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水性涂料的现状与未来
2020年10月10日    阅读量:     新闻来源:PCI可名文化 Cynthia Challener,涂料技术撰稿人  |  投稿

水性涂料的现状与未来 涂料在线,coatingol.com

根据Transparency Market Research的信息,2017年全球水性涂料市场总值为731.9亿美元,在2018年至2026年间,预计将以5.0%的复合年增长率扩张。环保法规日趋严格,消费者对环保类产品需求上扬,行业对可持续发展的整体关注度变高,这些是推动水性涂料推广应用以及涂料配方中树脂、助剂、颜料技术进步的核心驱动力。


有业内人士指出,最初这只是一个区域性项目,旨在降低生活排放,现已发展为一项全球性运动,几乎扩展到所有应用领域中国牛涂网ntw360.com。中国政府至今仍在推进非常严格的环保法规,核心意图是在不损害涂料本身应提供的防护性能这一前提下,通过减少排放,来改善人类健康和空气质量。帮助打造更安全、更具可持续性的产品是行业责任,也是创新的核心。


从另一层面看,消费者更清楚产品对环境的长期影响,这也推动了涂料行业采用一部分或全部用生物基、可再生原材料研发更可持续的涂料和油漆。“由于石油与钛矿供应有限,且它们加工成用于涂料和油漆的聚合物和白色颜料也会产生碳足迹,这是一个需要全行业整个价值链成员共同解决的环境问题,”有专家表示。“向循环经济过渡意味着寻找生物基和可再生原材料的更多来源,拓展涂料和涂料中原材料的功能,并促进废弃涂料的回收利用。”


除了环保,水性涂料还有其他优势促使行业从溶剂型体系向水性体系转型。对于工业涂装应用来说,爆炸风险和保险费用的降低是一个重要因素。在中国,水性涂料的使用降低了废弃物清理成本,因为水性废弃物的清理成本低于危险的溶剂型废弃物。而在建筑涂料应用中,水性涂料的低气味是推动其在建筑涂料领域应用的主要助力,因为,建筑业者和行业操作人员开始越来越关注溶剂型涂料的气味问题。


水性涂料性能上的进步让它们的应用范围更广。水性技术的提升,可以让配方设计师在一些原本由溶剂型涂料(包括DTM)所主导的领域或者是一些特殊性能需求(如高光泽)的领域,都有了更大的施展空间。水性涂料兼具性能和价格优势,对终端用户来说更具吸引力。水性涂料性能的提升,不仅仅得益于树脂技术的进步,也来自于专为水性配方设计的助剂。


越来越具竞争力的性能


在行业内有一个基本共识,水性涂料在许多应用中已达到甚至超过了它的溶剂型竞品的性能。在轻防腐应用领域,水性涂料已经表现出来极具竞争力甚至更有优势的性能水平,尽管传统观念里,它还无法与溶剂型相媲美。虽然重防护应用的门槛更高,但水性涂料系统实现重防护目标的清晰路径正在实现中。比如,一些树脂在疏水性方面让涂层的光泽度、干燥时间、水敏感性和耐腐蚀性都得到了改善。因此,水性工业涂料正在迅速获取发展的动力,且开始改变人们认为水性涂料无法像溶剂型产品那样承受一些必要的严苛性能要求的误解。


以具有优异性能的水性解决方案——水性双组分(2K)地板涂料为例,调配出满足应用和性能要求的环氧树脂产品,并将其涂布至恰当处理过的基材上,也可以具备与溶剂型涂料系统相当甚至更高的性能水准。水性建筑涂料的表现也不遑多让,许多户外应用通常更偏好水性涂料而非溶剂型涂料。其中,水性内墙乳胶漆因其改良的性能、易用性、外观、更低的气味以及不黄变,从而占据了这个细分市场的主导地位。


