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UV还是水性?这是个问题……吗?

公司主营:滚涂机 浏览次数:   时间:2018-11-29 7:19:49


在5月我们曾经发过了一篇文章<辐射固化是工业界未来的重要技术吗?>。文中介绍了4月召开的美国涂料大会(American Coating Conference)上,现场对参会者进行了一个民意调查(结果见下图)。在关于“你认为在你所处的工业领域中,下列哪一个技术对未来是最重要的?”调查中,其中有52%的人选择了水性,紧随其后的是功能性/智能涂料(22%),其次是高固含(13%)。光固化(UV/EB)技术占6%,仅仅比最后一位的粉末涂料(5%)高出一个百分点。



当前由于中国国内环保风暴的影响,以及世界范围内对环境保护关注的日益加强,国内外的化工界都加强了对VOC的管控措施。在这一过程中,水性显然受到了高度的关注,风头远胜其他涂料技术。3月在江苏扬州召开的中国涂料大会上,关于水性相关的技术也占据了报告的大部分内容,而光固化很少被提及。那么,我们常讲的三大环保型涂料技术,水性、光固化和粉末,难道真的成为了水性的一枝独秀吗?


4月底在江苏无锡举办的国际感光聚合物科学研讨会上,来自法国上阿尔萨斯大学的Xavier Allonas教授作为全球光固化学术界的著名学者被问及对这个调查结果的看法时,Allonas教授表示这一结果并不奇怪。“在欧洲的情况也是这样,包括巴斯夫等很多大企业在水性涂料方面做了大量的投入,作为溶剂型涂料的替代。当企业已经在水性方面做了巨大的投入,那么他们不会轻易地转向下一代技术。”“我认为水性只是溶剂型技术向更环保的光固化技术转换中的一个过渡型技术。当然,由于之前光固化技术所使用的固化设备都包含有毒的汞,因此很多企业和用户都对此有所担心。但是随着不使用汞的UV LED技术的蓬勃发展,这种担心会变得多余,从而更好地推动光固化技术的发展。”



在美国涂料大会上同时进行的另外一个调查,“当前下列法规中哪个对你的公司最重要?”中,60%选择了VOC。这说明VOC对于大气的污染对普通大众的影响是非常直接的,因此受到了更多的关注。这一关注在中国也不例外,各级政府都出台了一系列对VOC排放的管制措施来着力改善环境。其中也基本都会特别提到对水性涂料和UV涂料的鼓励使用。


和传统的溶剂型涂料相比,水性涂料所使用的溶剂大为减少,其中的VOC含量也得到了大幅度降低。再加上水性涂料在建筑上的长期和广泛应用,因此水性涂料得到更多的广泛关注也就不奇怪了。但是,我们如何看待水性和UV这两种都被称为绿色环保的技术呢?




在我们做更多的讨论之前,我们需要先来区分一些概念。


涂料技术经常会被分为油性水性两种。中国传统上将涂料叫做油漆,因为其中的主要成分是植物油(如桐油、亚麻油等),因此才被叫做油漆。随着化学工业的发展,后来涂料中的植物油逐渐被合成树脂所取代,同时为了调整粘度、改善相容性和施工性能等原因有时会添加各种溶剂。因此油性又常被和溶剂型混为一谈。这也就有了曾经被广为提到的“油转水”这一不是特别科学的说法。我们应该说,溶剂型涂料是油性涂料的一种,但油性并于不一定是溶剂型的。中国传统涂料技术中桐油就是一种典型的油性涂料,但这个存在了几百年的涂料和溶剂却没有任何关系,而且在中国古代即使你想用溶剂恐怕也找不到。配方中有水存在的体系则通常被统称为水性体系




