防水涂料助剂的功能特点及应用

助剂是水基防水涂料的重要组成部分， 作为防水涂料的原材料之一。助剂的用量通常很少（一般为配方总量的1%左右）， 但作用却很大。它的加入不仅可以避免产生许多涂料的缺陷及涂膜弊病， 同时又可以使防水涂料的生产和施工过程易于控制， 而且某些助剂的添加， 可以赋予防水涂料一些特殊的功能。助剂的产品质量和发展水平从一个侧面反映涂料产品质量和水平。因此，客观评估我国水性涂料助剂工业之现状， 深入了解世界涂料助剂工业之发展， 对于加速我国涂料助剂工业的发展是必需的和有益的， 因此值得业内人士的关注。
 

1 水性涂料助剂的主要产品及性能

1.1 润湿剂

润湿剂能改进颜料粒子对水的可润湿性， 有助于保持颜料分散的稳定性。涂料本身就含有大量的乳化剂， 而润湿剂的加入会进一步增加体系中表面活性剂的含量。这些表面活性剂的存在使得涂料成为非稳定体系， 表面张力差极易导致泡沫的产生。因此， 低泡润湿剂的产生和应用受到了广泛的关注。近来弹性涂料的发展日益加快，而为了实现良好的抗裂防渗漏行为， 以对建筑物提供更佳的装饰和保护效果， 弹性涂料需要较厚的干涂膜。并且由于乳液用量大， 黏度高， 弹性涂料的生产存在消泡的困难。因此在选用润湿剂时， 更需要低泡产品。

1.2 消泡剂

传统消泡剂的消泡物质（包括矿物油、蜡、金属皂、有机硅、疏水无机硅等） 都属于水不溶性物质， 必须加入一定量的乳化剂和扩展剂才能使其快速均匀分散到水性体系中发挥消泡作用。当由于某些原因（如涂装前加水冲稀） 导致乳化剂从消泡物质表面脱离后， 不溶于水的消泡物质就容易在涂膜表面造成缩孔。为了消除传统消泡剂这种不可避免的弊病， 出现了分子级消泡剂。这类消泡剂由特殊的矿物油及特殊的分子级消泡物质组成， 整个分子呈类似于网状的超分支结构，具有多个锚定点， 同时具有一定的自乳化作用，无需另外添加乳化剂， 不会出现因乳化剂脱离而造成的缩孔现象。另外， 这类消泡剂特殊的结构使其对基材具有一定的润湿作用， 可适当减少润湿剂的用量。这种新的消泡结构及消泡机理将可能引起消泡剂的重大变革， 典型产品即Cognis 的FoamStar 系列。通常来说， 高黏度体系要想获得完美的消泡效果比较困难， 如弹性涂料。这是由于高黏度限制了气泡间液体的流动， 气泡的膜壁能够保持一定的厚度， 从而气泡难以破裂， 导致漆膜出现大量的针孔。针对此种较特殊的场合，各生产商推出了一系列的强力消泡剂。

1.3 增稠剂

增稠剂是一种流变助剂， 加入增稠剂后不但能使涂料增稠， 同时还能赋予涂料优异的机械及物理化学稳定性， 在涂料施工中起到控制流变性的作用。增稠剂分为无机增稠剂和有机增稠剂两种。在无机增稠剂方面， 纳米技术实现无机物颗粒的纳米化， 赋予无机增稠剂一些新的性能； 在有机增稠剂方面， 聚合物类增稠剂的开发依然是主要发展方向， 聚合物类型虽然还是聚氨酯类、聚羧酸盐类为主， 但通过添加某些物质进行共聚改性、接枝上某些疏水基团等方法， 在提高增稠性能的同时， 还具有一定的抗水性。另外， 为了达到低VOC 的要求， 无溶剂型增稠剂也逐渐成为关注焦点。由于一种增稠剂通常主要在某种剪切速率下能显著提高体系黏度， 在其它剪切速率下则不太明显， 因此， 研究增稠剂之间的复配、协同作用也显得比较重要。近年来， 增稠剂以开发聚羧酸盐类产品为主要发展方向， 提高聚丙烯酸增稠剂的应用性能， 如贮存稳定性、耐电介质性能和增稠能力等， 是目前研究的重要内容， 如添加某些物质进行共聚改性、与其他增稠剂复配等。除聚羧酸盐外， 性能良好的半合成增稠剂、聚氨酯类增稠剂也得到不断发展。国内开发了不少增稠剂， 但多是阴离子型， 非离子型很少， 阳离子型未见报道。目前应用最多的增稠剂品种有水合型， 但缔合型增稠剂的使用也日益增加。这类产品主要是聚氨酯和聚醚类， 其分子链能够与乳液粒子和颜、填料缔合。当施加剪切力时， 这种缔合结构被破坏， 使得涂料易于施工， 而一旦去除剪切力， 则颜、填料和乳液粒子通过增稠剂又重新缔合在一起， 黏度恢复， 使得涂料体系得以保持稳定。

