1、精细化工工艺学（涂料篇）化工 112 叶永盛 201111034219一、前言涂料的用途极为广泛，没有涂饰的现化生活是很难想象的。涂料工业是建筑和工业领域的配套工业，也是使用原材料最为广泛的工业之一。涂料中的绝大部分是采用有机化学品为原材料生产的，因此又与石油工业息息相关。涂料按照其用途，可分为建筑涂料、工业涂料和特种（功能）涂料三大类。二、国内外发展现状从 2003 年以来，世界涂料的年均增速约为 3.5%。在世界涂料生产中，如北美、西欧和亚太地区中，亚太地区将保持最快的增长速率，预计其增幅约为 4.5%。其中以中国的需求量最大，其增幅约为 6.4%。中国已成为世界上第二大涂料生产国。北美和
2、西欧地区的涂料需求增速分别为 2.7%和2.3%，市场需求分别为 815 万吨和 603 万吨，占世界总量的近一半，而亚太地区需求量为 890 万吨，居世界第一。全球涂料市场近一半为世界十家顶级大涂料公司所瓜分，如果再加上位于其后的另十家顶级大涂料公司，则其占据61%的市场分额，在 2004 年的全球涂料销售排行榜中，Akzo Nobel（荷） 、PPG（美） 、TCT Group（英）和 Henkel（德）等公司名列前矛。 到 2007 年世界涂料总产值约为 3200 万，价值 1600亿美元，世界各国按 2007 年涂料产量排序，美国第一，日本第二，德国第三，我国第四。到 2013 年，作
3、为全球第二大涂料大国，中国市场与全球市场相比在需求上升的趋势明显，特别是随着中国的城市化进程在加速，建筑、汽车、家具行业正迅速发展，涂料应用品的年消耗量不断增长。因此，即使在全球供应过剩、世界其他地区生产商成本居高不下的情况下，中国市场仍将是涂料巨头们重点投资的区域，未来涂料工业产能将会得到不断的扩大。三、国内外研究、合成、应用进展合成涂料的出现，使涂料的用途更加广泛，性能更加完美。未来世界的发展趋势要求涂料的种类更多，量更多更广。但是，大部分合成涂料一般都含有大量有机溶剂和有一定毒性的颜料、填料与分子助剂，在生产与使用中产生“三废” ，造成对环境的污染，影响了人类健康。因此，为减少污染，提高
4、涂料性能，绿色涂料的应用和发展研究成为当前涂料研究业的主要课题。 绿色环保涂料是指对生态环境不造成危害，对人类健康不产生负面影响的涂料，主要是指节能、低污染的水性涂料、粉末涂料、高固体含量涂料(或称无溶剂涂料)和辐射固化涂料等。 随着生活水平的提高，我们在住宅建设过程中对材料的要求也愈来愈高。而传统涂料往往对人体有害又污染环境，已经难以满足人们对高品质生活的追求，现在人们不仅要求涂料美观耐用，同时更关注的是有无毒害，对人体的健康及环境的影响。而且传统涂料总有机挥发量(VOC)对我们的环境、社会和人类自身构成直接的危害，是现代社会中的第二大污染源。因此，涂料对环境的污染问题越来越受到重视，而绿色
5、环保涂料由此应运而生。四、主要品种的研究、合成、应用近况1、水性涂料 水性涂料以水为溶剂，使成膜物质均匀分散在水中，又称作水基涂料或乳胶涂料。它因具有来源广、易于净化、成本低、黏度低、良好的涂布使用和无毒性、无刺激、不燃性等特点，而成为“环境友好涂料”的主要发展方向。水性涂料主要类型有水性环氧树脂涂料、水性聚氨酯涂料、水性光固化涂料等。它们已其优异的性能广泛应用于汽车、建筑、电器、仪表等各行各业。2、粉尘涂料粉尘涂料是国内比较先进的涂料。粉尘涂料理论上是绝对的零 VOC 涂料，具有其独特的优点，也许是将来完全摒弃 VOC 后，粉尘涂料是涂料发展的最主要方向之一。但其在应用上的限制需更为广泛而深
