水性环氧涂料的技术发展方向和研究进展

昵称835753 2020-03-08

展开全文

原创瀚岱 PCI可名文化 2019-09-18

作者：沈岳，伍宽平，孟艳萍，周欣，姜方梁，张硕，周雪雯，沈星，董汉棒／上海瀚岱化学有限公司

本文介绍了防腐用水性环氧涂料的技术发展方向和趋势；讨论了“油转水”的技术路线是目前和未来市场主旋律的原因；介绍了瀚岱化学低固体份水性环氧方案的特点；详细介绍了超低VOC水性环氧高固体份涂料的制造技术特点、难点，以及瀚岱化学超低VOC水性环氧高固体份涂料的研究进展和技术突破，为大面积油改水，未来进一步提高VOC标准和未来VOC减排提供了坚实的技术保障。

环氧涂料的技术发展方向和趋势介绍

随着国家环保政策的相继出台和法律监管的日益严格，涂料企业纷纷投入大量人力、物力开发包括环氧涂料在内的环保型低VOC的涂料。

环保型环氧涂料的技术路线有很多种，例如水性环氧涂料、溶剂型高固体份涂料、无溶剂、粉末等等。这些不同种类的涂料有其各自独特的性能和特点，可以满足不同场合的应用需求。其中无溶剂和粉末涂料等技术路线几乎可以实现零VOC，虽然其对施工的环境条件要求高，但是技术是相对成熟的，所以它们需要的不是技术的创新而是应用的创新和推广。故而，含有VOC的溶剂型环氧涂料将是未来涂料VOC减排的重点针对对象，即高VOC的低固体份含量的溶剂型涂料（VOC>420g/L）和低VOC的中高固体份含量的溶剂型涂料（VOC>420g/L）。

由于现有的高VOC的低固体份含量的溶剂型涂料（VOC<420g/L）向低VOC的中高固体份含量的溶剂型涂料（VOC<420g/L）的方向发展，也可以实现VOC的减排，所以，目前涂料行业也一直在讨论：未来的涂料发展趋势到底是“油转水”，还是高VOC的低固体份含量的溶剂型涂料转向溶剂型的高固体份涂料？

“油转水”，并不一定是零VOC。它可能是，也可能不是。

“溶剂型的高固体份涂料”，其VOC是一定存在的。哪怕现在可以满足当下的涂料VOC的限量标准，但只要VOC的限量标准不断提高，未来其注定会被慢慢淘汰。

行业内一些同仁认为不应该一刀切去做水性涂料的心情是可以理解的。但是，“油转水”的水性涂料技术路线的确已经不可逆转的成为目前和未来市场的主旋律。

环氧涂料有以下三个降低VOC可能的方向：

1）高VOC的低固体份含量的溶剂型涂料（VOC>420g/L）转向低VOC的低固体分含量的水性涂料（VOC<420g/L），该方向是“油转水”的范畴。

2）高VOC的低固体份含量的溶剂型涂料（VOC>420g/L）转向低VOC的高固体份的溶剂型涂料（VOC<420g/L），该方向是“油转油”的范畴。

3）低VOC的高固体份的溶剂型（VOC<420g/L）转向超低VOC高固体份水性涂料，该方向是“油转水”的范畴。

针对方向1）和3），瀚岱化学开发了多种不同系列的水性环氧树脂和水性环氧固化剂，同时也开发了针对多个应用领域的涂料配方。本文主要讨论上述油转水的方向的原因和挑战，介绍了瀚岱化学水性环氧和水性固化剂在“油转水”上的技术突破以及相应的配套解决方案，重点讲述了瀚岱化学在实现新型超低VOC水性环氧高固体份涂料的技术创新和技术方案。

