涂料是一种新型的高分子材料，具有均匀附着在基板材料表面而形成坚固无开裂的膜的特性．涂料被广泛运在到装饰，防护等领域等，甚至作为军事上的一种重要材料被用于遮蔽红外等，以免目标被发现．据记载，早在２０００多年前，我国就有涂料的雏形出现，早期被称为油漆，用桐油调制．到了２０世纪，科学技术的不断发展与工业的兴起，高分子材料以及有机溶剂的大规模工业化生产，给油漆的发展提供了莫大的空间，直到这时，正式有了“涂料”这个名称．
传统涂料使用有机物作为溶剂，在加工和生产过程中会释放出挥发性有机物（ＶＯＣ），进而对环境带来污染．这些ＶＯＣ还有可能在有其他污染物存在的情况下，通过太阳光作用形成光化学烟雾，对人类健康及环境产生影响．甲醛是ＶＯＣ的一种，具有特殊的气味．甲醛可以与蛋白质结合，对蛋白质造成不可逆的伤害，因此对人体具有强烈的刺激，长期生活在甲醛过量的环境中会产生如头痛、失眠、记忆力下降等的危害，严重的还可能导致染色体突变，危害下一代．随着人们对生活环境要求的日益增高，环保涂料已经成为一个重要的问题．国家也发布了一些关于室内装修甲醛含量的标准，对环保涂料提出了更高的性能要求．通过对涂料里有害物质的研究，以抑制污染物排放挥发为手段而开发出的环保涂料不断问世．这样的环保涂料产品具有无污染、使用无危险等特点，替代传统有机溶剂涂料已经成为环保涂料的主要发展趋势之一．
１ 水性涂料
１．１ 水性涂料的发展现状
由于水性涂料对环境具有良好的保护性，并具有不会浪费资源和能源的这些长处，其产品流入市场很迅速，而且其占有率还在逐渐扩大．在日本和美国等国家，２０世纪８０年代水性涂料的销售总量很高．各自占１８％和２２％之多．英国在２０世纪９０年代中期，水性涂料产量非常高，占全国涂料总产量的６４．５％．而我国从研究水性涂料是从２０世纪６０年代开始的．１９９０年后，国家开始加大力度发展水性涂料．
１．２ 水性涂料的优缺点
尽管水性涂料具有各种各样的优点，如污染小，较为安全，处理便捷等，但也同时具有一些不足点．主要表现在水性涂料中仍然存在有机物，这些有机物作为填料和基质存在于涂料之中，其含量为２％～１２％左右，依然会对环境造成污染；干燥时需要的时间很长，成膜的速度较慢，在温度较低且湿度较高的环境下体现得尤为明显．形成这种现象的主要原因是：水比有机溶剂更难以蒸发，从而可能需要加热来促进水分的逸出来实现干燥；相对有机溶剂的表面张力，水较大，这样就导致基材润湿较难；水是极易腐蚀金属的，用水作为溶剂的涂料不适合在金属上涂膜；涂料中的有机高分子物质一般不是非常亲水，因此水性涂料不易储存；水的结冰温度比其他多数有机溶剂都要高，导致涂料低温高温稳定性较差；由于水适合微生物滋生，因此容易发霉等．人们以改善水性涂料性能为目的，增大水性涂料在各个领域的应用，近５０年来，对水性涂料进行了很多的改善及研究探讨．
１．３ 水性涂料的分类
（１）水性环氧涂料．这种涂料利用了环氧树脂良好的物理以及化学的性能，比如说粘接能力、耐腐蚀性、坚硬、耐化学溶剂性能等．水性环氧树脂的其中一种是水乳型环氧树脂，另一种是水溶型环氧树脂．其制备方法主要有直接乳化法、相反转法和自乳化法３种．除此之外，有些研究中还利用纤维素单晶纳米材料的掺杂改良法，得到兼备柔韧性又坚固的高性能水性环氧涂料．水性环氧涂料的成膜是通过环氧树脂与固化剂反应而完成的，然而这些反应物对膜的性能影响较大，所以在水性涂料中使用的固化剂改性研究已成为国内外的研究焦点．
（２）水性聚氨酯涂料．水性聚氨酯涂料在保有溶剂型涂料优异性能外，其硬度较后者高，且具有更强的附着力．同时比后者更为耐腐蚀，溶剂ＶＯＣ含量低．但水性聚氨酯涂料也具有一些缺点，那就是黏结性较低，耐水性与耐候性等性能等还有一些不足之处．