6、入的研究，例如其制造工艺相对复杂一些，涂料制造成本高，粉尘涂料的烘烤温度较一般涂料高很多，难以得到薄的涂层。涂料配色性差，不规则物体的均匀涂布性差等。这些都需要进一步改善，但它是今后发展方向之一。3、固含量溶剂型涂料高固含量溶剂型是为了适应日益严格的环境保护要求从普通溶剂型涂料基础上发展起来的。其主要特点是在可利用原有的生产方法、涂料工艺的前提下，降低有机溶剂用量，从而提高固体组分。这类涂料是 20 世纪 80 年代初以来以美国为中心开发的。通常的低固含量溶剂型涂料固体含量为 30%50%，而高固含量溶剂型(HSSC)要求固体达到 65%85%，从而满足日益严格的 VOC 限制。在配方过程中，
7、利用一些不在 VOC 之列的溶剂作为稀释剂是一种对严格的 VOC 限制的变通，如丙酮等。很少量的丙酮即能显著的降低粘度，但由于丙酮挥发太快，会造成潜在的火灾和爆炸的危险，需要加以严格控制。4、液体无溶剂涂料 不含有机溶剂的液体无溶剂涂料有双液型、能量束固化型等。液体无溶剂涂料的最新发展动向是开发单液型，且可用普通刷漆、喷漆工艺施工的液体无溶剂涂料。 涂料的研究和发展方向越来越明确，就是寻求 VOC 不断降低、直至为零的涂料，而且其使用范围要尽可能宽、使用性能优越、设备投资适当等。因而水基涂料、粉末涂料、无溶剂涂料等可能成为将来涂料发展的主要方向。5、 “环境贡献”型涂料世界涂料工业除了朝如上所
8、述的低污染、无公害的环境友好型涂料方向发展之外，为了根除“涂料是环境的第二大污染源”的恶名，涂料工业正在向环境贡献型方向发展。现在正在研制或已开发出一些“环境贡献”型涂料，如光催化型杀菌去污染涂料，清除恶臭并提高人类的免疫能力之负离子涂料，调节室内湿度以给人以舒适环境的调湿型涂料，消除“热岛”效应的隔热涂料，杀灭公共场所细菌、病毒的保健型涂料，以及防止乱画乱写的防涂鸦或不粘涂料等等。6、氟碳树脂涂料氟碳树脂涂料具有传统合成树脂涂料所无法比拟的独特性能，包括超高耐候性、抗紫外线辐射、高化学稳定性、抗核辐射、高机械强度和韧性、耐热性、强抗湿性、抗菌性、防粘性、抗沾污性以及低表面能、摩擦系数和折光指
9、数等。它可分为制造炊具、食品加工机械用不粘涂料和工业产品表面涂层用的 Teflon 系列和卷材涂料用的 PVDF 系列，而目前应用较多的是后者。7、喷涂聚脲弹性体（SPUA）这是一种无溶剂、无污染的高性能涂料，可针对不同的使用环境和性能要求，使性能能在很宽的范围内自由调节，具有优异的防护性能，不含催化剂却能快速固化，能在任意的表面上喷涂，1min 即可达到步行强度，施工时不受水分、潮气的影响，1 次施工即能达到厚度要求，耐水、海水、酸、碱、盐类和油等介质长期侵蚀，抗紫外线，附着力强且可在使用温度（50-150）下长期作业，用途广泛。美国已将其广泛用于化工储罐、储罐围堰、管道防腐、跨海大桥、海岸
10、钢结构、隧道等方面，发展前景广阔。8、有机-无机复合涂料近年来，发展极为红火的是通过溶胶凝胶法或称为“变色龙”技术开发的有机-无机复合涂料，此技术可将无机材料与有机材料有机地结合起来，取二者之长，抑二者之短，它能将有机高分子与无机高分子通过牢固的键合力结合起来，这与通常所谓的“互联网络结构”材料有所不同，它能使有机、无机杂化物达到分子级的分散水平，这样就改善了网络结构，将无机-有机材料融为一体，并赋予其新的功能，具有其它材料所不可比拟的优越性。这种用溶胶凝胶技术所获得的有机-无机复合材料不是传统的物理状态的共混，因此其涂料既有有机化合物所具备的坚韧性、耐候性等综合性能，如日本开发的常温固化、超