环氧涂料的技术发展方向和趋势探讨

高VOC的低固体份含量的溶剂型涂料（VOC>420g/L）的转向低VOC的低固体分含量的水性涂料（VOC<420g/L）

国家“十三五”VOC减排的七个涂装重点行业是汽车、集装箱、卷钢、家具、工程机械、船舶制造和钢结构。过去涂料领VOC的重灾区主要是一些溶剂型的高VOC的低固体份含量涂料的应用领域，包括工程机械、轨道交通、农用机械、普通钢结构、家具、集装箱等等。这类涂料的施工VOC大多不能满足目前低VOC涂料标准的要求，并且这些行业的涂料用量非常大，VOC的含量是巨大的（详见表1）。为了实现VOC的有效减排，这些涂料的应用领域必然是行业关注的重点。

同时，这些应用的共同技术要求和涂装要求特点是它们对每道漆膜厚度的需求比较低，一般是60微米以下，漆膜的总厚度在120微米以下，涂装的配套是2-3道涂层，并且有一定的外观质量要求。这种每道漆膜厚度在60微米以下的厚度应用要求，高固体份、无溶剂和粉末涂料很不适用，很难满足施工要求。如果一定要使用这三种技术手段，要么提高涂料配套中的漆膜厚度要求，以适应高固体份涂料的厚膜涂装，要么重新重投资建立新的生产线以满足粉末涂料的涂装要求，如此一来成本未免太高。

现有水性涂料一般的固体份含量比较低，不能实现一次性厚膜涂装，但除了会使生产线的能耗升高这点外，它们是可以满足这些低漆膜厚度的应用要求的。因此，在可以满足漆膜性能的前提下，这些领域走向水性化是最明智的选择。

瀚岱化学针对这类应用的不同领域开发了许多相应的解决方案，为“油转水”提供了技术保障。

高VOC的低固体份的溶剂型涂料（VOC>420g/L）转向低VOC的高固体份的溶剂型涂料（VOC>420g/L）

高VOC的低固体份的溶剂型涂料（VOC>420g/L）转向低VOC的高固体份的溶剂型（VOC<420g/L），对很多传统应用领域来讲是有一定的挑战的。

由于有些应用领域的防腐要求高、漆膜厚度要求低，并有一定的外观要求，在不进行稀释的情况下，溶剂型高固体份涂料是无法保证涂装厚度要求和外观质量要求的。如果不谈VOC控制，高VOC的低固体份的溶剂型涂料（VOC<420g/L）是非常容易满足这些领域的涂装质量要求的。

因此，这些领域的涂料由低固体份的溶剂型涂料（VOC< 4 2 0g/L）转向低VOC的高固体份的溶剂型（VOC<420g/L）的挑战不是来自于涂料本身的技术或涂料制造，而是来自涂装的质量要求和漆膜厚度的要求。

其实溶剂型高固体份含量的涂料，特别是溶剂型环氧高固体份涂料的技术早已非常成熟。如果不是施工和成本方面的挑战，这些行业不需要任何外部的驱动，早就会使用高固体份含量的溶剂型涂料去替代低固体份含量的溶剂型涂料了。

需要指出的是，溶剂型高固低粘涂料的技术理念是非常好的，它的逻辑是固体份含量提高的同时保持涂料的粘度相对低，从而不需要溶剂的稀释便可以实现较低膜厚的涂装，但是应用这种技术的挑战在于，除了干燥速度，其实现还需要创新的原料和涂装施工技术的配合。

目前虽然有类似的技术在低漆膜厚要求领域进行推广，但也还有很多不同的困难需要克服。特别需要强调的是，一般的高固体份含量的溶剂型涂料（VOC<0-350个/L）在没有溶剂稀释的情况下，是很难满足60微米以下的漆膜涂装质量和外观要求的。

低VOC的高固体份的溶剂型（VOC<420g/L）转向超低VOC高固体份水性涂料

过去十几年来，高固体份涂料在重防腐等领域取得了非常好的发展和应用，技术已经非常成熟。这些技术已经占领了大多数它们可以满足的施工条件和涂装要求的市场领域。这些领域大多是高膜厚的要求，并且要求一次涂装的膜厚在60微米以上，甚至是几百微米以上。类似这些领域的涂料早已满足低VOC涂料限量标准的要求。

