水性涂料的研究现状及发展趋势
近年来，随着环保要求的不断提高，我国对涂料 应用中挥发性有机化合物(VOC) 的释放标准提出了严格要求。汽车、高铁行业等大规模生产企业也建立了VOC限值强制性标准，对涂装车间的VOC排放量进行监控。若涂装车间的喷烤漆房VOC排放量超标，数据信息将直接传到市环境监测部门，有可能直接导致公司停工整顿。而水性涂料相比于溶剂型涂料具有不燃性、无毒性和低VOC排放量，这使它们在涂料应用行业中占据了理想地位。在此背景下，环保型水性涂料的发展势在必行，其研究与应用成为当今涂料发展的一个重要方向。
1. 水性涂料的研究现状
涂料通常是以树脂或油、乳液为主，添加相应助剂，用有机溶剂或水配制而成的粘稠液体。常用的有机溶剂(如苯或二甲苯等)属于挥发性有机化合物，在涂层干燥或固化的过程中会被释放至空气中，不仅造成环境污染，甚至对人类健康造成伤害。因此，减少生产过程中VOC的排放量成为涂料应用中必须攻克的方向。水性涂料采用水为稀释剂，减少甚至避免了有机溶剂的使用，其具有的安全性和可持续性引起了人们的广泛关注。传统的各类溶剂型涂料体系正逐渐被更安全、更环保的水性涂料所取代。
水性环氧涂料、水性聚氨酯涂料和水性丙烯酸涂料是应用最广泛的几种水性涂料，结构的不同使其具有不同的特点与特征，在下文中将进行具体阐述。
1.1水性聚氨酯涂料
聚氨酯(PU) 涂料是一种广泛应用的涂料类型, 分为双组分(2K) 聚氨酯和单组分(1K) 聚氨酯。双组分聚氨酯成膜需要在多元醇(或胺)组分和异氰酸酯类固化剂之间发生化学反应，它具有优异的成膜温度、高附着力、良好的耐磨性、高硬度、良好的耐化学性和耐候性。水性聚氨酯是一种以水作为溶剂的聚氨酯体系。双组分水性聚氨酯涂料同时兼具2K溶剂型聚氨酯涂料的优异性能和低VOC含量，以水作为溶剂大大减少甚至避免了甲苯、苯等挥发性有机溶剂的使用(VOC含量低于150g/L)，在涂料应用中具有安全环保、机械性能优良、附着力强等优点。因此，双组分水性聚氨酯涂料被广泛应用于车辆、管道、木器等领域中。但由于水性聚氨酯涂料成膜时间较长、对环境条件的要求较为苛刻，且成膜的过程容易出现气孔等缺点，使其应用受到一定程度的限制。因此，对水性聚氨酯进行改性以进一步提高其性能，是未来涂料行业发展的一个重要方向。
1.2水性环氧涂料
水性环氧涂料以水作为溶剂或分散介质，包括水溶性环氧涂料和水乳化涂料。与传统涂料相比,水性环氧涂料具有多种优点(比如较低的VOC含量、优异的耐化学性以及良好的机械性能)，被广泛应用于大型储罐涂料、管道、化工设备等领域。水性环氧涂料虽已商品化了较长时间，但仍存在一些固有的缺陷，如蒸汽扩散屏蔽能力下降、防水能力差、长期防护能力较差。这是由于水性环氧涂层中的亲水性基团或表面活性剂会削弱涂层对水和其他腐蚀性离子的渗透能力。研究者们尝试在水性环氧涂料中引入纳米填料(如SiO2、TiO2以及金属有机骨架)来改善其性能。值得一提的是，石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，因其良好的导电导热性、较高的机械强度和优异的防水性能也备受关注。研究发现，在石墨烯基水性环氧涂层中，石墨烯纳米片的高纵横比形成长而曲折的路径，限制了水和其他腐蚀性离子的扩散，从而提高了涂料的防水和防腐性能。
1.3水性丙烯酸涂料
以丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯作为主要原料，再经溶液聚合过程得到丙烯酸树脂，丙烯酸树脂配合相应助剂制备出丙烯酸涂料。水性丙烯酸涂料主要包括乳液型丙烯酸树脂涂料、丙烯酸分散体型涂料及水溶型丙烯酸涂料。水性丙烯酸涂料具有安全环保、成本低的特点,再加.上优异的耐酸碱性、防腐蚀性、强粘附力、高硬度，使其用作防雾涂料、表面保护涂料和包装涂料;但是水性丙烯酸涂料也存在着许多不足，比如耐水性较差，无法在湿度高的环境中进行施工，这在一-定程度.上限制了其在涂料市场中的大规模应用。