（３）水性丙烯酸酯类涂料．丙烯酸酯乳液是现在水性涂料中应用较多的一种．由于其具有理想的物理性能，如耐候性等，被广泛应用于水性涂料中．推动该水性涂料的飞速发展．
（４）水性醇酸树脂涂料．作为一种重要的涂料用树脂，水性醇酸树脂具有单体来源多、廉价、种类多、可调性较高等优点．但是水性醇酸树脂涂料虽然具有较强的涂附性和润滑性等优势，却依然存在水性涂料所具有的共通缺点，如干燥缓慢，耐水耐候性差等，因此，依然需要一定的改良．目前对水性醇酸树脂的改性研究主要包两个方面，物理方面的改性和化学改性，其中效果最显著的为丙烯酸树脂、有机硅树脂和苯乙烯．最近随着对聚氨酯研究的普遍化，也出现了许多以聚氨酯改性的醇酸树脂研究．
２ 粉末涂料
２．１ 粉末涂料简介
粉末涂料是用固体组分调制出的一种低ＶＯＣ含量的涂料．用熔融混合的方式制作基体，将固相的颜料以及其他与涂料不相容的组分均匀分散在基体中，最后将混合好的固相做粉碎处理．涂膜的时候将粉碎的粉末首先喷到基板上，在通过烘烤，使其熔融而实现膜的均匀分布，从而达到涂膜的目的．粉末涂料可以分为两种类型，一种是热固性粉末涂料，另一种是热塑性粉末涂料．现实生活所使用的粉末涂料中，热固性的占９０％以上．２００３年全球的粉末涂料产量超过２８０万吨，其中我国占其中的４５％以上．
２．２ 粉末涂料环保性能分析
（１）无溶剂，危害小．传统的液体涂料使用的有机溶剂，这可以导致ＶＯＣ的挥发．在制备运输，以至于使用的过程中需要其溶剂完全挥发，才可以达到牢固成膜的目的．而且有机溶剂的含量普通在４０％～６０％，在涂料中占有很大的体积．因此可以看出，传统的液体涂料在生产到运用的整个过程中都会挥发出ＶＯＣ，对环境以及人体造成不利影响．在挥发性有机物中，有些是极易燃烧的，因此具有火灾隐患．除此之外，后期处理也比较困难．相比而言，粉末涂料完全由固相组成的涂料，其中没有可以挥发的溶剂，其在制造储存使用等过程中不存在上述的危害．
（２）涂装简易，效率高．传统的液体涂料施工需要经过非常多到工序才能完成，加工周期为一周左右，且涂装完全之后还需要挥发一段时间，而固相涂料的成膜只需要加热成膜即可．
（３）低浪费，可回收利用．用多少取多少，剩余的涂料可以与同种粉末进行混合，留于下次再使用，这样便抑制了浪费，减少了涂装过程中因为用量不确定而带来的损失．而且粉末涂料的利用率很高，平均超过了９６％，与此相比，以液体为溶剂的涂料的利用率较低，大概在５０％左右．
（４）成膜牢固，耐磨耐用．固相涂料的涂膜是通过熔融均匀化来实现的，更加牢固的涂覆于基材的表面．由于其固相含量很高，因此具有硬度高，耐磨等的优点．也可以利用这个优点制成各种功能性涂料．
（５）成膜厚．粉末涂料的涂膜较厚，其厚度在单次涂装中可达５０～３００μｍ，并且在涂膜过程中不会由于溶质分散的不均匀而形成针孔，不会出现液体溶剂涂料涂厚膜时可能会出现的一些缺陷．
（６）节能．在这粉末涂料固化过程中，通常需要很高的温度．但是粉末涂料中不含有有机溶剂，不会挥发出ＶＯＣ，使得烘房中的空气得以循环利用．因此，在固相粉末涂料的成膜过程中，基本不需要再加热，补充热量．而含有有机溶剂的液体涂料中的可挥发ＶＯＣ具有一定爆炸极限．在注意爆炸极限的情况下，控制温度反而需要更多的能量．
３ 高固体分涂料
如果涂料中的固体含量占总体的６５％～８５％，那这种涂料就可以称为高固体分涂料．其ＶＯＣ含量很低，并且仍然具有很好的涂膜效果．显然，类似于粉末涂料，高固体分涂料也降低了传统溶剂涂料所带来的污染．高固体的含量对涂料的黏度具有必然的影响性．一般会增加体系的黏度，使涂膜工艺变得较为困难．目前，对于高固分涂料的研究主要集中在在降低体系溶剂的情况下减小涂料黏度这一点上．高固分涂料的涂膜性能作为环保涂料来说，其性能还远不及液体溶剂涂料．但是其具有很好的发展前景．由于ＴＶＯＣ对生物及环境的危害已被人们所认知，所以这种环保涂料还有待进一步研究探讨．