尽管水性解决方案取得了很大进步,但是汽车外饰清漆和高耐腐蚀涂料多数仍然采用溶剂型涂料系统,因为前者尚不能达到制造商对涂层的高耐候性、耐化学性要求。水性汽车内饰涂料可能也还存在一些性能差距。其他一些例外,包括用于水线以下防护的船舶涂料、必须在低温下施工的涂料,以及在限定的环境下,现场施工的情况,例如输油管道和坦克内饰。


专家认为,“总而言之,如果没有监管,切换至水性系统,则需要在成本上保持相当,且性能几乎一样。即使有监管推动,可对于行业而言,(性能和成本间如果存在)巨大的失衡从长远来看也是不可持续的。”


研发更好的基料


水性涂料性能的提升部分归结于树脂技术的重大进步,包括在周边环境温度下起效的新形态和交联机制。最新的分散技术,允许最小值的亲水改性,或者消耗掉全部或部分的亲水基团,从而得到良好的水分散效果和系统稳定性,这十分重要。特别是由于其乳化及分散特性,水性基料不需要像溶剂型基料那样保持极低的固含量和很高的VOC,其分子量可以比溶剂型基料高得多,这就使水性基料很适用于单组分(1K)涂料系统的应用。水性涂料的发展将持续推进更具性价比的树脂技术的开发。


在以水性涂料为主的建筑涂料市场,仍然需要可以提供持久性高光泽和不需要特别的表面前处理,即可附着在多种基材表面的水性树脂。“最近水性醇酸树脂的进展令人兴奋,高质量的水性醇酸树脂不断渗透进入木器和金属基材应用领域,这两个领域,需要高光泽,以及对各种质量、类型基材的附着力。”阿科玛开发了SYNAQUA®4804醇酸乳液,用于替代具有相同外观和效果的高光泽溶剂型树脂,这是一款不含APEO的无氨短油醇酸乳液,用于各种低VOC和低气味的涂料系统中。


乙烯基和丙烯酸乳液聚合物体系也在不断改善。新的树脂技术可以实现高度防水、低气味、除醛,这些使制成的涂层体系极具吸引力。瀚森的支化乙烯基酯单体改性的乙烯基和丙烯酸乳液聚合物具有更佳的耐碱性、持久的防水性,在低表面能基材上的干湿附着性能也更好,使其成为木器着色、户外砖石涂料和屋顶弹性涂层系统的理想选择。水性环氧基料系统也已取得了长足进展,从只适用于混凝土和砖石体系,到在金属基材上提供轻型至中型防护性能,如瀚森的NewGenTM环氧系统,具有出色的防腐蚀性能。近年来,行业已经开发出适用于水性、富锌底漆,拥有更经济的基料成本,更高的耐碎裂性和柔韧性的涂层系统。瀚森推出的AQUAREOUSTM环氧水分散体,可用于配制超低VOC(1-50g/L)的涂料系统,其性能与溶剂型竞品类似。该分散体已通过欧盟eco-INSTITUT的严苛测试,可以采用无溶剂固化剂固化,可用于防腐底漆、中涂和环氧地坪涂料系统。 


大部分水性涂料市场所需要的属性,是单组分(1K)涂料的易用性和良好性能兼备。过去,这似乎如同想要涂料从罐中流出然后自行涂装一般的白日梦。但是,在聚氨酯分散体领域,有几款新型树脂,可以用于配制单组分水性聚氨酯涂料系统,该系统具备单组分涂料的易用性,但性能与传统的双组分(2K)溶剂型或水性涂料相当。这项技术应用于木地板、橱柜保养和翻新,以及户外铺路地砖、装饰性混凝土密封和翻新所用涂料体系中。


针对单组分水稀释型地板涂料,科思创开发了Bayhydrol®UH2874,一种脂肪族、脂肪酸改性的阴离子聚氨酯分散体,和Bayhydrol A 2846 XP ,这是一种自交联的羟基光能团聚丙烯酸分散体。针对混凝土地板和铺路地砖材料,有脂肪族、氧化固化的聚酯-聚氨酯分散体Bayhydrol UH XP2592,以及阴离子聚碳酸酯聚氨酯分散体Impranil®DL2077,可用于配制高性能单组分PU混凝土封闭底漆,可防止色斑和化学侵蚀,且即便是经验不足的施工人员,也方便操作。