为了突破这一局限性，科研人员尝试对水性丙烯酸树脂进行改性。常用的改性方法有机硅、纳米以及醇酸或聚氨酯改性。比如通过硅烷偶联剂对水性丙烯酸进行改性，大大增强了产品的疏水性，从而使产品的耐水性得到了提高。
2.水性涂料的应用
在国内外环保法规和相关政策的推动下，再加上因石油价格的持续.上涨导致的溶剂型涂料成本增加，使得我国水性涂料面临着良好的发展机遇。目前，水性涂料已应用于多种领域。
2.1汽车工业领域
水性涂料是在20世纪50年代末随着聚醋酸乙烯分散体的发展而引入的，汽车工业发达的欧洲国家对于水性涂料的使用起步较早。自1980-1990年开始，欧洲共同体就开始在汽车涂装工业中使用水性涂料，以减少溶剂型涂料的使用和VOC的排放。在其他地区，水性涂料在汽车工业领域的使用也逐渐增加。自2009年起，一汽丰田相继向上海、深圳、广州和北京经销商导入水性涂料。水性涂料在汽车工业领域的全面使用，在降低了能源消耗的同时，也大幅减少了VOC对环境和人类的影响。当然，水性涂料在应用时也存在着许多问题，比如:车辆生产成本高、前期生产线改造耗时耗力，这些问题影响着汽车涂料工业的转型。但在环保压力的倒逼和国家政策的推动下，中国汽车涂料水性化进程卓有成效，截至2020年，乘用车涂料和卡车用涂料的水性化比例已分别达到90%和55%。
2.2轨道交通领域
我国轨道车辆保有量和每年的新造量、维修量巨大，每年涂料用量达3万吨。其中，溶剂型涂料占60%以上。目前，水性涂料已开始在部分车辆中批量使用，新加坡向青岛四方机车车辆股份 有限公司采购的C151A、151B 地铁、T251 地铁以及青岛地铁3号线车辆均使用了水性涂料。另外，青岛地铁3号线车辆是全国首列整车使用水性涂料的车辆。目前，青岛四方机车车辆股份有限公司正大力开展水性涂料的研究与推广。地铁项目大部分使用水性涂料，新造项目车内底漆部分使用水性涂料，检修项目已完成水性涂料与油性涂料的实验，还未大面积应用到现车。
我国科研人员也在持续开展对轨道交通用水性涂料的研究，比如:刘虎冰[7]等人通过研究制得涂膜性能优异的水性聚氨酯面漆，该面漆完全满足 轨道交通行业的需求。李国龙[8]等 人制备出了一种附着力好、机械性能优异的水性底漆，用于铁 路客车的碳纤维车体，并符合Q/CR 581-2017标准要求。韩新正等人也制备了一种VOC含量较低、耐盐雾性佳的水性环氧底漆，用于轨道交通车辆的防腐。水性涂料在轨道交通领域的全面应用中存在着一些问题，比如:水性涂料涂装的轨道车辆是否适应高寒、高湿热、多沙石等复杂环境的运营要求，还需进一步的探索和研究。但长远来看，全面实现轨道交通行业所用涂料的水性化只是时间问题。
2.3船舶领域
水性涂料在重防腐领域的应用是实现节能减排的重要途经之一，虽然国家对水性涂料的开发和推广给予了高度的重视，但目前用于船舶业的防腐涂料依然主要以有机涂料为主，正逐步向水性涂料发展。中国船舶重工集团柴油机有限公司将海虹老人、PPG两种品牌水性涂料和某种溶剂型涂料分别应用于船舶柴油机上，并对涂层性能进行了测试。结果表明两种品牌水性涂料均满足船舶柴油机的涂装要求，且个别性能指标优于目前所使用的溶剂型涂料，并在船舶柴油机上小批量应用。
船舶涂装所用的水性涂料在安全环保方面虽优于有机涂料，但在实际应用中存在一些问题，如:涂料的种类较少、可选择性低;性能较差、功能不够完善;施工过程要求高等等。但只要加大水性涂料的研发力度，相信我们一定能研发出更优性能、高经济的水性涂料产品。
3.结语
在经济和生态的双重压力下，水性涂料的研究得到了极大的发展。但市场所用水性涂料多为国外品牌，我国涂料水性化技术的研发和应用水平稍有欠缺，水性涂料产品的性能缺陷限制其不能完全取代溶剂型涂料。未来我们应加大水性树脂的研究力度，利用创新思维研发出高性能的水性涂料产品，来提高市场竞争力。相信随着我国水性树脂生产技术的进步和发展，溶剂型涂料完全被水性涂料的取代终将成为可能。