11、耐候和超低污染型有机改性无机涂料，是半无机聚合物（有机聚硅氧烷）与丙稀酸树脂结合得到的涂料产品，其耐候性及其它重要性能堪与氟碳树脂涂料相媲美，而硬度和保光性则胜之；新近出现的二氧化硅微粒子改性含 HAL（位阻胺）的有机树脂涂料除耐候性与含氟碳树脂涂料相匹敌外，还有出色的化学物理机械性能和耐沾污性。而这类涂料也将是下一代航空涂料和汽车涂料中的替补者。9、高装饰性涂料美，必然会反映在高装饰性涂料上，特别是人们所崇拜的美的汽车面漆。亮的、鲜艳的单色面漆固然为人们所崇拜，但这类面漆在欧美国家只占 30%，其余 70%的却是双色漆（闪光漆）和珠光漆，而且后者的比例会继续增加。人们所欣赏的装饰色彩不只是单
12、一的颜色，而更多的是瑰丽多彩、变幻不定、闪砾多姿的装饰色彩。汽车涂料如此，卷材涂料、建筑装饰和轻工产品等涂料也都如此。因此，针对不同用途，现已出现随角异色、变色珠光、魔幻迷彩及带有高透明、深度感或奇异多彩、镭射闪色的装饰涂料，并且依此继续发展。同时，围绕着这一中心所需的颜料、助剂和树脂等原材料也被不断开发，预计还将有功能性装饰色彩的涂料如温敏变色、碰撞变色以及随光、热、电、化学、生物、压力和时间的改变而改变之类的涂料问世。10、隐身涂料隐身技术是自第二次世界大战发明雷达和喷气发动机以来重要的军事发明，由此可改变未来的作战方式。就隐身涂料来说，目前已有雷达吸波涂料、红外抑制涂料、变色涂料以及紫外
13、光、可见光、近红外、远红外、微波和声波等光谱兼容，多功能伪装涂料以及等离子体隐形涂料等，并已在现代战争如巴拿马战争、伊拉克战争中发挥作用。世界各工业发达国家如德、美、法、英、瑞典以及俄、印等国正在全力研发，美国还将隐身涂料的开发列为今后舰艇发展所必需的重要涂料材料之一。五、新产品、新技术、新工艺1、纳米材料在涂料中的应用纳米材料具有量子尺寸、小尺寸、表面、宏观量子隧道和介电限域等效应。在涂料中如引入稳定的纳米材料就会使涂料在力学、光学、电学和磁学性能上有新的飞跃，因此稳定的纳米材料用于涂料中可提高传统涂料的性能，还能获得新的功能性涂料。国外在以下方面已取得进展：提高对隔热涂料的红外吸收和反射性
14、，由此拓宽了隔热涂料的用途；纳米材料中的一些基因在光照下产生活性，能使涂料具有杀菌、防霉以及吸收紫外线的性能；纳米材料还可用来配制防雾涂料，修补表面涂层缺陷，净化大气，静电屏蔽以及军事隐形功能，还能增强涂层的耐候性、抗磨损性、抗划伤性等。新近最引人注目的是德国 PPG 公司推出之耐擦伤纳米组分涂料，它可防止一般汽车在擦洗过程中造成的涂层损坏和光泽降低现象。因此，用纳米的二氧化硅能制造出高性能设备。2、智能型涂料进入 21 世纪，欧洲一些国家的涂料专家们提出了开发智能型涂料的建议，很快获得世界专家的赞同。所谓智能型涂料是采用智能性聚合物或材料设计而成的涂料，它具有不同凡响的功能，或者以革新的方式
15、达到独特的使用性能。它包括传感器类涂料、预示性涂料和功能型涂料等。如在涂料体系中的导电聚合物会起着模拟聚合物中子的作用，即能接受外力刺激而做出应答，因此可用来开发化学、气体、生物、光等方面的传感器型智能涂料。还有通过热致变色聚合物和热敏颜料来开发的新型示温涂料，通过电致发光聚合物涂料来作信号指示灯，车辆驾驶室仪表板、机场跑道、伪装路标等部位涂层以增强可见性，而将光活性颜料加到涂料中能有助于探测针孔、缩孔、划伤痕迹等缺陷，以及用于建筑外墙的自清漆、涂料等。 “智能型”涂料目前正处于起步阶段，但已初具雏型。六、发展趋势1、盈利模式：多品类经营创造盈利点近几年，水性涂料和工业涂料在涂料市场占有率一直