３．１ 高固体分涂料的种类
（１）环氧高固体分涂料．在高固分涂料中，属环氧树脂的低聚物的成膜性能最为优秀．其具有许多非常优良的性能，如良好的机械性能及防腐耐化学性等．而在这种环氧树脂中，性能最好的是在低于室温的情况下，以含有氨基的固化剂所合成的环氧树脂．这类涂料的固体含量很高，几乎是１００％．其具有快速聚合的特点，可能可以实现无限厚度的成膜涂装．
（２）聚酯高固体分涂料．聚酯的性能介于醇酸树脂和丙烯酸树脂之间，较醇酸树脂在颜色、户外耐久、保色性及韧性方面更优，但户外耐久性及耐皂化性能不及丙烯酸树脂．
（３）醇酸高固体分涂料．醇酸高固体分涂料的涂膜较均匀，并且其对环境的影响非常小．单次的成膜可以得到６５～７０ｎｍ的膜，可以有效节省人力物力以及时间，从而提高作业的速率．试验研究证实相对分子质量处于１ ０００～１ ３００的醇酸树脂才适用于制备高固体分涂料．
（４）丙烯酸高固体分涂料．这种涂料的膜在视觉上显得非常厚实，且光亮，具有很高的装饰效果，因此被广泛用于装饰领域．
（５）聚氨酯高固体分涂料．现在高固体分涂料在许多领域都被广泛应用．其制备比较简便，但是其外观以及耐候性能相对较低．用于防腐领域的高固体分涂料很容易制备，用低黏度聚醚配置的高固分涂料的固体相含量几乎是１００％．这种聚氨酯高固分涂料被广泛用于地坪涂料和防腐涂料等．
３．２ 高固体分涂料发展前景
这种固体含量很高的涂料具有干燥快低污染等优点．其涂膜的性能具有良好的外观，可以被应用于环保、防腐、高级装饰灯等领域．而且其成本低廉，具有广泛的应用前景．
４ 功能光催化涂料
ＴｉＯ２是一种重要的光催化材料，具有很多优良的性能，如无毒、具有较强的着色力和遮盖力，以及具有很好的耐候性等．因此，ＴｉＯ２在工业中，包括涂料等的各个领域中，都得到了非常广泛的应用．与此同时，充分利用ＴｉＯ２表面所具有的优良的光催化性能的涂料已经得到了很好的应用．
４．１ 光催化涂料的发展现状
自从ＴｉＯ２作为一种被广泛关注的光催化材料后，这种研究在日本进行了进一步比较深入的研究．这研究包括两个方面，第一个方面是着重于提高ＴｉＯ２在光催化中各个波长的光的利用效率以及其他新颖性能的发掘等．另外，还在环保等实际应用方面进行了进一步的研究．目前，利用二氧化钛光催化剂所制成的涂料制品，已经被应用于环保涂膜的各个领域．进入２１世纪之后，光催化涂料的年销售总额在日本更是高达７００亿日元，具有极大的经济效益．与之相比，我国的光催化材料还属于起步阶段，发展到现在还未满１０年时间．２０１０年初，我国发布了４个初级的国家标准，同时，其他相关水平标准的制定也才被纳入议程．到２００９年各种光催化材料应用产品按照市场销售总量排序，第一位是空气净化材料，约占总体的７０％ 左右，自清洁功能材料占２０％，杀菌及净化水材料占１０％．日本主要是应用于功能环保涂料，约占５８％，这说明我们国家光催化涂料研究方面有着很大的市场．目前，我国产业内中小企业居多，研发不足，大多是代理国外的产品．由于缺少完备的市场监管体系，很多企业的产品未经国家权威机构的检测即进入市场销售，产品质量参差不齐．
４．２ ＴｉＯ２的催化机理
