小于5%，涂膜具有良好的親水性和耐水性[11-12]。

有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合親水涂料是由親水性樹(shù)脂和少量的硅酸鹽或可溶性硅膠組成的該涂料成膜的親水性、耐蝕性及無(wú)臭味性等主要由有機(jī)高分子化合物提供，加入的硅酸鹽硅膠可進(jìn)一步提高其親水性或調(diào)節(jié)其硬度。早在1988年前西德就報(bào)道了一種由底、中、面三層組成的復(fù)合涂層體系，效果不錯(cuò)。日本Tanaka及Tmai各自研制的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合親水涂膜均具有良好的親水性和耐蝕性，但親水涂料的研究進(jìn)展的硅酸鹽致使涂膜發(fā)出似泥的臭味。而B(niǎo)unji等研究的雙層復(fù)合親水涂膜則具有良好的親水性、成型性和無(wú)臭味性。有機(jī)親水涂料處理是形成以親水性樹(shù)脂為主要成分的涂膜的處理方法，涂膜中不含無(wú)機(jī)物。涂膜的親水性依賴于親水樹(shù)脂中的-OH基、-NH2基、-SO3H基、-COOH基、-C-O-C-基等親水官能團(tuán)。作為親水助劑，多數(shù)場(chǎng)合兼用少量表面活性劑，涂膜的耐蝕性不太好，通常需對(duì)基底實(shí)施耐蝕性處理。該涂層是由有機(jī)樹(shù)脂構(gòu)成的涂膜，不會(huì)磨損金屬模具，空調(diào)運(yùn)行時(shí)沒(méi)有臭味，因此開(kāi)發(fā)高性能有機(jī)親水涂料是各國(guó)目前乃至今后重點(diǎn)研究的課題。日本是目前世界上申請(qǐng)親水涂料專利最多的國(guó)家也是世界上最早從事親水涂料研究并實(shí)現(xiàn)親水涂層鋁箔工業(yè)化生產(chǎn)的國(guó)家之一生產(chǎn)的親水涂料質(zhì)量居于世界先進(jìn)水平。如日本神夕，制鋼公司開(kāi)發(fā)的系列KS105型雙層丙烯系有機(jī)涂膜第一層為耐蝕性樹(shù)脂層，膜厚為0.5～1.5μm；第二層為丙烯系親水樹(shù)脂層，膜厚0.5～1.5μm；涂膜具有良好的親水性、耐蝕性及無(wú)臭味性并且對(duì)預(yù)涂層鋁材加工模具磨損小。

親水涂料研究的最初目的是為解決空調(diào)熱交換器鋁箔出現(xiàn)的“水橋”及“白粉”等問(wèn)題，隨著親水涂料研究的進(jìn)一步發(fā)展，親水涂料的應(yīng)用范圍日趨廣泛，可用于金屬、塑料、玻璃制品的表面處理或涂裝，具有長(zhǎng)期的親水性以防止露點(diǎn)壓縮或起電[13]，如在高潮濕環(huán)境中的鏡面、燈具、汽車擋風(fēng)玻璃及某些裝甲武器的視窗等涂上親水涂料可避免因起“霧”而使透光性和透明度等明顯下降的現(xiàn)象。防污鍍錫油漆已經(jīng)被用于船體控制生物污垢，盡管性能較好，但由于環(huán)境問(wèn)題而受到限制[14-17]。鑒于親水涂料的廣泛用途，現(xiàn)在國(guó)外親水涂料的研究的熱點(diǎn)已是開(kāi)發(fā)具有特定用途的親水涂料配方，確定最佳工藝條件。美國(guó)莊臣及莊臣視力產(chǎn)品有限公司發(fā)明了具有親水性涂層的生物醫(yī)學(xué)裝置。日本Anazawa等發(fā)明了一種耐沾污、防污、防霧、抗靜電的親水半互穿網(wǎng)絡(luò)的親水涂料，其親水性、耐沾污性、光澤、水涂料成膜往往需要親水樹(shù)脂在200℃的高溫烘烤數(shù)十秒來(lái)進(jìn)行熱固化交聯(lián)成膜，不甚方便。日本Ishibashi等人發(fā)明了一種液型親水涂料，該涂料可在室溫條件下固化交聯(lián)，所得涂層表面初始、持續(xù)親水性極好，抗劃傷性也好。而用光催化成膜的親水涂料多為有機(jī)復(fù)合親水涂料，涂膜的親水性能、耐腐蝕性等性能[18]。

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