高固份涂料

高固体分涂料

传统溶剂型涂料为了满足其生产和应用的要求，使用了大量的有机溶剂，涂料成膜后，起码有50%以上的有机溶剂挥发到大气中，有的甚至超过了80%的溶剂含量，不仅浪费了大量的资源，而且造成了环境污染。更严重的是有机溶剂在日光和氧气的作用下，会发生下面的化学反应：

VOC+NO+O2 NO2

NO NO + O

O + O2 O3

生成的臭氧在较低浓度下，就会对人体产生不利影响。当地面臭氧浓度超过0。1PPM时，就会有负作用；超过1。0PPM时，长时间暴露时，会引起头痛，喉咙干燥，无力等症状。涂料工业产生的VOC约占总VOC挥发量的47。8%。因此欧美一些国家对涂料产品VOC的挥发量作了一系列的规定和限制，如美国的“66法规”，德国的“TA—LUFT法”都对VOC作了严格的限制。

降低涂料VOC排放的一个重要途径就是开发“绿色”环保型涂料，如：粉末涂料，水性涂料，高固体分涂料，UV固化和电子束固化涂料等。每种涂料都有其优点及不足之处。

水性涂料的最大优点是VOC含量相时较低，但也不是一点不含有VOC，如成膜助剂，助溶剂等，水性涂料一般气味小，不易燃烧，另外水性涂料的施工设备只要用水清洗即可。

尽管水性涂料具有上述优势，但它也有许多难以克服的问题。室温下水的挥发速率慢，而且随外界温度和湿度的变化而变化。在100%饱和水的潮湿环境下，水性涂料甚至不可能干燥。另外，水的热容和蒸发潜热较高，干燥时需要更多能量。水的表面张力较高，需要表面活性剂的帮助才能对颜料及底材具有良好的润湿和附着，这些表面活性剂存在于涂膜中，会影响其耐水性。水性涂料的特点限制了其应用范围，要么耗能大，要么牺牲其性能，多用作建筑涂料。水性涂料的贮存及施工受温度和湿度影响，如乳胶漆在0℃以下难以施工。水性涂料相比溶剂型涂料对设备有更大的腐蚀性，对设备的要求较高，水性涂料容易受细菌等微生物感染，一般水性涂料的性能难以达到溶剂型涂料的水平。

粉末涂料的优点是涂料不含有机溶剂，涂料的利用率较高，涂装效率高，一道施工即可，具有良好的装饰性及物理化学性能。

同样粉末涂料也有些不足之处。首先，目前的粉末涂料均需在较高的温度下才能固化，因此在一些不能耐温（140℃～180℃）的底材如木材，橡胶，塑料以及其它不耐温材料上不能使用；因一次成膜较厚，难以得到薄涂层，换色也比较困难，最后粉末涂料的涂装设备投资较大。

UV和电子束固化涂料基本上无溶剂，施工与固化过程连续自动化，涂装效率高，涂膜性能好。缺点是施工与固化生产线投资大。涂料施工寿命短，色漆采用UV固化尚有困难，另外其原材料成本较高，且对被涂材料形状有要求。

高固体分涂料和其它低污染涂料品种相比有它的优点。其生产和涂装工艺，设备，检测评估的仪器和传统溶剂型相同，不需要增添设备投资。高固体份涂料不仅减少了VOC的排放，而且提高了涂布效率。一次涂装的膜厚是传统涂料的1—4倍，大大减少施工次数。产生的额外经济效益是节约了劳动力成本，减少了施工时间，同时降低了溶剂的含量而减少了溶剂的成本。不能忽略的另一点是高固体分涂料的低能量要求，常规溶剂型涂料需要大量的空气通过喷嘴和烘房，用以减少溶剂的浓度，达到一个安全的水平，加热空气需要消耗大量的能量。高固体分涂料提高固含量的同时，保持了传统溶剂型涂料的优点，如高装饰性，高涂膜物理化学性能。因此高固体份涂料在环保型涂料中具有很重要的地位。

二高固体份涂料的设计

高固体分涂料设计的重要因素如下：

1．聚合物的链结构

在固体含量相同时，聚合物的链结构不同，其粘度也不同，如在丙烯酸共聚物中引入降异冰片酯，Cardur E 就能明显降低聚合物溶液的粘度，通过引入烷基侧链，从而降低树脂分子的极性和分子间的作用力，使溶解性增加，达到降低粘度的目的。

2．分子量分布的控制

高固体分涂料需要用分子量分布窄的聚合物来配制，当分子量分布系数d=Mw/Mn增大，高分子量聚合物和低分子量聚合物重量分数增大，大分子量聚合物对聚合物的粘度影响较大，低分子量聚合物在热固化时易挥发而增加VOC的排放。因此高固体分涂料所用树脂的分子量分布越窄越好。这样才能满足高固体分时的低粘度要求，并能形成均匀的交联结构。

通过选择合适的聚合工艺能够控制分子量的分布。

采用阴离子聚合工艺，就能得到较为理想的聚合物。在该反应中，不容易发生链转移反应而终止，引发剂全部很快转变成活性中心，每一个引发剂分子产生一个增长链，所有增长链同时开始增长，机率相等，通常能得到很窄的分子量分布，产物的聚合度与引发剂的浓度和单体的浓度有关，可以定量计算，用公式表示就是Xw/X n = 1 + 1/Xn，当Xn很大时，Xw/Xn接近于1，即分子量分布很窄。

用基团转移法也能得到分子量分布很窄的齐聚物。

OR CH3 HF2 CO2R OCH3

CH3-C=C-Osi（CH3）3 + CH2=C-CO2CH3 CH3-C-CH2—C=C—Osi（CH3）3 CH3 CH3 CH3

（I）

3．官能团度

为了获得合适的涂膜性质，齐聚物必须在涂膜中发生交联反应，以提高分子量，最终形成三维网状结构聚合物。因此齐聚物上必须带有足够的反应性官能团。因为齐聚物的分子量较小，则齐聚物中官能团含量必然增加，一般反应性官能团，如羟基，由于分子间和分子内的氢键作用，使粘度增加，这就抵消了由于分子量减小引起粘度的下降。而大量的官能团，导致体系贮存稳定性下降，从而缩短了使用期。

理想的齐聚物应保证每个齐聚物上官能团度大于2，不致于影响涂膜性能。因为无官能团齐聚物残留在涂膜中只能起增塑剂作用，单官能团分子起封端作用，不能扩链。

正确的解决方法是采用“遥爪齐聚物”，如线型或支链聚合物仅在链的末端有官能团，这就使齐聚物100%结合形成交联膜。用作高固体分涂料的齐聚物最优化，是充分利用反应官能团。在前面提到的阴离子聚合末期，有目的地加入二氧化碳，环氧乙烷，二异氰酸酯，就能合成末端带羧基，羟基，异氰酸酯的遥爪聚合物。（反应式如下）

用自由基聚合合成高团体份丙烯酸树脂，采用含羟基引发剂，如过氧化二羟甲基异丁酰，添加含羟基功能性硫醇（HSCH2CH2COOCH2CH2OH）也能合成固含量在80%以上的高固体丙烯