新型開式砂帶振動磨削頭架的設(shè)計,新型開式砂帶振動磨削頭架的設(shè)計,新型,開式砂帶,振動,磨削,設(shè)計 20世紀到21世紀水性涂料面臨的技術(shù)挑戰(zhàn) Robert R.Matheson Jr. 摘要 涂料技術(shù)是在人類掌握的最古老的技術(shù)之一。 相對來說，水性涂料包括有機物涂料例如：血液，雞蛋和2000年以前就已經(jīng)開始使用的從植物中萃取出來的萃取物質(zhì)。而且，隨著水性涂料原材料和制備、應用技術(shù)的逐漸提高，水性涂料開始被連續(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手段和裝飾手段這一根本目的來看，它依然存在某種缺陷。本文試圖通過分析水性涂料的研究和發(fā)展方向的關(guān)鍵問題所在，從現(xiàn)代科技角度對水性涂料在新世紀的發(fā)展趨勢做一個預測，從而可以作為21世紀研究水性涂料的開始。 前言 人類裝飾各種不同物質(zhì)表層的歷史已有數(shù)千年了。完成此項任務最為行之有效的方式就是在被保護或者被裝飾物質(zhì)的表層涂上一層耐久性、黏附力等特性都達到應用要求的新型材料。這種新型的材料就是水性涂料?？梢韵胂?，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)混合來做實驗，用當時手頭上有限的、可從自然界獲取的材料意外地達到了他們的目的。人類祖先流下來的珍貴遺產(chǎn)依然影響著當今涂料世界，盡管現(xiàn)在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單讓大眾使用；涂抹之后能夠在短時間內(nèi)固化；要求涂料在生產(chǎn)、使用過程當中對環(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)濟價值。以上是筆者總結(jié)的影響當今水性涂料生產(chǎn)和發(fā)展的五個重要因素。 水性涂料命名原則 在水性涂料漫長、分散和經(jīng)驗主義的歷史演變和發(fā)展過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)別有可互換的用語會非常有幫助。亮漆(來自阿拉伯語lakk)是一種在物質(zhì)成膜時沒有共價鍵干預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（來自于中世紀拉丁語系）是一類本質(zhì)上要求成膜物質(zhì)在應用過程中發(fā)生化學反應的水性涂料。而搪瓷漆（來自于德語）是油漆家族中的一個部分，它的生產(chǎn)過程中用到了固化（烘干）這一步驟。在以前，這些區(qū)分是明顯而具有針對性的，但是，現(xiàn)在水性涂料的發(fā)展使得這些區(qū)別越來越小。不過，面對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。 使水性涂料對環(huán)境的影響降到最低的方法 被公認為一項重大技術(shù)難題的是如何減少或者排除現(xiàn)代涂料當中有機揮發(fā)物質(zhì)(VOCS)[2]。在今天人口數(shù)量龐大、工業(yè)化程度極高的城市中，有機揮發(fā)物引起了許多環(huán)境問題。說得更清楚一點，這個問題是水性涂料引起的最為嚴重的問題。水性涂料中相互不起化學反應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和裝飾作用的組分。 較低的溶解度會使得有機揮發(fā)物質(zhì)在水性涂料的使用過程中揮發(fā)出來，這是由于使用過程中產(chǎn)生的熱量所致。當加熱的涂料冷卻后，它可以達到人們裝飾、保護的目的，但是涂料的使用也存在一定的局限性，因為當溫度過高時它有可能再次變得柔軟或者扭曲。更進一步說，由于大多數(shù)涂層是無定形態(tài)或半晶質(zhì)態(tài)，它的抗壓和抗沖擊能力開始引起人們的關(guān)注，人們擔心在低溫狀態(tài)下它的這兩種能力能否達到要求[3]。 水性涂料中可以被人們接受的有機揮發(fā)物質(zhì)是那些不對環(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)應用中受到限制。水是更容易廣泛使用于水性涂料的溶劑，但它也不是萬能的，用水作為溶劑的問題在于：涂料在相對濕度不同的環(huán)境中使用，必須不斷地改變它的干燥時間，而這種改變也是不可避免的。因為相對濕度幾乎每個小時都改變，所以這是個復雜的問題。事實上，現(xiàn)今所有的水性涂料都含有機揮發(fā)物質(zhì)，與傳統(tǒng)的、使用常規(guī)有機溶劑的水性涂料相比，新型水性涂料中有機揮發(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)展趨勢是：既能夠最大程度地保護環(huán)境，又可以保留涂料中傳統(tǒng)特性、綜合性控制、低成本生產(chǎn)這些性質(zhì)。 有機揮發(fā)物不僅是水性涂料影響環(huán)境的一個因素，更是阻礙其發(fā)展的因素。