16、保持在 65%以上。但是，受一些国家能源危机的影响，化工等原材料的价格在不断上涨，影响了涂料企业的产量。一些企业为了降低生产成本，开始寻找新的可替代原材料。在利润变薄、市场占有率降低的情况下，单一的产品结构已无法满足市场的需求。新形势下，涂料企业需要调整产品结构，实行多品类经营，增加盈利点。如企业可利用以往的经验，研发新的产品，走整体家居之路。2、经营理念：“绿色” 、 “低碳”成主导随着人们生活水平的提高，绿色消费成为主流消费观念。受“三聚氰胺毒奶粉”等事件的影响，消费者对于健康的关注度急剧升高。人们开始倡导“绿色” 、 “低碳”的生活方式。涂料产品的甲醛含量一直是消费者关注的问题。环保涂料
17、将会成为涂料行业的发展趋势。许多涂料企业开始注重产品的环保性能。它们不断改进生产工艺，引进先进的生产设备，生产出了许多更加环保的涂料产品。以目前的消费需求及趋势分析，水性涂料环保的绿色涂料更能迎合消费者的需求。更加绿色、环保，吸引了许多消费者。涂料企业只有在产品的环保性能上下功夫，才能赢得更多消费者的好评。3、产品买点：差异化营销打造亮点受多种因素影响，没有任何一种涂料产品能够同时满足所有消费者的需求。涂料行业的一线品牌也只能满足一部分消费者的需求。这些一线涂料企业都是在找准了目标客户群体之后，有针对性地开发产品，才获得了成功。在竞争激烈的今天，企业要想生存，需要进行差异化营销。为产品打造亮点
18、，俘获属于自己的那部分消费者，企业才能由小变大，由弱变强。世界涂料正朝着水性化、粉末化、无溶剂化、高固体化和辐射固化等低污染、无公害的方向发展。目前这些低污染、无公害涂料占全部涂料的 70%以上，到 2015 年将占涂料的 93%。4、向集团化，规模化，专业化方向发展当今世界涂料工业发展的最显著特点，是一些世界级的大公司通过相互收购、合资合作、技术转让等方式，使涂料生产向集团化、规模化、专业化方向发展，以强化其在某一产品市场领域的竞争能力，从而达到全球化、合理化经营的目的。5、重视环保，发展“绿色涂料”由于传统涂料对环境与人体健康有影响，所以现在人们都在想办法开发绿色涂料，所谓绿色涂料是指节能
19、、低污染的水性涂料、粉末涂料、高固体含量涂料(或称无溶剂涂料)和辐射固化涂料等。第一个层次是涂料总有机挥发量(VOC)，有机挥发物对我们的环境我们的社会和人类自身构成直接的危害。涂料是现代社会中的第二大污染源。第一污染源是交通运输业带来的，比如汽车尾气、油品渗透等。因此，涂料对环境的污染问题越来越受到重视。第二个层次是溶剂的毒性，亦即那些和人体接触或吸入后可导致疾病的溶剂。大家熟知的苯、甲醇便是有毒的溶剂。第三个层次是对用户安全问题：一般说来涂料干燥以后，它的溶剂基本上可以挥发掉，但这要有一个过程，特别是室温固化的涂料，有的溶剂挥发得很慢，这些溶剂的量虽然不大，但由于用户长时间的接触，溶剂若有
20、毒，也会造成对人体健康的伤害，因此，在制备时一定要限制有毒溶剂的使用。七、结语随着哥本哈根世界气候大会的召开，人们认识到环境污染问题已经影响到整个地球，威胁到了全体人类的生存。绿色环保是对涂料“健康、环保、安全”属性的评价，包括对生产原料、生产过程、施工过程、使用过程和废弃物处置五大环节的分项评价和综合评价。 目前，世界各国对环保型绿色涂料的开发都在加强，有资料显示，在发达国家，绿色环保装饰材料的利用率在80%90%，而我国仅占 12%。市场上许多打有“绿色、环保”的装饰材料，价格要比普通的材料贵 25 倍，由此可见，绿色环保涂料存在着巨大的市场需求。世界各国环保型绿色涂料的开发及应用成强劲上升趋势，环保涂料的发展速度飞快，已经占到世界涂料总产量的 30%。在涂料工业的三个应用领域中，环保涂料在最大的两个领域中占有相当的比例。比如在建筑涂料领域中，环保涂料在工业发达国家中占绝对优势。
