涂料研究开发新进展及关键科学与技术问题

科学视点

涂料研究开发新进展及关键科学与技术问题

武利民

(复旦大学材料科学系，国家教育部先进涂料工程研究中心，上海200433)

摘

要:阐述了近年来国内外涂料的研究开发现状，包括:利用新的树脂合成方法获得新的成膜物;直接引入无机

纳米粒子以改善涂层性能;表面微纳结构构建以获得功能涂层等;提出了未来涂料技术的发展趋势，包括:环保化和健康化;通用涂层的高性能化;多功能化和智能化等;和需要突破的关键科学与技术问题。当企业发展到一定阶段和规模后，要加强科研开发的投入，加强产学研合作，加强基础研究，要敢于开发国外没有的技术和产品，敢于领先国外技术，才能真正成为涂料强国。

关键词:研究开发;技术趋势;关键科学与技术问题中图分类号:TQ 630.4

文献标识码:A

文章编号:0253－4312(2012)01－0075－05

Recent Progress in Research and Development of Coatings and Its Key Issures in Science and Technology

Wu Limin

(Department of Materials Science ，Fudan University ，The Advanced Coatings Research Center of Ministry of Education of China ，Shanghai 200433，China )

Abstract :This paper has described the state of arts in coatings at home and abroad ，including new and novel binders by novel synthetic processes ，introduction of nanoparticles to improve the performances of coat-ings ，and desigh of micro －nano structure on surfaces to acquire functional coatings．Then indicated in the pa-per were the future technology development trend of coatings ，which included environmental friendly coatings and healthy coatings ，high performance coatings ，multi －functional coatings ，and smart coatings．Finally some key scientific and technological issues based on our knowledge and related research experiences were listed．

Key Words :research and development ;technology and trend ;key scientific and technological issues

作者简介:武利民(1963—)，男，博士、教授，研究方向:功能涂料研究开发。

我国继2009年涂料总产量以755.44万t 超越美国成为世界第一后，2010年涂料总产量更达到966.6万t ，成为了名副其实的涂料生产和消费大国。作为涂料人，自然会感到兴奋、激动，但高兴之余，我们还应该进行另一种思考:中国民族涂料企业到底掌握了多少核心技术?中国何时能真正成为涂料强国?为此，

本文对我国涂料研究开发的新进展及存在的问题进行探讨，希望能为中国涂料的研究开发方向与技术发展趋势提供一些参考作用。

1

国内外研究现状

1.1

利用新的树脂合成方法获得新的成膜物

树脂作为涂层的关键材料———成膜物质，直接影响涂层

的物理、化学、机械性能和涂层的表面微观结构等。近年来，人们试图通过探索新的树脂合成方法以获得新的树脂成膜物，例如，乳液聚合广泛用于合成树脂、涂料、塑料、橡胶和胶粘剂工业等。常规乳液聚合一般需使用大量有机小分子乳化

剂先在水相中形成胶束，然后通过加入引发剂引发溶解在水中的少量单体产生低聚物自由基，这些低聚物自由基进入含有单体的乳化剂胶束中进行链增长、链终止进而形成聚合物乳液。但部分有机小分子乳化剂最终都残留在树脂中，对涂层的性能产生很大的负面影响(如耐污性和耐候性差等)。为此，近年来人们借助辅助单体，以酸－碱为驱动力，开发了新的无皂乳液聚合方法。例如，

Percy 等［1－3］

利用纳米SiO 2表面

硅羟基呈弱酸性的特点，在单体聚合中加入少量含碱性基团的辅助单体，在聚合过程中，纳米SiO 2粒子通过酸－碱相互作用吸附到单体液滴或聚合物乳胶粒子表面起乳化剂作用，整个过程中无需加入任何有机小分子乳化剂，以无皂乳液聚合

方法获得了丙烯酸树脂。Chen 等［4－6］

以酸－碱并进一步以静电或氢键为驱动力，采用无皂乳液聚合方法制备了以纳米SiO 2粒子为“乳化剂”的丙烯酸树脂。Xue 等［7］将这种纳米SiO 2粒子稳定的丙烯酸树脂无皂乳液进行工业化应用后，涂

层的耐污性、耐水性、耐久性等都有显著提高。

Koukiotis 等［8］通过微乳液聚合的方法制备了高度透明的

第42卷第2期涂料工业

Vol．42No．22012年2月PAINT ＆COATINGS INDUSTRY Feb．2012

科学视点

MMA /BA 共聚物微乳液，固含量与普通的聚合物乳液相当，并发现制备的乳液具有非常奇特的性质，不但涂膜性能优异，而且最低成膜温度显著下降，为新型水性纳米树脂的开发奠定了良好的基础。另外，设计合成具有特定支化结构的纳米聚合物也是目前树脂研究的一个重要方向。Yates 等

