外文翻譯---20世紀(jì)到21世紀(jì)水性涂料面臨的技術(shù)挑戰(zhàn) 中文版

1、<p>　　20世紀(jì)到21世紀(jì)水性涂料面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)</p><p>　　Robert R.Matheson Jr.</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　涂料技術(shù)是在人類掌握的最古老的技術(shù)之一。 相對(duì)來(lái)說(shuō)，水性涂料包括有機(jī)物涂料例如：血液，雞蛋和2000年以前就已經(jīng)開(kāi)始使用的從植物中萃取出來(lái)的萃取物質(zhì)。而且，

2、隨著水性涂料原材料和制備、應(yīng)用技術(shù)的逐漸提高，水性涂料開(kāi)始被連續(xù)地大范圍地使用。但是，縱觀所有年代和歷史文明，從水性涂料作為保護(hù)手段和裝飾手段這一根本目的來(lái)看，它依然存在某種缺陷。本文試圖通過(guò)分析水性涂料的研究和發(fā)展方向的關(guān)鍵問(wèn)題所在，從現(xiàn)代科技角度對(duì)水性涂料在新世紀(jì)的發(fā)展趨勢(shì)做一個(gè)預(yù)測(cè)，從而可以作為21世紀(jì)研究水性涂料的開(kāi)始。</p><p><b>　　前言</b></p>

3、<p>　　人類裝飾各種不同物質(zhì)表層的歷史已有數(shù)千年了。完成此項(xiàng)任務(wù)最為行之有效的方式就是在被保護(hù)或者被裝飾物質(zhì)的表層涂上一層耐久性、黏附力等特性都達(dá)到應(yīng)用要求的新型材料。這種新型的材料就是水性涂料。可以想象，水性涂料早期的研究歷史是一部非常規(guī)但又是專門研究的歷史書籍。人們經(jīng)常用各種不同的物質(zhì)混合來(lái)做實(shí)驗(yàn)，用當(dāng)時(shí)手頭上有限的、可從自然界獲取的材料意外地達(dá)到了他們的目的。人類祖先流下來(lái)的珍貴遺產(chǎn)依然影響著當(dāng)今涂料世界，盡管現(xiàn)在

4、的大都分水性涂料都大量采用人工合成物質(zhì)作為原料，但還是有一些水性涂料使用天然物質(zhì)合成，被稀薄地涂抹在物體表層?，F(xiàn)如今，水性涂料要求能夠簡(jiǎn)單讓大眾使用；涂抹之后能夠在短時(shí)間內(nèi)固化；要求涂料在生產(chǎn)、使用過(guò)程當(dāng)中對(duì)環(huán)境的綜合影響最??；能夠較好抵抗環(huán)境的腐蝕作用；并且可以提供良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以上是筆者總結(jié)的影響當(dāng)今水性涂料生產(chǎn)和發(fā)展的五個(gè)重要因素。</p><p><b>　　水性涂料命名原則</b>

5、;</p><p>　　在水性涂料漫長(zhǎng)、分散和經(jīng)驗(yàn)主義的歷史演變和發(fā)展過(guò)程中留下了一些晦澀難懂而又容易混淆的詞匯[1]。弄清楚經(jīng)常使用的三種既相互區(qū)別有可互換的用語(yǔ)會(huì)非常有幫助。亮漆(來(lái)自阿拉伯語(yǔ)lakk)是一種在物質(zhì)成膜時(shí)沒(méi)有共價(jià)鍵干預(yù)的涂抹在表層的水性涂料（通常由溶劑的蒸發(fā)物制得）。相反，油漆（來(lái)自于中世紀(jì)拉丁語(yǔ)系）是一類本質(zhì)上要求成膜物質(zhì)在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的水性涂料。而搪瓷漆（來(lái)自于德語(yǔ)）是油漆家族中