路博润还专注于高性能单组分(1K)水性涂料的研发。该公司推出了以AptanlonTM聚酰胺聚氨酯技术为核心新型水性聚氨酯分散体。基料采用聚酰胺多元醇制得,旨在提供独特的保护性能,在透明性、硬度、耐化学性和耐磨性上与溶剂型双组分(2K)涂料相比并不逊色。


回到工业涂料市场,水性丙烯酸乳液在应用上有着巨大的潜力,特别是在现场保护涂层应用中,如直接可接触金属(DTM)基料。在降低VOC含量(低于50g/L)以及性能提升上的技术进步让丙烯酸乳液技术不断突破。如今的水性丙烯酸技术突破了原有的耐腐蚀性能水平。陶氏的AVANSE乳胶颜料复合技术,有助于形成具有更好封闭性能的涂膜,不仅防腐蚀性能增强,耐候性也得到了提升;以及该公司的MAINCOTE4950和MAINCOTE5045,让高光DTM面漆的VOC分别低于50g/L和25g/L。


更高性能的水性双组分(2K)涂料也在开发中。例如,陶氏的MAINCOTE AEH 丙烯酸环氧树脂杂化技术,在低VOC的双组分(2K)水性涂料系统中,结合了丙烯酸和环氧树脂的优点,其耐腐蚀性、耐化学品性和耐溶剂性接近于溶剂性环氧涂料,而户外耐久性和柔韧性则优于溶剂性环氧涂料。瀚森为2K水性面漆开发了一种基于CarduraTM缩水甘油酯技术的一站式新型树脂生产工艺,该树脂可以使清漆具备良好的耐久性,且快干,同时外观效果也很不错。湛新公司另一款应用于工业领域的非异氰酸酯水性双组分系统,采用湛新Acure技术,降低了VOC、提升了漆膜外观,且具有高耐成膜性。此外,赢创也开发了一款用于热烹饪炊具涂料的水性硅酮聚酯环保基料,为基于硅烷低聚物技术的水性富锌底漆引入了新的概念,并推出了符合世界各地环保法规监管要求的,基于有机硅环氧树脂的环保面漆。


助剂技术进展


助剂技术的进步对于开发更高性能的水性涂料同样重要。由于水的表面张力较高,因此颜料的使用必须合适,且要经过润湿和稳定,最佳涂料生产工艺的实现还要确保合适的黏度,且离不开活性消泡。水性涂料的本质,使其对于消泡、流动与流平、遮盖力、抗划痕以及抗黏连等性能的控制极具挑战性,而助剂就是用来解决这些问题的。(助剂技术的)最新进展,让配方设计师可以克服表面张力的阻碍,克服宏泡和微泡,达到与溶剂型涂料系统相同水平的性能。在水性涂料中,满足低用量但同时具备几种助剂功效的多功能高性能助剂,将持续发挥重要的作用。


例如,Troy推出的用于“绿色”水性涂料的Z系列高性能助剂,在几乎或完全没有VOC、APE或HAPs的情况下提高了涂料的性能。最新的进展是TroysperseTM ZWD系列多功能分散剂。新的分散剂技术,可以让水性涂料得到更好的展色性,并赋予漆膜功能性性能如耐水性。路博润的SolsperseTM W系列超级分散剂运用在水性配方中,在降低所需分散剂的用量、降低水敏感度、减少研磨时间等方面表现优异。