1.4 分散剂

专用化耐水型助剂提高抗水功能。内外墙会遭受水分的侵蚀， 外墙经常遭受雨水， 而雨水会导致漆膜变色、泪痕等问题； 内墙如卫生间、厨房等处， 墙面也处于潮湿的环境中。因此， 对于这些场合， 涂膜的抗水性受到了重视， 用于漆膜表面疏水改性的表面处理剂也有了较大发展。目前主要的产品种类为蜡乳液和有机硅乳液。除了这种后添加的疏水助剂外， 分散剂也有类似的抗水功能， 这类抗水型分散剂主要是氨盐的聚合物，由于氨在成膜后会挥发， 吸附在无机物表面的分散剂恢复成原来的水不溶形式， 降低了无机颜、填料表面的亲水性， 因此适用于外墙乳胶漆等耐水性要求较高的体系。乳液和颜、填料是乳胶漆的主要成分， 乳液为疏水性， 而无机颜、填料为亲水性， 疏水的乳液和亲水的颜、填料难以在一个体系中稳定的存在， 由此而导致颜、填料的絮凝和涂料的分水、分层等现象。因此， 分散剂、增稠剂等被应用在涂料的制备过程中， 以获得颜、填料的良好分散及稳定悬浮， 从而改善涂料的储存稳定性。然而， 在高颜料体积浓度乳胶漆中，分散剂的使用并不能完全消除颜、填料粒子的聚集。传统的阴离子型羧酸盐类分散剂主要是以提高颜、填料粒子的表面电位， 利用双电层原理使颜、填料粒子得以在水中分散。但羧酸盐类分散剂与颜、填料粒子表面电荷相同， 因此分散剂与颜、填料粒子间的吸附很弱， 分散剂很容易从颜、填料表面脱离， 从而引起弱絮凝。基于此， 胶体改性的理念得以提出， 这里的胶体泛指无机颜、填料的分散体。通过对胶体的改性， 在颜、填料表面增加高分子缔合点， 提高了分散剂在颜、填料粒子表面的吸附力， 分散剂的作用从而得以更加有效的发挥。高分子缔合点的增加使得颜、填料表面更加疏水， 因而与乳液间的相容性也得到了显著的改善。
 

2 水性涂料助剂的发展趋势

2.1 满足日益严格的环境和技术法规

随着人们对使用符合生态和环保要求的工业原料的意识增强， 涂料原料供应商被要求满足越来越多的环境和技术法规， 各种涂料体系中的有机溶剂正逐步被水替代。最近的这种趋势可以从工业涂料和运输车辆涂料中反映出来， 原来这些涂料一直是使用高光丙烯酸树脂、聚氨酯-丙烯酸树脂和聚氨酯-聚酯树脂， 现在这些树脂供应商正在努力用水性树脂来替代那些传统的硬度好、耐化学品性和老化性能优异、高光泽的溶剂型树脂。
近些年来， 分散剂的研究克服了高分子量会产生絮凝的问题， 向高分子量发展是其趋势之一。如乳液聚合法生产的高分子量分散剂EFKA-4580，是专为水性工业涂料而开发的， 适用于有机和无机颜料分散,耐水性好。通过酸碱作用或氢键作用， 氨基对许多颜料都有很好的亲和力。以氨基丙烯酸为锚固基的嵌段共聚分散剂得到重视。据报道， Tego Dispers 655 湿润分散剂用于水性汽车漆中， 不仅能使颜料定向， 而且可阻止铝粉与水反应。由于对环境的关注， 发展了易生物降解的湿润分散剂， 如EnviroGem AE 系列双胞湿润分散剂， 就是一种低泡湿润分散剂。