6、的一個(gè)部分，它的生產(chǎn)過(guò)程中用到了固化（烘干）這一步驟。在以前，這些區(qū)分是明顯而具有針對(duì)性的，但是，現(xiàn)在水性涂料的發(fā)展使得這些區(qū)別越來(lái)越小。不過(guò)，面對(duì)水性涂料日新月異的發(fā)展，這些區(qū)別還是能夠突出其特殊性的。</p><p>　　使水性涂料對(duì)環(huán)境的影響降到最低的方法</p><p>　　被公認(rèn)為一項(xiàng)重大技術(shù)難題的是如何減少或者排除現(xiàn)代涂料當(dāng)中有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)(VOCS)[2]。在今天人口數(shù)量龐大、

7、工業(yè)化程度極高的城市中，有機(jī)揮發(fā)物引起了許多環(huán)境問(wèn)題。說(shuō)得更清楚一點(diǎn)，這個(gè)問(wèn)題是水性涂料引起的最為嚴(yán)重的問(wèn)題。水性涂料中相互不起化學(xué)反應(yīng)的組分完全依靠某一人工助劑(組分中的溶劑)使它們能夠發(fā)揮作用，而且使用完之后必須去除那些幫助涂料起保護(hù)和裝飾作用的組分。</p><p>　　較低的溶解度會(huì)使得有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)在水性涂料的使用過(guò)程中揮發(fā)出來(lái)，這是由于使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱量所致。當(dāng)加熱的涂料冷卻后，它可以達(dá)到人們裝飾、保

8、護(hù)的目的，但是涂料的使用也存在一定的局限性，因?yàn)楫?dāng)溫度過(guò)高時(shí)它有可能再次變得柔軟或者扭曲。更進(jìn)一步說(shuō)，由于大多數(shù)涂層是無(wú)定形態(tài)或半晶質(zhì)態(tài)，它的抗壓和抗沖擊能力開(kāi)始引起人們的關(guān)注，人們擔(dān)心在低溫狀態(tài)下它的這兩種能力能否達(dá)到要求[3]。</p><p>　　水性涂料中可以被人們接受的有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)是那些不對(duì)環(huán)境造成危害的物質(zhì)（例如二氧化碳和水）。由于高壓的要求，液態(tài)或超臨界態(tài)二氧化碳在工業(yè)應(yīng)用中受到限制。水是更容易廣泛

9、使用于水性涂料的溶劑，但它也不是萬(wàn)能的，用水作為溶劑的問(wèn)題在于：涂料在相對(duì)濕度不同的環(huán)境中使用，必須不斷地改變它的干燥時(shí)間，而這種改變也是不可避免的。因?yàn)橄鄬?duì)濕度幾乎每個(gè)小時(shí)都改變，所以這是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。事實(shí)上，現(xiàn)今所有的水性涂料都含有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)，與傳統(tǒng)的、使用常規(guī)有機(jī)溶劑的水性涂料相比，新型水性涂料中有機(jī)揮發(fā)物的含量已大大降低，但還是或多或少存在?，F(xiàn)代水性涂料的發(fā)展趨勢(shì)是：既能夠最大程度地保護(hù)環(huán)境，又可以保留涂料中傳統(tǒng)特性、綜合性控制

10、、低成本生產(chǎn)這些性質(zhì)。</p><p>　　有機(jī)揮發(fā)物不僅是水性涂料影響環(huán)境的一個(gè)因素，更是阻礙其發(fā)展的因素。因?yàn)樵诿绹?guó)，有關(guān)所謂空氣污染物(HAPs)的章程是非常重要的[4]，章程明確規(guī)定哪些傳統(tǒng)芳香溶劑不可以使用，眾所周知，大量使用這些溶劑將會(huì)引起人類健康方面的疾病。同樣，在世界各地也都明令禁止這些溶劑的大規(guī)模使用。在重金屬使用方面也有著這樣一個(gè)廣泛的制約，但有相當(dāng)多的特殊金屬通過(guò)在表層涂抹水性涂料達(dá)到使用要