此外,流变助剂也取得了关键进展。使用纤维素增稠剂增稠,涂料大量飞溅和滴落的日子已成过往。配方设计师们现在可以让涂料具备多种特性,如单涂覆盖、耐磨损、表面光滑、外观与颜色均匀等。具体而言,以基于大豆油和亚麻籽油衍生物的流变助剂和聚结剂为例,其VOC含量为零,且含95%以上可再生物质。这些助剂是在符合极高环境标准的设施内生产的,废弃物排放为零,且相比于石化基的竞品,对其成本基本没有影响。基于环氧化物的新型表面活性剂,也有助于实现水性涂料和弹性体的早期耐水性、附着力和耐久性等性能的更高标准。新型表面活性剂更易于混入水中,便于生产,并可以改善漆膜耐久性、手感和漆膜外观。该领域一大重要进步是,开发了APEO和NPEO表面活性剂的替代品,比第一代产品的易用性更强,同时,在浸出和开罐时间等方面提升了性能。


ADDAPT Chemicals BV公司的新型附着力促进剂,采用了瀚森的VeoVaTM乙烯基单体作为活性稀释剂。VeopoxTM系列的杂化聚合物附着力促进剂旨在提升环氧类、醇酸类和丙烯酸类基料的附着性能。这些助剂可以改善在不同基材上的附着力,还能提升DTM应用中的防腐蚀性能。


未来值得大家关注的助剂技术包括纳米材料和石墨烯,许多公司已经开始探索它们在水性涂料体系中的应用了。


颜料性能不断完善


由于水和溶剂特性不同,水性涂料和溶剂型涂料体系对颜料特性的要求也不同。Sun Chemical有一整套技术方案,管理流变性、抗絮凝性、显色性和稳定性。要达成这些指标所使用的技术与开发溶剂型涂料所运用的技术截然不同。围绕水性涂料应用的颜料技术的重要进展是表面改性的进步,这让颜料能够更好地与水性配方适配。现在,我们已经能够做到溶剂型体系中同样的颜色,其他方面的进展也非常大,例如提升了颜料的稳定性和耐光性,这让涂层更耐久。颜料是和涂料是一起“进化”的。


颜料技术的一个重大进步是聚合物和颜料的结合,以更有效的色素间距和分散,让涂料“轻量化”,节约成本,提高着色效率。行业需要找到二氧化钛的替代物。二氧化钛对于提升涂层的白度和不透明度很重要,但是在成本和可用性上带来一定挑战。此外,欧盟有关于油漆和涂料生产过程中二氧化钛(TiO2)粉末的标识和使用的新规定,将其归为有害物质的一种。阿科玛推出了CELOCOR®聚合物和CELOCOR AF不透明聚合物,这是两种能够有效提升涂料和尤其遮盖力和白度的中空的乳胶制品,可以用来代替部分TiO2。


根据业内人士的观点,行业其他的发展趋势集中在,如何在颜料用量不变的前提下,实现更高的色度和光泽度,且更方便加工处理,迄今为止,这只适用于部分颜料浓缩物的分散添加剂,而非单独研磨的分散助剂。


待解决的挑战


尽管水性涂料越来越受关注,但仍存在很多难题待配方师和原料供应商解决。其中一个非技术性难题即与水性体系的高成本有关。对此,高性能的实现需要用到特殊的助剂、颜料、填料和改性剂,这些都比溶剂型替代品更贵。因此,剩下的缺口与提高这些水性基料的坚固性有关,只有这样,配方师在选择助剂和配方工具时才能有更多余地去选择那些相对便宜的。


在许多应用中,相较溶剂型体系,水性体系进行风干时需要消耗更多的能量。降低涂料配方的总成本,减少风干所带来的环境影响,特别是通过使用生物基原材料来提升原材料的可持续性等,这些都是必须要解决的重要难题。


水性体系问题的核心在于涂料中含有水。与溶剂型树脂相比,水性基料的配方仍然具有挑战性,需要特别小心原材料的添加、pH值的控制、高速混合。对于企业而言,一些科研资源和经验的加持会帮助加快自身水性技术的开发。如果不使用聚结溶剂,既要满足减少VOCs和HAPs(有害空气污染物)的要求,又要在可再生成膜和粘合方面达到预期的性能是很困难的。溶剂含量极低前提下,涂料配方师只得依赖于新开发的水性树脂和助剂所固有的特性来应对这些挑战。