2.2 单包化多功能助剂

常规助剂一般只有一种主要作用， 而为了使涂料的其他性能满足要求则必须用其他助剂配合。而助剂的使用或多或少的会影响漆膜的性能， 助剂的种类越多， 其间的相容匹配性就越有可能出现问题。多功能助剂往往具有两种或多种功能，分别在涂料生产、涂料施工和涂膜应用中发挥作用， 如带有润湿效果的消泡剂、具有流平效果的增稠剂等。由于多功能助剂可以全面提升涂料的整体性能， 降低成本， 因此多功能化将会是助剂发展的一个方向。单一结构的助剂品种无法满足涂料产品的多功能要求， 助剂的发展趋势之一是通过复合实现多功能化。因此， 利用配方调优技术， 合理选择复合组分， 特别注意各组分间的协同作用， 制成单包化的多功能助剂， 也是一种富有实效的创新策略。

2.3 成膜助剂环保化

涂料的水性化、环保化趋势越发明显， 绿色涂料的意义不仅在涂料的使用中， 已经延伸到涂料从生产到包装、施工、使用的全过程的低毒、无害。而涂料助剂的发展必将是以环保作为主线的。涂料中有机挥发物对环境、社会和人类自身构成直接的危害。美国洛杉矶地区在1967 年实施了限制涂料溶剂容量的66 法规， 自此以后， 国外对涂料中溶剂的用量的限定愈来愈严格， 如美国的大气净化法（1990）、AIM 条例（1998）， 欧洲的欧盟指令（1994）、欧共体生态标志产品标准（1999）， 日本的室内建筑涂料标准（1997） 等。
常用的一些溶剂如甲苯、二甲苯、丁酮、醋酸酯等都在限制之列， 乙醇也不例外。我国于2002年1 月1 日正式实施的国家强制标准GB 18582—2001 《室内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量》就对VOC 做出了200 g ／ L 的限量。对于水性涂料， 成膜助剂是VOC 的主要来源之一。成膜助剂又称聚结助剂， 它能促进乳胶粒子的塑性流动和弹性变形， 改善其聚结性能， 能在广泛的施工范围内成膜。成膜助剂通常是挥发很慢的溶剂，如各类醇醚、醇醚醋酸酯和醇酯等。可采取多种途径以减少成膜助剂对涂料VOC 的影响， 如对乳液的性能进行改进， 使其能够部分自成膜而减小成膜助剂的用量。但对于Tg 较高的树脂， 其自身成膜性差， 则必须借助成膜助剂才能成膜。因而，在乳液技术还没有显著的突破阶段， 对成膜助剂的环保化改进成了目前各生产商的主要手段。对成膜助剂的环保化除了可在原材料及产品本征性质上进行控制外， 另一个方法是改变成膜助剂的挥发行为。传统的成膜助剂在成膜的最后阶段完全逸出， 而挥发速率较慢的成膜助剂在较长的时间内仍保留在涂膜中， 使涂膜不能完全硬化， 耐水性及耐化学药品性下降。而改进的成膜助剂能够被乳胶微粒吸收而留存于漆膜之中， 从而减小向空气中的挥发， 但同时又能够保证对涂膜的各种性能不产生负面影响。