11、求的例子[5]。水性涂料還有一種應(yīng)用方法，即是通過(guò)電鍍的方式在負(fù)極給被保護(hù)物質(zhì)的表層鍍上一層保護(hù)層，例如：給金屬鍍層鍍上一層鉻；以各式各樣的涂層鍍金屬鉻或者鉛；在防止海洋堵塞的物體上鍍錫；甚至用水銀作為鍍層電鍍金屬以達(dá)到抗菌的目的。與其它材料加工的領(lǐng)域相同，電鍍技術(shù)也必須尋找可供選擇的成分，但是沒(méi)有破壞環(huán)境的后顧之憂。雖然取得一定的進(jìn)展，但是同類型的，特別是關(guān)于金屬防腐涂層的技術(shù)還未被真正找到。</p><p>

12、　　消除水性涂料對(duì)環(huán)境的影響</p><p>　　對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響和較低的力學(xué)強(qiáng)度是所有水性涂料的缺陷，也是制約它發(fā)展的關(guān)鍵因素。自然界的腐蝕是多年來(lái)難以解決的問(wèn)題，它嚴(yán)重阻礙了水性涂料的發(fā)展。水性涂料可作為水下涂層的一部分，抵抗含水有機(jī)體的侵蝕，例如蠕蟲(chóng)；作為外部涂層抵抗某些動(dòng)物排出糞便的侵蝕，例如鳥(niǎo)、昆蟲(chóng)；最為內(nèi)部涂層抵抗某些細(xì)菌的侵蝕，例如霉菌。這些技術(shù)上的難題都是相同的，即在不對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響的基礎(chǔ)上使

13、用無(wú)毒的水性涂料抵抗這些侵蝕。專門為此項(xiàng)任務(wù)研制特殊水性涂料的工作也就應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這條道路通常是昂貴而又不完美的，但偶爾會(huì)卓有成效。但是，客觀地說(shuō)，完全不使用有毒、或者重金屬物質(zhì)而又達(dá)到人們的要求，這樣的例子似乎還沒(méi)有出現(xiàn)。</p><p>　　現(xiàn)在有一個(gè)新的思路，在被涂抹物質(zhì)表面產(chǎn)生包含生物化學(xué)反應(yīng)和簡(jiǎn)單風(fēng)化反應(yīng)的輕型化學(xué)反應(yīng)來(lái)阻止侵蝕[6]。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，水性涂層的水解可以切斷生物腐蝕。如果人們?cè)O(shè)

14、計(jì)的水性涂料水解后能生成防腐、防塞甚至是可達(dá)到我們?nèi)我饽康牡漠a(chǎn)物，那么這將成為一種有效的手段。</p><p>　　最大化控制通過(guò)水性涂料的分子</p><p>　　對(duì)于水性涂料來(lái)說(shuō)，防腐是一項(xiàng)重要的任務(wù)，水性涂料的傳統(tǒng)任務(wù)就是保護(hù)被涂物體免受環(huán)境的影響，這種保護(hù)實(shí)質(zhì)上是一種化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的保護(hù)。油漆就是專門為此目的而開(kāi)發(fā)出來(lái)的，在被保護(hù)物質(zhì)表層涂上一層油漆形成一層保護(hù)層是一種行之有效的手

15、段，避免物體在使用過(guò)程中受到侵蝕。</p><p>　　為了控制外界環(huán)境的侵蝕，現(xiàn)代水性涂料的生產(chǎn)技術(shù)中出現(xiàn)了一個(gè)特殊領(lǐng)域，在涂料的各種生產(chǎn)工藝中都不可避免地用到了這些特殊技術(shù)。在物體表層的某一區(qū)域內(nèi)涂抹的是一層水性涂層，用于防止侵蝕，而用于防止輻射和控制熱量的涂層則被涂抹在物體內(nèi)部電子元件的密封處。涂抹在鐘、表等潔凈物體表面的涂層厚度是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，這些物體外界細(xì)微的溫差可能導(dǎo)致水性涂層厚度的改變。另外一