因為在美國，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廣泛的制約，但有相當多的特殊金屬通過在表層涂抹水性涂料達到使用要求的例子[5]。水性涂料還有一種應用方法，即是通過電鍍的方式在負極給被保護物質(zhì)的表層鍍上一層保護層，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，但是沒有破壞環(huán)境的后顧之憂。雖然取得一定的進展，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。 消除水性涂料對環(huán)境的影響 對環(huán)境的負面影響和較低的力學強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難以解決的問題，它嚴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，抵抗含水有機體的侵蝕，例如蠕蟲；作為外部涂層抵抗某些動物排出糞便的侵蝕，例如鳥、昆蟲；最為內(nèi)部涂層抵抗某些細菌的侵蝕，例如霉菌。這些技術(shù)上的難題都是相同的，即在不對環(huán)境造成負面影響的基礎(chǔ)上使用無毒的水性涂料抵抗這些侵蝕。專門為此項任務研制特殊水性涂料的工作也就應運而生。經(jīng)驗告訴我們，這條道路通常是昂貴而又不完美的，但偶爾會卓有成效。但是，客觀地說，完全不使用有毒、或者重金屬物質(zhì)而又達到人們的要求，這樣的例子似乎還沒有出現(xiàn)。 現(xiàn)在有一個新的思路，在被涂抹物質(zhì)表面產(chǎn)生包含生物化學反應和簡單風化反應的輕型化學反應來阻止侵蝕[6]。舉個例子來說，水性涂層的水解可以切斷生物腐蝕。如果人們設(shè)計的水性涂料水解后能生成防腐、防塞甚至是可達到我們?nèi)我饽康牡漠a(chǎn)物，那么這將成為一種有效的手段。 最大化控制通過水性涂料的分子 對于水性涂料來說，防腐是一項重要的任務，水性涂料的傳統(tǒng)任務就是保護被涂物體免受環(huán)境的影響，這種保護實質(zhì)上是一種化學和力學性質(zhì)的保護。油漆就是專門為此目的而開發(fā)出來的，在被保護物質(zhì)表層涂上一層油漆形成一層保護層是一種行之有效的手段，避免物體在使用過程中受到侵蝕。 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值得關(guān)注的問題，這些物體外界細微的溫差可能導致水性涂層厚度的改變。另外一個極端的環(huán)境則是在鐵路機車的棚子中，濕氣，溫度，氣流，表面腐蝕等眾多問題都可能導致水性涂層的性質(zhì)發(fā)生巨大變化。 在選取水性涂料的各種組分時額外小心是面對這種挑戰(zhàn)的一個思路，這樣做可以避免許多副反應的產(chǎn)生。不管什么情況，一旦副反應發(fā)生，就會帶來一定的危害，產(chǎn)生不必要的麻煩。這將導致聚合過程無法受到控制（事實已經(jīng)證明，某些聚合物例如聚丙烯酸酯的聚合過程無法控制[7]）。不參與反應的基體材料要嚴格排除在外，另外要優(yōu)化實驗條件，避免原料的浪費。由于極其苛刻的性能要求，汽車涂料走到了水性涂料應用領(lǐng)域的前沿，在強大經(jīng)濟作用的刺激下，人們生產(chǎn)了大量的汽車?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些文獻開始介紹關(guān)于監(jiān)測和控制汽車涂料性能的新型綜合性分析技術(shù)[8]。 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)過程中大量使用分散劑來分散它們，并且要防止在以后的使用過程中出現(xiàn)復聚。為了使水性涂層分子具有較小的流動性，需要對其進行精密的控制，否則，一旦使用，外界壓力會導致微粒復聚、涂層黏附力下降等一系列問題。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程中外界環(huán)境的壓力，涂層中微粒的分散成為一個突出的問題。但是，日新月異的化學技術(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面或者某一溶解環(huán)境的親和力設(shè)計）的技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)并用于商業(yè)。這樣的專利技術(shù)有很多而且越來越多，但是C. Hosotte-Filbert[9]的專利是一個典型。 功能水性涂料 在第四屆世界涂料學術(shù)會議上，水性涂料被描述成具有修復作用的油漆涂料或者是在使用過程中能夠起化學反應的亮漆涂料。為了抵抗自然界長期的氧化作用，我們設(shè)計了許多類型的功能涂料。在通常人眼中，這種長期的氧化作用被視為麻煩。然而，學會適應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期的氧化作用[10]。當然，此種行為會導致涂層外部在光和氧氣的環(huán)境中受到一定損傷。此外，對壓力和破裂起抵抗作用的特種功能涂料還在研制當中[11]。 