2.4 功能性涂料助剂

生活水平的提高使得人类对自身生存环境的要求也越来越高， 渴望拥有更加清爽、舒适、环保的生活和工作环境。使用环保的材料和终端产品， 仅仅能够实现环境不受污染， 但在进一步改善环境方面则无能为力。由此， 各种功能性涂料助剂不断涌现， 这些助剂的应用为人类创造了更加健康的环境。同时， 功能性助剂的使用更使得涂料产品的性能得以不断提高， 并赋予很多特殊的性能。近年来建材专家提出了用建筑材料来增加室内空气负离子浓度的新设想， 负离子添加剂在涂料中的使用应运而生。负离子添加剂主要为经过后处理的天然矿物粉体， 如： 奇冰石、电气石、神州奇石、麦饭石、桂阳石等。在涂料成膜后， 空气中的水分子可以通过高分子膜的空隙与涂料中的负离子添加剂碰撞， 在负离子粉体颗粒电极附近的强电场作用下电离成氢氧根离子和氢离子。氢氧根离子进入空气， 吸引空气中水分子，形成水合羟基离子， 即为空气负离子， 从而增加空气中负离子的浓度， 达到改善环境的目的。负离子添加剂持续释放的H3O2-负离子能够中和和包覆在游离出的带有正电荷的甲醛、氨、苯类等有害气体颗粒的周围， 使其形成大粒子团并沉降下来， 不漂浮在空气中， 对人体健康不再构成危害。
另外， 负离子添加剂能够去除空气中的异味， 因为H3O2-能中和空气中的氧自由基及氧化性气体（腐败异味）， 负离子添加剂产生的电场可以使有机物异味在电场中分解， 从而对空气产生净化作用。负离子添加剂还具有很强的抗菌抑菌效果，这与防腐杀菌剂有所不同。后者是保护涂料本身或漆膜不受细菌及微生物的侵蚀， 而负离子添加剂则是对周围环境进行杀菌和抑菌。负离子添加剂对包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、霉菌在内的许多菌种有消除和抑制作用， 这同样是利用H3O2-的包覆或中和作用， 使菌种失去增生与繁殖的条件。尽管负离子添加剂已在涂料中有相当的应用， 但在负离子释放性能上还有待进一步的提高， 目前所采用的主要手段是用稀土元素对负离子添加剂进行活化。

2.5 无溶剂型润湿分散助剂

水性涂料体系也会出现传统涂料中的制造和施工问题， 但一些在传统体系中具有很好的消泡性能、分散性能和基材润湿效果的助剂， 不再适合于新的水性涂料体系。以消泡剂为例， 传统的消泡剂在涂料的贮存过程中消泡能力逐步减弱。此外， 漆膜光泽和清晰度经常会在消泡剂加入之后发生严重的变化。一种新的消泡剂技术最近已被开发出来， 这种消泡剂配方既维持了一定程度的消泡作用机理所必需的不相容性， 同时又不会出现消泡效率降低或是产生表面缺陷的现象。类似的问题也出现在使用传统的基材润湿剂的时候，润湿效率随着时间的变化而逐渐降低。这也促使了一种新的聚醚改性硅氧烷表面活性剂的开发问世， 它能在更宽的pH 范围内具有优异的稳定性。新合成的水性聚合物在被应用于着色色浆体系时，对乙二醇和颜料润湿分散助剂的引入变得更加敏感。这就促使了一种新的无溶剂型润湿分散助剂的开发， 以适合于不含基料的通用色浆的开发。环保法规的压力促使涂料生产商开发出更多的环境友好型涂料， 同时， 涂料的性能应该予以保持甚至有所提高。在水性涂料体系中， 消泡助剂、分散助剂和基材润湿助剂的使用是必不可少的。涂料助剂供应商的主要工作就是， 准确地预测配方的发展趋势， 并开发出合适的产品以促进技术进步。
2.6 微生物类等防腐剂取代甲醛类杀菌剂