但是这些领域VOC的排放量也是巨大的。如表2和表3中列出的涂料配套所示，溶剂型环氧高固体份涂料广泛地应用于重防腐的领域，如桥梁、风能塔筒、海洋工程等钢结构，一般这些涂料体积固体份含量在60%-75%之间，VOC在250-360g/L之间。如果超低VOC或者零VOC的水性环氧涂料可以实现超高固体份含量，并且突破一次性厚膜涂装，水性涂料的应用领域可以很快推广到目前溶剂型高固体分涂料占领的市场，如桥梁、塔筒、钢结构、海洋工程以及船舶涂料等等。进一步讲，未来所有涂料行业零VOC目标的实现，将不再只是梦。

“油转水”方向的环氧技术方案和研究进展

瀚岱化学致力于创造绿色化学。自2018年公司成立以来，便确立了水性环氧涂料的技术发展方向。根据技术的发展方向，我们设立了多个水性环氧涂料的研究课题，投入大量的人力物力对水性环氧涂料进行理论研究以及产品和应用配方的开发。截至目前，我司已创造性的克服了许多行业的难题，且多数项目已经顺利进入市场推广阶段。

低VOC低固体份含量的水性环氧涂料

根据应用需求的不同，低VOC低固体份含量的水性环氧涂料的种类非常多。它们广泛地用于很多不同的领域。本文是讨论几个典型的涂料种类：

1）富锌底漆

传统水性环氧富锌涂料有几个缺点：

1、堵枪、闪锈和流挂；

2、成本高；

3、VOC高。

瀚岱化学开发了可以在直接研磨锌粉的固化剂HDH6119，搭配使用一型环氧分散体HDE8117，使水性环氧底漆具有很多方面的优点：配方简单、成本低，比如不需要润湿剂或分散剂，可用水直接稀释环氧乳液；盐雾性能优异；产品容易增稠，抗流挂性能佳；干燥速度可以根据施工环境调节，涂料VOC低；施工方便，不堵枪、不堵管道，清洗方便。

瀚岱化学的富锌底漆的推荐配方参见表4。该配方的盐雾性能优异（图1），有些客户的测试结果高达2000小时，已经超出了对应的溶剂型环氧富锌涂料的防腐性能。

2）“湿碰湿”用的底漆涂料

瀚岱化学“湿碰湿”的方案使用了快干的一型环氧树脂分散体HDE8118和具有最先进技术的快干固化剂HDH6815。该方案具有以下的优点：

a. HDE8118和HDH6815均是白色的水性分散体，具有非常快的表干和实干。目前市场上有表干速度的，和该方案相同的产品，大约需要5-10分钟，但是硬度的上升很慢或者最终硬度很低，导致漆膜无法打磨。瀚岱化学的产品实现了4小时内可以打磨的目标，且最终硬度可以达到2-3H铅笔的硬度。

b. HDH6815具有非常低的活泼氢当量，可以大量减少固化剂的用量，从而有效的降低涂料配方成本，提高产品的竞争力。

c. HDE8118和HDH6815的配套可在15-20分钟内实现和PU面漆的“湿碰湿”。

d. 效率高、能耗低，终端客户制造成本低。

3）高光涂料

目前传统水性高光涂料的主要问题是受温度条件的影响较大。不同的温度下会出现光泽的不稳定，导致光泽不能满足技术质量要求。针对该难题，瀚岱化学开发了多个水性环氧固化剂搭配使用水性环氧树脂，设计了多个不受温度影响的高光涂料。瀚岱化学的高光涂料光泽可以达到90%以上，甚至100%。