16、個(gè)極端的環(huán)境則是在鐵路機(jī)車的棚子中，濕氣，溫度，氣流，表面腐蝕等眾多問(wèn)題都可能導(dǎo)致水性涂層的性質(zhì)發(fā)生巨大變化。</p><p>　　在選取水性涂料的各種組分時(shí)額外小心是面對(duì)這種挑戰(zhàn)的一個(gè)思路，這樣做可以避免許多副反應(yīng)的產(chǎn)生。不管什么情況，一旦副反應(yīng)發(fā)生，就會(huì)帶來(lái)一定的危害，產(chǎn)生不必要的麻煩。這將導(dǎo)致聚合過(guò)程無(wú)法受到控制（事實(shí)已經(jīng)證明，某些聚合物例如聚丙烯酸酯的聚合過(guò)程無(wú)法控制[7]）。不參與反應(yīng)的基體材料要嚴(yán)格排

17、除在外，另外要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，避免原料的浪費(fèi)。由于極其苛刻的性能要求，汽車涂料走到了水性涂料應(yīng)用領(lǐng)域的前沿，在強(qiáng)大經(jīng)濟(jì)作用的刺激下，人們生產(chǎn)了大量的汽車。現(xiàn)在已經(jīng)有一些文獻(xiàn)開(kāi)始介紹關(guān)于監(jiān)測(cè)和控制汽車涂料性能的新型綜合性分析技術(shù)[8]。</p><p>　　用作裝飾的水性涂料特別需要添加顏料、云母和某種金屬微粒。有效分散這些微粒的手段是在水性涂料的生產(chǎn)過(guò)程中大量使用分散劑來(lái)分散它們，并且要防止在以后的使用過(guò)程中出現(xiàn)復(fù)

18、聚。為了使水性涂層分子具有較小的流動(dòng)性，需要對(duì)其進(jìn)行精密的控制，否則，一旦使用，外界壓力會(huì)導(dǎo)致微粒復(fù)聚、涂層黏附力下降等一系列問(wèn)題。由于顏料是水性裝飾涂料中最為昂貴的成分，因此合理使用、節(jié)約成本也是非常重要的。另外，由于原料的集中溶解和使用過(guò)程中外界環(huán)境的壓力，涂層中微粒的分散成為一個(gè)突出的問(wèn)題。但是，日新月異的化學(xué)技術(shù)使得分散劑有了很大的發(fā)展，從而在控制涂層分子這一方面出現(xiàn)了一個(gè)較大的飛躍。而且，制造嵌段式共聚物（專為微粒在某一物體表

19、面或者某一溶解環(huán)境的親和力設(shè)計(jì)）的技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)并用于商業(yè)。這樣的專利技術(shù)有很多而且越來(lái)越多，但是C. Hosotte-Filbert[9]的專利是一個(gè)典型。</p><p><b>　　功能水性涂料</b></p><p>　　在第四屆世界涂料學(xué)術(shù)會(huì)議上，水性涂料被描述成具有修復(fù)作用的油漆涂料或者是在使用過(guò)程中能夠起化學(xué)反應(yīng)的亮漆涂料。為了抵抗自然界長(zhǎng)期的氧化作用，

20、我們?cè)O(shè)計(jì)了許多類型的功能涂料。在通常人眼中，這種長(zhǎng)期的氧化作用被視為麻煩。然而，學(xué)會(huì)適應(yīng)并利用它也是有好處的，搪瓷功能涂料中硅氧鍵的形成、互換就是依靠這種長(zhǎng)期的氧化作用[10]。當(dāng)然，此種行為會(huì)導(dǎo)致涂層外部在光和氧氣的環(huán)境中受到一定損傷。此外，對(duì)壓力和破裂起抵抗作用的特種功能涂料還在研制當(dāng)中[11]。</p><p>　　如今，傳統(tǒng)功能涂料的生產(chǎn)控制和運(yùn)輸控制都成為一個(gè)難題，值得注意的是許多成功的涂料（通常用于減