ＴｉＯ２作为一种性能很好的光催化材料，具有特有的能带结构．ＴｉＯ２晶体中，满的价带和空的导带之间存在着一个禁带．这个禁带具有一定的宽度，在两种晶型中有不同的体现．其中．金红石结构的金带宽为３．０ｅＶ，而锐钛矿结构的则为３．２ｅＶ．当有能量被吸收，且大于禁带的宽度时，该价带中的电子就会收到激发，从而进入到导带，并且在导带中能形成具有较高活性的电子（ｅ－），与此同时，会在价带产生一个空穴（ｈ＋），这个空穴带正电．通过以上过程，便形成了电子－空穴对．在ＴｉＯ２表面吸附的水分子或羟基可以与其空穴发生反应，形成ＯＨ 自由基，这种自由基具有很高的反应活性．ＯＨ 自由基具有较高的反应能，高达４０２．８ＭＪ／ｍｏｌ，具有引发绝大多数有机分子发生氧化反应的能力．之后进一步反应生成ＣＯ２
和Ｈ２Ｏ．反应方程式为
４．３ Ｗ 掺杂ＴｉＯ２复合光催化涂料
４．３．１ ＷＯｘ／ＴｉＯ２
粉末光催化机理 光催化剂的活性由多种因素决定．其中包括对不同波长的光吸收能力以及电荷的分离速率，还有载流子的转移效率这几点．外界杂质进入半导体，电子可以围绕这些杂质原子运动，进而形成量子态．Ｗ 中含有６个成键电子，在Ｗ 取代晶格中原有的Ｔｉ之后，会有４个电子成键，因此会多余２个成键电子．其中，杂质形成正电中心，并且可以束缚电子．导致电子在杂质的周围运动，从而形成一个量子态．然而，杂质对电子的束缚力不强，电离能也不大，所以其很容易产生跃迁，并且需要的能量不是很大．通过以上分析，可以看出杂质能级的存在是ＷＯｘ／ＴｉＯ２复合材料不仅在紫外光下，同时在可见光下具有吸收的主要原因之一．载流子的运动有快有慢，这种差异主要是由半导体的迁移率决定的．在同一种材料中，载流子的迁移率还要受到其他因素的影响，例如掺杂其他粒子等．并且其迁移率随着掺杂不同而变化．Ｗ 有６个价电子，当其掺杂进ＴｉＯ２时，使其导带附近的电子增多，从而填进能带的电子也随之增加，导致迁移率提高．如图１所示．
光照射前后能级示意图
４．３．２ ＷＯｘ／ＴｉＯ２粉末自清洁涂料的优势 具有光催化自洁性能的涂料具有很大的发展空间．研究表明，在二氧化钛晶体中，锐钛矿型ＴｉＯ２具有最好的性能，可以吸收３８８ｎｍ处的紫外光．但是即使如此，对太阳光谱的利用率仍然很低，大概只占有５％左右．可以看出，其在室内自然光中的催化效率很低．但是自洁功能涂膜在实际应用中，主要是利用可见光，因此利用掺杂改性的方法提高ＴｉＯ２光催化剂对可见光的利用率成为研究热点．目前，在增大吸收光波长方面的研究很多，其主要采用金属离子掺杂，使其表面具有更好的性能，如银（Ⅰ）、铁（Ⅲ）、铜（Ⅱ）、铬（Ⅲ）、钼（Ⅴ）对二氧化钛的掺杂改性．通过总结ＷＯｘ／ＴｉＯ２薄膜表的催化现象，可以发现其表面缺陷，因此使其对吸收能量的要求变小，从而对可见光的吸收能力增强．
４．４ 光催化涂料的应用
（１）空气净化．将涂料涂于墙壁上，可以对空气进行一定程度的净化，从而起到杀菌消毒等作用，适合于一些卫生以及公共场合，例如医院或电影院等．此外还可以抑制病菌，防止传染病，比如在医院中应用基于ＴｉＯ２粉末的除菌化器，具有明显的杀菌效果，这是单纯的紫外线消毒所无法达到的．
（２）自清洁处理．可以用于净化一些使用过的器具，如医疗手术用品等，从而达到杀菌、消毒的作用，还可以在电力系统应用于可以防止污闪（ｆｌａｓｈｏｖｅｒ），此外还可以涂于不易清理或者不需要动用太多人力物力清理的公共设施上，或者涂在玻璃表面．
（３）污水处理．用于处理污水，这些污水可能来自于生活或者工业等，农业中也会产生一些污水，如农药的释放等．近些年来，农业无土栽培发展较快．植物会抑制自身或者其他植物的生长，从而释放出一些激素类物质．使用二氧化钛粉末便可以清理这些物质．
（４）医疗．除了可以用于杀菌消毒，清洁医疗器具之外，有些研究还表明，二氧化钛粉末在可以控制的条件下，能抑制和杀死癌细胞．ＴｉＯ２粉末同时具有亲水性和亲油性，可以用于清理血管，防止血栓的淤积．
（５）印刷．氧化钛粉末可以降解油墨，提高印刷用纸的回收利用率．
５ 多孔吸附性功能涂料
５．１ 硅藻土涂料