4）镀锌底材涂料

镀锌底材的种类不同，应用的领域也不同。传统水性环氧面临的挑战主要有2个：1、附着力不好；2、盐雾过程中的早期起泡。

瀚岱化学开发了用于不同锌底材的配方，展示了优秀的耐盐雾性能（图4）。

5）木器涂料

传统的水性木器涂料在木器的应用中经常遇到的问题有：

1、表面起痱子；

2、硬度不够；

3、成本高；

4、光泽不够，不能达到高光

5、单宁酸封闭性差；

6、实干慢，打磨之前的等待时间长。

瀚岱化学开发了一系列用于木器底漆和面漆的水性环氧树脂和水性环氧固化剂。瀚岱化学设计的木器涂料具备了可以满足木器漆膜性能的特点（图5和图6）：

1、透明性好；

2、高光；

3、对单宁酸的封闭性好；

4、硬度高，可以达到2H-3H；

5、干燥速度快；

6、耐开水；

7、优秀的抗涨筋性能。

6）耐候水性环氧涂料

关于水性耐候环氧涂料，我们在6月出版的《CITC技术资讯-水性特辑》上发表了一篇名为《水性耐候环氧树脂的研究进展》的文章，详细的描述水性耐候环氧树脂的研究进展，这里就不再重复了。

低VOC的高固体份的溶剂型（VOC<420g/L）转向超低VOC的水性高固体份涂料

超低VOC的水性高固体份涂料的应用方向包括防腐涂料市场和非防腐涂料市场。防腐涂料的细分市场包括重防腐领域的船舶、海洋工程、风能塔筒、桥梁和港口机械等。非防腐的高固体份涂料主要用土木工程，如地坪、水泥地面、隧道防水和公路等。

用于重防腐的超低VOC的水性高固体份涂料

生产和制造水性环氧高固体份涂料遇到的挑战和困难

设计制造高固体份水性环氧涂料，一直是涂料化学师努力的方向。某些具有研发实力的涂料公司也一直在研究开发水性环氧高固体涂料。然而，开发水性高固体份涂料要面对很多的挑战：

1）水性环氧树脂的粘度太高，颜料不能直接研磨，需要水磨浆，导致无法制造出超高固体份含量的涂料。有的公司只好使用超高固体分含量的环氧乳液（70%的质量固体份含量的乳液），在后混阶段加入。但是，高固体含量乳液的储存稳定性和涂料的稳定性决定了其无法保证产品本身的质量和涂料施工性能。由于使用了水磨浆，导致涂料的固体份含量不能达到理想的目标，一般它们的体积固体份含量只能在60%以下。

2）水性环氧乳液参入磨浆，导致破乳。

3）水性环氧涂料在施工的现场，两个组分互相混合的时候容易出现增粘现象。涂料混合时的粘度增加可能导致需要加入额外的水进行稀释，才可以实现喷涂施工，导致涂料施工的固体份含量降低，无法做到一次性的厚膜涂装。

瀚岱化学用于超高固体份水性环氧树脂和固化剂的特点

瀚岱化学在研发超高固体份含量水性环氧涂料的时候，充分考虑了以上因素。在保证乳液的稳定的前提下，开发设计和制造了超低粘度的水性环氧乳液和水性环氧分散体。

为了防止环氧乳液直接磨浆时出现破乳，我们设计了专用的乳化剂。为了防止树脂和固化剂互混时出现增稠现象，我们开发了和HDE8120搭配的乳液型的固化剂HDH6816。经实验验证，HDE8120和HDH6816已经克服了传统技术遇到的难题，具有以下优势性的特点：

1）直接研磨膨润土和气相二氧化硅等来增稠，容易增稠，不破乳。也可以用聚氨酯类或者聚酰胺蜡类的增稠剂后添加增稠。

2）不需要水磨浆，可以直接高速研磨颜填料，亦可直接参与砂磨，不破乳。

3）粘度低，润湿性好。研磨颜填料的时候，可以不用润湿剂或者只需要少量的润湿剂。

4）两组份混合的时候，混合物的粘度不增，反而下降，使混合后的涂料具有更加适合喷涂的粘度。

5）HDE8120和HDH6816的搭配（参见表6推荐配方）实现了超低VOC水性环氧超高固体份涂料。该产品的VOC<3g/L, 体积固体分含量达到65-70%。

超高固体份含量水性环氧涂料的性能特点

因为瀚岱化学为超高固体份含量水性环氧涂料设计的水性环氧树脂和水性固化剂具有一些优势性的特点，所以瀚岱化学的超高固体份含量水性环氧涂料具有许多优秀的性能。