21、緩或者防止腐蝕）都是用于各種材料的運(yùn)輸和滲透。大氣中的氧氣滲透進(jìn)入食物、二氧化碳滲透進(jìn)入碳酸飲料、藥物滲透進(jìn)入身體，電荷滲透進(jìn)入設(shè)備，這些熱滲透都在一個(gè)等溫環(huán)境中或易受腐蝕的環(huán)境中進(jìn)行的，而此種環(huán)境中水和離子材料的滲透是水性涂料在生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中最需要考慮的因素。因此人們也長(zhǎng)期致力于防止或者是減緩?fù)苛显陂L(zhǎng)期使用過(guò)程中化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的降低。</p><p>　　水性涂料大規(guī)模工業(yè)化所面臨的挑戰(zhàn)</p>

22、<p>　　阻礙水性涂料發(fā)展的關(guān)鍵因素在于其高昂的成本和固化手段的局限性。毫無(wú)疑問(wèn)，這些問(wèn)題包括大量資本和能源的消耗，資金周轉(zhuǎn)，庫(kù)存積壓等等。生產(chǎn)過(guò)程中熱量對(duì)敏感基體的損傷也是其中的一個(gè)制約因素。直接的解決方法就是降低固化溫度、減少固化時(shí)間，還可以從已經(jīng)引起人們注意的化學(xué)反應(yīng)和催化劑這兩個(gè)方面著手，來(lái)解決問(wèn)題?；蛘撸_(kāi)簡(jiǎn)單的固化反應(yīng)，如果能找到一種修復(fù)反應(yīng)使得基體重新被激活，在不損失涂層表面的基礎(chǔ)上將問(wèn)題解決，這樣是最好的。

23、目前，已經(jīng)有一些文獻(xiàn)開(kāi)始介紹用于放射性治療（與紫外光、電子束甚至是可見(jiàn)光配合使用)的水性涂料，這方面的研究將擴(kuò)大水性涂料的使用領(lǐng)域[12]。粉末涂料和水性涂料都可以作為創(chuàng)新和研究的對(duì)象。而水性涂料所面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何均一修復(fù)半透明涂層（要求被修復(fù)涂層不受各種輻射的影響）和復(fù)雜形狀的涂層。</p><p>　　可以在很多地方或者可以從實(shí)驗(yàn)室中找到新開(kāi)發(fā)出來(lái)的水性涂料的事例，這些事例都對(duì)應(yīng)著新世紀(jì)影響水性涂料發(fā)展

24、的五要素中的一個(gè)或者幾個(gè)。可能沒(méi)有全部五項(xiàng)都對(duì)應(yīng)，但至少都有一項(xiàng)是對(duì)應(yīng)著的。人們需要一個(gè)評(píng)估系統(tǒng)來(lái)測(cè)試水性涂料中的成分（特別是有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)）對(duì)于環(huán)境的影響，而且這個(gè)系統(tǒng)還可以提高水性涂料中抵抗環(huán)境侵蝕（特別是抗沖擊性能）、耐久性和耐腐蝕性等性能，這些性能的研究可能需要十年時(shí)間。這種需求已經(jīng)與現(xiàn)代水性涂料的發(fā)展體系結(jié)合在一起?，F(xiàn)代涂料的應(yīng)用有著四層要求：第一，水性涂料要求應(yīng)用于電鍍涂層上（這對(duì)于重金屬來(lái)說(shuō)已是非常簡(jiǎn)單的了）；第二，水性涂料