水性涂料是一个富含营养的体系， 从开始生产到形成漆膜的每个环节都面对细菌的腐蚀， 尤其在环境温度升高特别是湿度和营养源丰富的环境下， 水性涂料面临着大量霉菌和细菌繁殖与生长的严峻挑战。因此， 水性涂料中必须添加杀菌剂以防止微生物对涂料的损坏， 微小的添加量就能确保水性涂料在生产操作过程中、成品包装贮存中、涂料成膜中不受细菌侵蚀。国外对杀菌剂的研究和应用较早， 积累了相当的经验， 在技术上领先于国产杀菌剂， 加上具有准确精密的检测手段、售后服务和广告攻势， 因此进入我国市场后迅速得到使用厂家的广泛认可， 形成了品牌效应。基于我国巨大的建筑涂料市场， 杀菌剂的市场也日益快速增大。即使在总配方中只有千分之几的添加量， 总的市场需求也相当可观。目前，我国市场对价廉物美、低毒高效的杀菌剂需求剧增。特别是国家环保局颁布了水性涂料新的绿色标准后， 限制了甲醛的使用， 以前在水性建筑涂料中作为杀菌剂使用的甲醛类产品首当其冲受到质疑。因而生产厂家纷纷转向寻找其他杀菌剂来替代甲醛类产品。近年来， 国内从事微生物防腐的科研在这方面也进行了积极的开发研究， 国产杀菌剂开始快速推入市场， 并在应用中不断完善功能性、环保性。陕西石油化工研究院的华科-981、华科-108、上海轻工业研究所的JX-515 等，在华北、华东市场占有一席之地， 带动了国产杀菌剂技术的发展。

未来建筑涂料用杀菌剂发展的一个重要方向是利用纳米技术。现在国内外的防腐剂、防霉剂大多是有机化合物， 对人体或多或少有一定的副作用， 纳米技术的发展使抗菌剂技术进入了一个崭新的时代。纳米TiO2、ZnO 等纳米材料对人体无毒、抗菌范围广、热稳定性优良。纳米材料的作用机理是基于光催化反应使有机物分解而起抗菌作用， 在日光照射及空气和水的存在下， 生成原子氧和氢氧自由基， 能够与细菌内的有机物反应， 生成二氧化碳和水， 具有防霉和抗菌综合作用。如将纳米抗菌粉于涂料中可广泛用于室内墙面、医院、食品车间等。国外已开始开发银抗菌纳米材料， 这种较为有效的抗菌材料在一定的银离子浓度下即可有效杀灭微生物。我国也有采用银系、银-锌系及银-铜系、银-锌-铜系无机抗菌粉添加于丙烯酸涂料中制得抗菌涂料的研发报道，抗菌效果优良且经济。

2.7 促进涂层自清洁的涂料助剂

我国城市的环境污染正在加剧， 其中粉尘污染、气体污染尤为严重。高层建筑外墙作为城市的一道主要风景线， 正在受到越来越严重的侵蚀。建筑外墙涂料可以美化环境和居室， 但是由于传统涂料耐洗刷性差， 时间不长墙壁就变得斑驳陆离。根据荷叶的自清洁原理， 通过特殊结构与形貌的无机颗粒材料选用和改性， 使涂料在干燥成膜过程中能在涂层表面形成微观的凹凸形貌。这种具有凹凸形貌的微观涂层表面既可以使灰尘颗粒附着在涂层表面呈悬空状态， 灰尘颗粒与涂层表面作用力大大降低， 也使水与涂层表面的接触角大大增加， 有利于水珠在涂层表面的滚落； 同时又根据涂层的自分层原理， 将疏水性物质引入乳液中， 使涂料干燥成膜过程中能自动分层， 从而在涂层表面富集一层疏水层， 有利于进一步降低灰尘颗粒与涂层表面作用力和进一步提高水对涂层表面的接触角。最终使堆积或吸附的污染性微粒在风雨的冲刷下可以脱离涂层表面， 达到自清洁的目的。
 

3 结束语

近10 年来， 环保已成为影响涂料工业发展的最重要的因素。随着经济的发展， 人们生活水平的不断提高， 消费者越来越意识到涂料对室内空气质量的危害。早在20 世纪90 年代初期， 欧洲和北美的涂料生产商就开始着手降低水性建筑涂料中的挥发性有机化合物（VOCs） 含量。为实现这样的转变， 必需降低涂料中成膜助剂（溶剂和增塑剂） 的用量。然而， 减少成膜助剂的用量会对涂料的性能有较大的负面影响。因此， 如何满足具有强烈环保意识客户的需求已成为当今技术发展的一大主题， 因而受到了业界的普遍重视。