笔者在向从未接触过UV的人介绍UV技术的时候,会经常被问到“你这个UV是溶剂型的,还是水性的?”这也是典型将油性和溶剂型混为一谈的一个提问。即使在水性UV被不断推广的今天,我们通常也不会将传统的UV称为“溶剂型UV”,或者“油性UV”。对于这个问题,我通常的回答会是“如果你一定将UV分为水性和非水性的话,我会将传统的UV技术归类为油性UV技术,不过我们通常并不这样称呼”。


  水性和UV技术的关注度增加,都受到一个共同的推动因素,那就是VOC的管控。VOC是Volatile Organic Compound,的缩写,中文叫做挥发性有机化合物,是指沸点等于或低于250℃的有机化合物。不过各国对于VOC的定义也有一些差别,比如美国特别指明是发生光化学反应的挥发性有机化合物。一些挥发性有机化合物不发生光化学反应或反应活性不高、不严重,使用就不受限制, 如丙酮。光固化技术中可以完全不使用任何溶剂,做到零VOC。而水性和传统的溶剂型相比,其所使用的溶剂量大为减少,因此VOC含量也低了很多。


  不过,人们在对水性涂料表述和理解中存在一些概念和定义上的混淆,这造成了一些错误的认知,使得一些具体的行为,甚至政策都出现了偏差。中国涂料界泰斗人物,清华大学的洪啸吟教授多次在文章和报告中提到了水性中的一些概念性的错误。


  洪教授认为,水性涂料可以被分为两种,一种是水溶性的,一种是水分散性的。水溶性涂料由于要达到水溶性的效果,因此结构上存在大量的亲水基团,比如聚乙烯醇、聚乙二醇等。这些亲水基团在涂料成膜之后仍然亲水,因此导致其耐水性极差,现在的实际应用已经极少。而水分散性的有几类,一个叫乳液,把液体树脂乳化了叫乳液;第二个叫乳胶,是固体树脂的分散体;第三种是水可稀释型,在实际应用中,人们经常使用水溶性涂料的称呼,但这两个概念严格来讲是完全不一样的。不过现在人们习惯上更多称呼水溶性涂料,而没有使用水可稀释型涂料的叫法。


对于乳液和乳胶都是分散体,这也是为什么它们通常情况下都是乳白色的原因。这一类产品也是当今如巴斯夫、帝斯曼等国际性大公司主打的产品。这些水性产品,如果其Tg不是特别低的情况下,他们的成膜都会使用成膜助剂。成膜助剂几乎成了分散型水性涂料不可或缺的组分。成膜助剂是一种溶剂,也就是一种VOC组分。对于成膜温度低于20℃的水性涂料,成膜助剂的用量在1-2%;对于成膜温度高于50℃的,成膜助剂用量将高达10%。另外,有的企业为了促进涂料成膜,还会在成膜助剂中使用增塑剂。部分企业为了让用户快速从溶剂型转为所谓的水性而使用配方中占比高达20-30%的乙醇、异丙醇等快干剂,这也被人们称为假水性。可以说,成膜助剂成为水性涂料的一个极大的缺陷。


  对于水溶性涂料,其外观通常是透明的。一般是首先在溶液中进行聚合,然后通过二羟甲基丙酸等引入羧基或氨基官能团,后续再用胺或者羧酸进行盐化,形成一种自乳化的体系,使其可以稳定存在于水性环境中。但由于体系中存在一些亲水的官能团,导致其耐性通常会成为问题。不过,现在的水性合成技术可以通过引入一些反应性的官能团,做成单组份或者双组份的产品,在后期再通过低温或高温烘烤来得到具有很好耐性的涂膜。这一技术在水性工业漆中已经得到了越来越多的应用。但因后期存在烘烤,其能耗又会成为了一个问题。国内水性专家珠海吉力的王茵健先生认为这一类技术必将成为水性工业涂料未来产品的主流技术。


  对于水性的另外一个不可忽略的问题是,水性涂料在施工过程中的残余物料一旦处理不当,流入水体中,特别是饮用水源,将会很难清除。换句话说,水性涂料对于水体的污染,在某种程度上比溶剂型涂料还要严重和致命,而且处理的难度大。这些问题在我们获得了“蓝天白云”之后,将会被突显出来。