25、的粉末底料要求不含有機(jī)揮發(fā)物；第三，水性涂層的有機(jī)顏料要求含有極少的有機(jī)揮發(fā)物和空氣污染物；第四，水性涂料的表層要求含有不超過(guò)20%的有機(jī)揮發(fā)物，而且還要求有較好的抗沖擊性能、抗酸雨、化學(xué)攻擊和化學(xué)曝光的性能。當(dāng)然，所有的應(yīng)用都與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，包括自動(dòng)和手動(dòng)設(shè)備，有關(guān)，但這樣的確可以降低成本和能耗，增強(qiáng)視覺(jué)效果。由于車內(nèi)環(huán)境對(duì)于水性涂料的要求是非?？量痰模疫@樣的評(píng)估系統(tǒng)剛剛啟用，所以各方面還有待努力。從目前情況看，預(yù)計(jì)花十年時(shí)間研究

26、出來(lái)一種各方面性能</p><p><b>　　展望</b></p><p>　　那五個(gè)關(guān)鍵因素已經(jīng)預(yù)示了水性涂料在新世界的發(fā)展趨勢(shì)。最主要的趨勢(shì)是在水性涂料的鏈長(zhǎng)和分子結(jié)構(gòu)上做改進(jìn)，從水性涂料的修復(fù)性能這一角度來(lái)看，在不傷及環(huán)境或者說(shuō)對(duì)環(huán)境影響很小的前提下，著力提高水性涂料的均一修復(fù)性能是一種思路。第二種趨勢(shì)解決一些傳統(tǒng)水性涂料的問(wèn)題，消除它的某種限制。不管是通過(guò)緩

27、慢的化學(xué)反應(yīng)來(lái)解決傳統(tǒng)水性涂料的問(wèn)題，還是采用放射手段來(lái)輔助水性涂料中各種組分的交聯(lián)，人類的技術(shù)手段總是在無(wú)限拓展，永遠(yuǎn)沒(méi)有盡頭。有一個(gè)可以歸納以上兩種發(fā)展趨勢(shì)的措辭：為達(dá)到所要求的性能，你想去除水性涂料中哪些不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在涂料的哪種化學(xué)過(guò)程中采取必要的控制，是生產(chǎn)過(guò)程，使用過(guò)程，還是涂料的均一修復(fù)過(guò)程?</p><p>　　這最本質(zhì)的觀察也許能幫你看清楚問(wèn)題所在，筆者有一種預(yù)感，水性涂料的技術(shù)瓶頸將存在很長(zhǎng)一段

28、時(shí)間。涂料技術(shù)是一項(xiàng)萃取衍生物的技術(shù)，這種技術(shù)使得從復(fù)雜原料中提取的物質(zhì)能夠在某一區(qū)域內(nèi)一起使用，然而這個(gè)過(guò)程也會(huì)伴隨有副產(chǎn)物的產(chǎn)生。涂料的生產(chǎn)制備也總是向人們提出這樣那樣的問(wèn)題，當(dāng)水性涂料的應(yīng)用程序變得再簡(jiǎn)單不過(guò)的時(shí)候，減少涂料對(duì)環(huán)境的污染、提高其耐腐蝕性、抗沖擊性和使用壽命就成為發(fā)展水性涂料的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)要求使用最少的原料發(fā)揮涂料最大的作用、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生最小的影響以及副產(chǎn)物的最大回收利用。由于要求使用最少的資源，因此需要極高的智慧來(lái)

29、研究開(kāi)發(fā)。與現(xiàn)代物質(zhì)注冊(cè)、資本投資和廢物管理等新興的職業(yè)一樣，水性涂料這一職業(yè)也需要持續(xù)地創(chuàng)新。今天，我們只是站在水性涂料的一個(gè)歷史階段來(lái)縱觀它的過(guò)去，展望它的未來(lái)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] P. Nylen,E. Sunderland, Modern Surface Coatings(Interscience,New

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