在大多数专家们看来,最大的挑战还是在应用层面。水性体系是可以实现溶剂型体系的性能;但主要的挑战是如何使涂层得到最佳的应用和固化。比如,在汽车OEM领域,水性涂料很难喷涂和固化,特别是喷涂设备、喷漆室和烤炉需要大量的资金投入。应用工程师通常需要接受高层次的培训,才能充分实现水性配方预期的性能。对于非专业人士来说,较短的开罐时间使得很难在油漆在罐内凝固之前完成使得在油漆开始在罐子里凝固之前完成喷涂工作。水性涂料在金属基材上容易引发闪锈,而在木制基材上容易形成纹路。


原材料的开发和由此产生的水性涂料配方,使其具有良好的应用特性(如喷涂质量和干燥性能),并能在各种环境条件(如温度、湿度)下在现场和工厂应用涂料中保持良好的最终性能,是当前的一个重要目标。水性配方应不断优化,以解决一些潜在的问题,如滞留气泡,起泡、较低的凹陷阻力。除需进行恰当的表面处理,成膜和聚结对于基于分散的涂料来说至关重要;因此,控制温度和施工时的湿度非常重要。喷漆室和应用生产线非常适合水性涂料,它们通常被设置在NESHAPS(国家有毒空气污染物排放标准)和VOC排放控制最严格的区域。然而,在室外,施工人员可能会遭遇各种湿度和温度条件,还可能会出现突发阵雨,因此了解施工窗口非常必要。


了解水性配方中微生物增长的潜在影响也很重要,这会导致潮湿状态下配方污染问题。油漆和涂料中做湿态防腐,对抑制细菌、真菌和酵母的生长,是有效的解决方案。来自Troy等供应商的湿态防腐剂并不会有损配方的环保和可持续性。现在,最有效的湿态防腐剂是多种活性组合物,例如Troy的Mergal®和Nuosept®,能有效预防多种微生物污染,在快杀和长效防护之间达到最佳平衡。


其他需要改进的地方:具有更好储存稳定性和更长保质期的基料,以及可以在较高固体含量下配制的粘合剂。水性基料的固体含量通常低于溶剂型,但较低的固体含量让配方更难达到同等性能标准下足够的干膜厚度。如果固体含量相同,水性基料可以达到溶剂型产品的性能。水性涂料也更难以修复,这可能导致更高的废品率和生产过程中更大的浪费。环保且具有更佳的润湿附着力的混合型水性基料,可以应用在不同的温度和湿度条件下,具有较好的疏水性,可以快速固化,较高的硬度和优异耐化学品性能,这些对缩减水性与溶剂型产品之间性能差距非常重要。


在添加剂方面,有一些新技术用于抗粘附添加剂或混合基料,以减少灰尘的吸附,提供更好的抗指纹性能和抗冰能力,尤其适用于风力磨坊和ACE领域的应用。Mertsch指出,在湿碰湿工艺中,涂料需要添加添加剂,以减少对流变的影响,提高防针孔性能。


克服配方成分难题


虽然大家普遍认为水性涂料比溶剂型体系更加环保,但对于水性配方仍然需要使用一定量的添加剂还存有一定争议。如欧洲禁止使用烷基酚乙氧基化物,而大多数原材料供应商和涂料配方师已经或正在转向不含这些化合物的产品。


树脂制造商必须为涂料配方师提供他们开发各类涂料产品所需的信息和材料。部分职责所在是需确保涂料配方师有制配满足客户需求的产品的必备工具,同时满足监管要求和更广泛的可持续性发展目标。阿科玛的EnVia®品牌认证计划就是为了实现这一目标而制定的。带有EnVia®标识的产品代表它们不含APEO表面活性剂、甲醛或甲醛供体,无人为添加致癌物、生殖毒素或消耗臭氧层化合物,拥有较低的残留单体水平(总单体含量<500ppm)、总乳胶VOC含量<5g /L。