  从上面的描述中我们可以看到,水性涂料和传统的溶剂型涂料相比虽然大大降低了VOC,但仍存在性能(如耐性和物理性能等)不足、大量的成膜助剂带来的VOC、能耗,和不当后处理带来的水污染等问题。




我们再来看看光固化涂料的情况。光固化涂料被称为5E的涂料,这个5个E分别是:


Energy(节能)

由于光固化是通过紫外光照射使光引发剂产生自由基的而发生的反应,因此其能耗主要来源于光源。无论是传统的汞灯,还是当前更加节能高效的UV LED,其能耗仅为传统热固化的5%不到;


Environment(环保)

光固化可以做到完全无排放,而溶剂型和水性均有有机溶剂排放。同时因为其耗能少而更加绿色。现在得到了大力发展的UV LED,由于不再使用有毒的汞,对环境的影响进一步减小。


Efficiency(高产能)

光固化产品从液态转换为固态的固化过程,仅需要零点几秒到几秒,而传统热固化则需耗时长达几分至几十分钟。自然干燥的涂料,其实干时间可能会长达数十天之久。


Enabling(高性能)

光固化产品有着数百种的单体和齐聚体供选择,而且可以根据需要进行不同的齐聚体结构设计,因此所得到的涂层可以具有各种不同的硬度、光泽及物理机械性能等。


Economy(经济性)

光固化耗能少、生产快、占用存储空间很少,可以做到随时生产随时发货,而且得到的产品性能也很好,因此其综合性价比高。




在实际应用中,作为三大环保技术之一的光固化技术,具有碾压所有其他技术的最高生产效率(Efficiency,高产能),这成为其在很多场景中的最大卖点和终端用户转向光固化的最大推动力,没有之一。另外,在一些尖端科技和新兴应用中,光固化技术也已经变得不可缺少。我们很难想象如果缺少了光固化技术,电子电器工业中的制造装配如何实现。在LED、OLED、量子点、光学膜和微电子制造中,光固化技术都充当了极其重要且不可或缺的角色。


  不过光固化也不是没有缺点。其中一个最为显著的缺点就是粘度问题。光固化配方中主要的成分是齐聚体和单体,其中齐聚体是最终涂膜性能的主要决定因素,但齐聚体的粘度通常都较高。这会导致一些在要求施工粘度较低的场合,比如喷涂,光固化就很难做到。在实际使用中,为了达到符合施工要求的低粘度,于是会在光固化涂料中加入溶剂,而这些溶剂通常会是酯类、酮类或者苯类,就存在VOC排放问题。这也就是为什么2017年底发布的GB/T 35602-2017《绿色产品评价 涂料》中,对于辐射固化涂料中喷涂的VOC基准值高达到120g/L的原因(如下图)。




为了解决UV涂料的施工粘度问题,水性UV应运而生。和水性涂料类似,水性UV涂料也分为水溶性(水可稀释型)和水分散体两大类,不过当今实际应用更多的也是水分散体,如Ucecoat 7177这一类,他们的外观是乳白色。水性UV的施工需要先通过红外烘干将水排除,然后再进行UV固化。由于分散体本身分子量的不同,根据其在红外烘干后光固化前的状态,可以分为指干(Tacky-free)和非指干(Tacky)两大类。前面提到的几种水性技术,都可以被用在UV涂料中,可以称之水性的UV化。或者换句话说,将UV涂料转化水性UV时,可以用上传统水性涂料所使用的技术路线。因此,将水性技术和UV技术相结合,具有很好的未来发展前景。2013年拜耳(Bayer)在将UV业务卖给湛新(Allnex)的时候,唯独将水性UV保留了下来没有卖掉,相信是有其深层次原因和长远考量的。