［9］

研究表

明，超支化聚合物在相同相对分子质量的前提下比有较线性聚合物具有更低的黏度，而树枝状聚合物的黏度完全不符合现有的黏度－相对分子质量规律，在纳米尺度范围内其黏度会显著地降低(如图1所示)，这为新型涂层用树脂的合成提供了巨大的潜在机会。

图1

树脂的质均相对分子质量和黏度关系示意图

Fig．1Scheme between M w and ηof resin

尽管树脂的纳米化技术无论从理论上还是制备上均有了良好的开始，但纳米树脂的新性能还不能在理论上进行有效预测，而且制备上也存在许多问题没有得到有效的解决。例如在采用无机纳米粒子稳定的乳液聚合方面，如何实现在纳米尺度范围内的聚合物粒子控制;在微乳液聚合方面，如何进一步提高固含量及降低乳化剂含量;在树枝状纳米树脂的制备方面，如何实现其结构可控和宏量制备等，都需要从理论及方法上进行创新，突破目前纳米树脂设计和制备技术的瓶颈问题，为新一代高性能树脂的制备提供理论及技术支撑。

1.2直接引入无机纳米粒子以改善涂层性能

将无机纳米粒子引入到树脂及其涂层中可以通过共混

法、原位生成法、自组装方法等。不同的纳米粒子可以赋予涂层不同的性能:如高硬度、耐磨耐刮伤性(SiO 2、Al 2O 3、ZrO 2等);UV 屏蔽性(ZnO 、

TiO 2等);抗菌性(Ag 、ZnO 、TiO 2等);导电性(C 纳米管、ATO 等);阻隔性(勃姆石、粘土等)。Zhou 等

［10］

利用纳米SiO 2粒子改善了双组分丙烯酸酯聚氨酯和聚

酯聚氨酯涂层的硬度和耐刮伤性。Bauer 等［11］

将纳米SiO 2或

Al 2O 3粒子改性后加入到紫外光固化丙烯酸酯涂料中，涂层的

耐刮伤性得到了显著提高。Harreld 等

［12］

利用甲基丙烯酰氧

基丙基三甲氧基硅烷与甲基丙烯酸甲酯(MMA )聚合获得的共聚物，制备了超高硬度、低收缩率的透明杂化涂层。Xiong 等

［13］

采用前驱体水解法获得的TiO 2溶胶与官能化聚丙烯酸

酯复合制备了高折光指数、高紫外光屏蔽的透明有机－无机杂化涂层。Yuwono 等

［14］

以异丙氧基钛为前驱体，制备了TiO 2

纳米晶－PMMA 非线性光学涂层。Yeh 等［15］

将粘土用表面活

性剂插层后，与PMMA 、聚乙氧基苯胺等聚合物复合，大大改

善了这些聚合物涂层对钢材的防腐蚀保护作用。

将无机纳米粒子引入树脂的研究工作虽已进行得较多，但由于树脂及其涂料体系非常复杂，体系既可以是水性的，也可以是溶剂性的，还可以是无溶剂的(粉末涂料、UV 固化);树脂分子链既可以是极性的也可以是非极性的，尤其是迫于环保压力，树脂及其涂料水性化已成为涂料工业的主要发展趋势，无机纳米粒子的引入既要考虑其在水性体系的分散稳定性，更要注意固化成膜后与树脂涂层分子链的相互作用。因此，需要探索适用于不同树脂及其涂料涂层体系的无机纳米粒子导入新方法，建立无机纳米粒子在不同树脂及其涂料涂层中的普适性分散稳定控制方法，发展无机纳米粒子的表面设计、稳定分散理论。

最近，美国Rensselaer Polytechnic Institute 材料科学与工程系的Kumar 等

［16］

利用植物油醇酸树脂自动氧化干燥成膜

过程中产生的自由基为还原剂，开发了一种制备抗菌涂料简便且绿色的方法，如图2所示。

该法只需将安息香酸银作为前驱体与植物油醇酸树脂共混，由于植物油醇酸树脂含有大量的不饱和脂肪酸，其固化干燥过程是通过空气中氧与不饱和键产生自动氧化交联反应而实现的，利用反应过程中产生的自由基可将银离子原位还原成纳米Ag 粒子，整个过程不需要外加任何还原剂、不需要使用任何溶剂，也不需加热，同时醇酸树脂分子链本身、脂肪酸以及中间体都可以成为纳米Ag 粒子的保护剂。所制备的植物油醇酸树脂/纳米Ag 粒子复合涂料具有优异的抗菌性，可用于木材、玻璃、塑料等基材的表面。