如今，傳統(tǒng)功能涂料的生產(chǎn)控制和運輸控制都成為一個難題，值得注意的是許多成功的涂料（通常用于減緩或者防止腐蝕）都是用于各種材料的運輸和滲透。大氣中的氧氣滲透進入食物、二氧化碳滲透進入碳酸飲料、藥物滲透進入身體，電荷滲透進入設(shè)備，這些熱滲透都在一個等溫環(huán)境中或易受腐蝕的環(huán)境中進行的，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)運輸過程中最需要考慮的因素。因此人們也長期致力于防止或者是減緩涂料在長期使用過程中化學和力學性質(zhì)的降低。 水性涂料大規(guī)模工業(yè)化所面臨的挑戰(zhàn) 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。毫無疑問，這些問題包括大量資本和能源的消耗，資金周轉(zhuǎn)，庫存積壓等等。生產(chǎn)過程中熱量對敏感基體的損傷也是其中的一個制約因素。直接的解決方法就是降低固化溫度、減少固化時間，還可以從已經(jīng)引起人們注意的化學反應和催化劑這兩個方面著手，來解決問題?；蛘?，除開簡單的固化反應，如果能找到一種修復反應使得基體重新被激活，在不損失涂層表面的基礎(chǔ)上將問題解決，這樣是最好的。目前，已經(jīng)有一些文獻開始介紹用于放射性治療（與紫外光、電子束甚至是可見光配合使用)的水性涂料，這方面的研究將擴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)新和研究的對象。而水性涂料所面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何均一修復半透明涂層（要求被修復涂層不受各種輻射的影響）和復雜形狀的涂層。 可以在很多地方或者可以從實驗室中找到新開發(fā)出來的水性涂料的事例，這些事例都對應著新世紀影響水性涂料發(fā)展的五要素中的一個或者幾個?？赡軟]有全部五項都對應，但至少都有一項是對應著的。人們需要一個評估系統(tǒng)來測試水性涂料中的成分（特別是有機揮發(fā)物質(zhì)）對于環(huán)境的影響，而且這個系統(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)代涂料的應用有著四層要求：第一，水性涂料要求應用于電鍍涂層上（這對于重金屬來說已是非常簡單的了）；第二，水性涂料的粉末底料要求不含有機揮發(fā)物；第三，水性涂層的有機顏料要求含有極少的有機揮發(fā)物和空氣污染物；第四，水性涂料的表層要求含有不超過20%的有機揮發(fā)物，而且還要求有較好的抗沖擊性能、抗酸雨、化學攻擊和化學曝光的性能。當然，所有的應用都與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，包括自動和手動設(shè)備，有關(guān)，但這樣的確可以降低成本和能耗，增強視覺效果。由于車內(nèi)環(huán)境對于水性涂料的要求是非?？量痰?，而且這樣的評估系統(tǒng)剛剛啟用，所以各方面還有待努力。從目前情況看，預計花十年時間研究出來一種各方面性能都達標的新型水性涂料是有點困難的，關(guān)鍵性的制約在于如何提高水性涂料的抗沖擊性能。 展望 那五個關(guān)鍵因素已經(jīng)預示了水性涂料在新世界的發(fā)展趨勢。最主要的趨勢是在水性涂料的鏈長和分子結(jié)構(gòu)上做改進，從水性涂料的修復性能這一角度來看，在不傷及環(huán)境或者說對環(huán)境影響很小的前提下，著力提高水性涂料的均一修復性能是一種思路。第二種趨勢解決一些傳統(tǒng)水性涂料的問題，消除它的某種限制。不管是通過緩慢的化學反應來解決傳統(tǒng)水性涂料的問題，還是采用放射手段來輔助水性涂料中各種組分的交聯(lián)，人類的技術(shù)手段總是在無限拓展，永遠沒有盡頭。有一個可以歸納以上兩種發(fā)展趨勢的措辭：為達到所要求的性能，你想去除水性涂料中哪些不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在涂料的哪種化學過程中采取必要的控制，是生產(chǎn)過程，使用過程，還是涂料的均一修復過程? 這最本質(zhì)的觀察也許能幫你看清楚問題所在，筆者有一種預感，水性涂料的技術(shù)瓶頸將存在很長一段時間。涂料技術(shù)是一項萃取衍生物的技術(shù)，這種技術(shù)使得從復雜原料中提取的物質(zhì)能夠在某一區(qū)域內(nèi)一起使用，然而這個過程也會伴隨有副產(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題，當水性涂料的應用程序變得再簡單不過的時候，減少涂料對環(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研究開發(fā)。與現(xiàn)代物質(zhì)注冊、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歷史階段來縱觀它的過去，展望它的未來。 參考文獻 [1] P. 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