硅藻土主要由是ＳｉＯ２构成，白色．但是通常表现为发黄的多孔物质．硅藻土具有一些令人关注的性能，如多孔性、高比表面积、较大的硬度及化学稳定性等．通常被用作隔热材料，吸附剂．在日韩等国，利用硅藻土的特性，开发出了一系列的室内装饰材料，如硅藻砖等．不久之前，又新开发出一种含有硅藻土掺杂的涂料．这种涂料在调节室内湿度、吸附有毒气体、净化空气等方面具有非常好的表现．
（１）调节室内湿度．木炭被广泛用作室内湿度调节剂．然而硅藻土的细孔比起木炭来还要多很多，可多达到５ ０００～６ ０００倍．这些细孔可以在室内湿度较高时吸收空气中的水分，达到一个平衡，而到了空气干燥的时候，由于湿度平衡的移动，细孔中的水分又会被释放会空气中．而且由于其不可压缩的性质，使其很难膨胀、脱落．
（２）吸附有毒气体．现在环保涂料的发展还不是很成熟，家居实用的涂料中还是含有诸如甲醛之类的挥发性有机物，会对人体及环境带来危害．建筑涂料的使用中，其ＶＯＣ量是符合国家标准的．不过多种材料一起使用的时候，ＶＯＣ就会叠加，很有可能达到对人类有害的标准．通过在室内使用硅藻土涂料，可以利用其较强的吸附能力对空气中的有害气体进行吸附，从而降低室内有毒有机挥发物的浓度，保护健康．
（３）耐磨，易清洁．硅藻土具有优良的物理化学性能．通过添加硅藻土，可以为基体涂料直接增加优异的表面性能，包括黏稠性，表面光泽度等，提高涂料表面的硬度，抗磨损，抗划痕．虽然硅藻土是多孔结构，但是其孔很细，不易使空气中的灰尘进入到涂料中，因此较易清洁．
（４）天然无危害．硅藻土是天然材料，因此使用硅藻土对人体没有任何毒副作用，具有很高的安全性能，比较易于使用在医院、学校等公共场合，而不会对人类造成一些意想不到的伤害．
此外，除了不会挥发出有毒的有机挥发物，硅藻土还具有一定的改善环境的功能．随着其发展，这样的环保能力已经被更多的涂料商及环保拥护者所关注．室内装饰不断发展完善的今天，这种环保涂料正在占有越来越重要的地位．为了满足人们的需求，硅藻土涂料还有很大的发展空间和广阔的发展前景．
５．２ 二氧化硅气凝胶功能涂料
气凝胶是最近才发展起来的一种较新的介孔材料．其特点是空多且质轻．研究最为成熟的是ＳｉＯ２气凝胶，其具有很多奇妙的特性，如高达１０３ ｍ２／ｇ的大表面积，良好的透明性，显示出半透明或接近透明，以及有热导率极低等（２×１０－２ Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）．由于二氧化硅气凝胶具有多孔性，所以很容易吸附一些比如气体这样的小分子物质，已达到净化空气的效果．同时，空气的导热比较差，而二氧化硅气凝胶的孔中可以吸附大量的空气，因此隔热性能也非常好．所以，如果在涂料中掺杂一定比例的二氧化硅气凝胶与光催化剂，可能可以提高涂料的吸附性能和光催化性能．但是由于二氧化硅气凝胶属于无机相，所以向其中掺杂二氧化硅气凝胶可能导致涂料的成膜性能下降．目前关于二氧化硅气凝胶涂料的研究非常少．
６ 结论
单纯替换涂料中的溶剂，可以有效控制涂料中有毒挥发性有机物的含量，从而达到环境保护的目的．目前，世界上已有大量针对以上主要环保涂料的研究．笔者认为二氧化硅气凝胶作为一种良好的吸附材料，可将其掺杂在水性涂料中，既可以使涂料具有吸附性，又可以大大抑制ＶＯＣ的挥发．同时，ＴｉＯ２是一种常见的光催化剂．向其中掺杂Ｗ 之后，可以使其吸收光谱发生红移，在可见光下具有更好的光催化性能．将二氧化硅气凝胶和ＷＯｘ－ＴｉＯ２以适合的比例掺杂到水性涂料中，以达到涂料自身的吸附／光催化作用同时进行，形成一个呼吸过程，从而更有效率地降解空气中的有毒气体．这种既具有吸附性能，同时又具备可见光催化性能的新型环保涂料将会受到越来越多研究者们的青睐．