  光固化所存在的另外一些问题,包括它必须要光能照到的地方才能固化,以及氧阻聚,和光引发剂残留等,不过这些问题都有一些针对性的解决办法,这里就不一一详述。


  将光固化和水性技术相比,光固化是一种相对年轻的新技术,在中国真正成规模的商业化应用也只有二十多年的时间,因此工业界对光固化的了解总体来讲还是比较少的,普通大众对光固化的了解就更少了。水性技术的应用和推广则早得多,而且以乳胶漆为代表的在建筑方面的应用,和普通大众的生活关系密切、耳熟能详,这从很大程度上推动了水性技术的普及和发展。因此,你会发现关于水性方面的各种会议,无论从数量还是从规模上,都远超光固化。遍布全国的建筑乳胶漆和水性木器家装漆的广告(如水性科天、三棵树等),更加强化了人们对水性应用的概念。针对普通消费者的关于光固化技术或产品的广告几乎完全看不到。因此,对于光固化技术的推广和普及,需要广大从业者一方面不断做出性能更加优良、能够满足不断出现的新需求的产品,同时也要向新老客户推广介绍光固化技术的优点。各光固化相关的协会也需要充分发挥功能,强化和政府的对接、加强对民众的培训和宣传,和其他行业更多的合作,从而让更多的人了解这一面向未来的优质5E技术,更好地造福全人类。


作为中国近邻的日本,他们水性涂料发展情况是如何的?据日本昭和电工(Showa Denko)的技术专家邵松海先生介绍,在2000年初时,日本也掀起了一阵水性涂料热,主要原因也是因为水性涂料的VOC低、环境友好,以及储存方便等特点。但当时日本也存在一些对水性涂料的质疑的声音,主要集中在三个方面:一是对溶剂型涂料中溶剂的回收技术已经相当成熟,是否有必要转向水性技术;二是因为性能的原因,水性涂料在某些应用领域还无法取代油性涂料;三是因为水性涂料中的废水处理相当复杂,分离很困难,焚烧又因为水的汽化热很高而非常耗能,但油性涂料中VOC的回收相对简单,容易进行分离或者焚烧。


  随着时间的推移,日本业界对于上面三点的质疑也被逐渐得到验证,对于水性涂料关注的热度也就没有那么高了。当然,并不是说水性涂料在日本就没有增长。根据日本经济产业省的统计数据,水性涂料在日本无论是产量还是比例基本都在逐年增加,只不过不像中国的变化这么大,政府方面的政策导向也不那么明显。水性涂料在日本的主要应用也集中在建筑物、建筑材料和新车涂装上。日本从2001年开始实施的PRTR(Pollutant Release and Transfer Register)制度,要求每个企业对有毒化学物质的排放量和移出量进行统计并上报,并由政府汇总并公开。另外,为了应对温室效应,也要求企业尽量减少碳排放。水性涂料在涂装时虽然可以大幅降低VOC排放,但在后期烘烤和废水处理时耗能很大,导致碳排放的增加,这也许是限制了水性涂料在日本发展的另一重要原因。



  任何一种技术都存在一个不断发展完善的过程。在全球范围内,由于人类对于生活环境的更多关注、生活品质的更高要求,任何对环境更加友好的技术都必将得到更好的发展。

  • 水性技术,对于如何改进其性能,减少VOC含量,降低能耗而减少碳排放方面,应该说都还有不小的挑战。但水性技术的不断进步,使其仍然具有很好的发展前景。

  • 光固化技术作为一个能耗极低、可做到零VOC的技术,更多需要宣传推广,并关注提升技术细节,包括如何降低体系的粘度,增加适用范围等,从而得到更好的发展。

  • 结合了水性和UV技术特点的水性UV,或者从水性及UV技术中衍生出的其他技术能否成为未来新的亮点?让我们拭目以待!


文章来源:杜鹏Willy(微信公众号:光固化新材料)