对水性涂料的另一顾虑在于配方中杀菌剂的使用。将水性涂料保存在湿润状态一直面临巨大挑战。监管法规,尤其是欧洲这边,已经减少了可供配方师选择的活性化学物质清单。由于毒理学原因异噻唑啉酮类(BIT、MIT等)的生物杀菌剂已被消除,这大大加剧了对水性涂料灭菌的难度。目前,并没有无毒但功效相当的直接替代物。再加上特定化学品的供应短缺,比如今年BIT短缺,如此种种迫使制造商和供应商不得不寻找替代解决方案。


事实上,一些公司正在寻找非生物杀灭的解决方案。据悉,赢创正在开发一种新的保存机制,既不含抗菌剂,又能预防水性分散体的污染。瀚森公司提到有一种方法是在高PH值下制配基料,才能抑制微生物的生长。瑞士聚合物分散体制造商Vanora选用瀚森VeoCryl技术,结合VeoVa乙烯基酯和丙烯酸酯单体,开发了无生物灭菌的乳液聚合物。新分散剂含有水玻璃,以增加pH值,还有一种稳定的基于VeoVa乙烯基酯的疏水性聚合物,具有良好的耐碱性和耐水性。


当使用干膜防腐剂时,还有一些因素必须考虑,特别是已施工涂料会析出杀菌剂。


封装活性化学物质是实现高性能和可持续性目标的方法之一。封装活性化学物质是实现高性能和可持续性目标的一种方法。由于仅有少量的化学物质被过滤到环境中,抗浸出性会使涂层的防护效果比使用传统防腐剂的涂层更持久,同时也减少了对环境的影响。Troy公司已经推出了一种新型的控释干膜防腐剂,能够增强活性物质的抗浸出性,包括新型的Polyphase®和Troysan®控释防腐剂。


观念认知偏差


水性装饰涂料因其易用性和美化功能被消费者接受。但在这些应用之外,最主要的挑战是观念认知偏差:即便已有大量的科学依据佐证,人们依然不认为它能像传统溶剂型材料那样发挥作用。尽管事实上,我们已经看到水性产品的耐腐蚀性能已经超过了溶剂型产品,但仍有很多人对水性涂料可以应用在金属基材上以增强耐腐蚀性抱持怀疑态度。这是由于应用经验不够导致信心不足,毕竟水性体系是在近几年才开始应用。还有一种观念偏差,认为粉末涂料在性能和环保性上优于水性涂料,尽管水性涂料可以提供许多相同的效益,而且性能差距实际已经缩小。


虽然水性涂料确实增加了多重复杂性,但这些复杂性可以而且正在被控制。水性涂料的缺点或优点在很大程度上取决于配方设计师的要求或需要。改变这种观念的关键是树脂制造商、配方商和应用商之间的竭诚合作,展示出水性体系真实优点。


关于水性技术的最后一些思考


而今,超过一半的涂料是水性的,人们普遍预期水性涂料的增长速度将继续高于平均水平,因此有必要提高人们对水性涂料性能的认识。与此同时,也有必要认识到,还有其他几种可用于终端用户的可持续涂层技术,包括高固溶剂型、无溶剂、粉末和UV固化系统,每一种类型的涂料都有自己的优势,同时也都面临着一些挑战。长期来看,由于石化聚合物和钛对全球环境的危害越来越大,涂料行业也需要获得更多可持续的原料。行业还需要仔细评估在工业应用中使用水基系体系的好处是否足以消抵水基体系固化所需的能源造成的碳足迹的大量增加。


产品质量和安全标准的全球一致性是另一个重要趋势。从全球来看,消费者对解决空气和水污染问题、帮助保护环境、食品和水源、帮助降低碳足迹的产品的偏好正在增长。因此,水性产品的开发必须更加全球化,而非区域性的,水性涂料供应商的解决方案也必须更加全球化。



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