绿色居室：「水性家具涂料及其改性」的专利分析

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供稿：方象知产研究院

原标题：绿色居室：水性家具涂料及其改性专利分析

近年来，在家具涂料中，水性 UV 固化涂料发展空间大，也受到越来越多的公司和研究者的青睐。水性 UV 固化树脂因其成膜速度快和固化程度高独特的优势，成为提升水性 UV 固化涂料的性能的一大功臣。

内容提要：

传统家具涂料毒性有多大？

水性家具涂料产业迎来了哪些政策利好？

专利分析水性家具涂料的核心技术和发展态势。

“家具漆”大家肯定不陌生，它可以说是和我们每个人的生活都息息相关。“家具漆”其实就是应用于家具、竹器家具表面专用漆，又叫为“木器漆”或者“家具涂料”；它适用于不同的施工工艺，涂覆在物体表面，并形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态薄膜；“家具漆”的主要用途有两个：一、能防止大气、水分、微生物及其他腐蚀介质（如：化学物质：酸、碱、盐、 化学气体、 有机溶剂等）对其表面的破坏腐蚀、机械损伤，起到保护养护家具竹器家具的作用，从而延长家具的使用寿命；二、装饰性，它可以使家具变得更美观，同时还能改善家具本身的粗糙手感，增强了家具在使用过程中的舒适性。

在国内涂料品种结构上，家具涂料约占涂料总量的 10 %，可以说是除了建筑涂料以外，涂料品种中的最重要的组成部分。

家具涂料主要应用于家具、地板和室内装饰装修，直接与人接触，关乎人们的健康。随着生活水平的提高和环保意识的加强，涂料成分是否健康环保已经成为消费者主要考虑的因素。大家熟知，号称“室内污染第一杀手”的甲醛，一部分就是来自于家具涂料，甲醛达到一定的浓度时，会严重威胁到我们的身体健康，它是导致新生儿畸形、儿童白血病、青少年记忆力和智力下降的主要原因，已被 WHO  (世界卫生组织) 确定为“致癌和致畸性物质”。

虽然大家谈“醛”色变，可事实上家具涂料中还存在着其他的有害物质，如VOC (挥发性有机化合物)、TDI (甲苯二异氰酸脂)、苯、甲苯，二甲苯，可溶性重金属，这些都是深藏于传统涂料中“毒源”。

为了尽量降低有害物质的含量，从上世纪 80 年代，国外的专家们就开始着手研究水性家具漆，这项研究可以说是给整个涂料行业带来了一场颠覆性的环保改革。由于在传统涂料中有机溶剂会占比高达 70 %，水性家具漆用水替代传统涂料中的有机溶剂，极大提高了家具漆的环保性能，减少了有机溶剂的挥发，降低了由于 VOC 的排放而带给人体的危害。

从 1996 年德国都芳水性家具漆进军我国的家具漆市场，与此同时国内很多科研机构，高校和企业都在加紧研制水性家具漆步伐。经过十几年的探索，我国的水性家具漆取得了飞跃式的进展。不过，由于水性家具漆的制造成本和施工成本高出溶剂型家具漆不少，加之国内目前并没有禁止对溶剂性涂料的生产，导致市场中水性家具的比例占比只有不到 10 %。为了改变这种局面，2017 年，国家及地方政府密集出台了多项于涉及溶剂的环保政策，如下表所示。

表1  数据来源：方象知产研究院整理

上述法规都明确限制了传统溶剂性涂料的使用，为环保的水性涂料的发展铺好了一条光明的“政策大道”。作为环保的水性涂料“大家族”中的一员，环保的水性家具涂料也迎来了一个很好的发展契机。

水性家具涂料因含有大量的水分，有着健康环保，施工简单，附着力好，流平性佳等优点，一直备受广泛关注，也涌现了许多优秀专利发明成果。但美中不足的是，水性家具涂料仍存在涂膜干燥慢、光泽度不高、丰满度不够、硬度和抗划伤性等物理性能较差等缺点。为了克服这些缺点，水性 UV 固化家具漆进入到了大家的研究视线中，这种水性漆不但具备了 UV 固化技术和水性涂料技术的优点，还有几乎零 VOC 、不含活性稀释剂、快速固化等优点；还能形成高硬度兼柔韧性的涂膜，这种涂膜的抗化学性与耐划伤性都非常突出。

结合相关专利申请的情况，本文对 UV 固化水性家具涂料的发展情况的进行了深入分析：

一、UV固化水性家具涂料的进展

UV 固化的基本原理：在 UV 辐射下,液态 UV 材料中的光引发剂被激发，产生自由基或阳离子，引发材料中带不饱和双键的化合物(聚合物、低聚物和单体)发生聚合反应，交联成网状固化膜。

迄今为止， UV 固化水性涂料的研究进程根据树脂类型分为三代：

第一代 UV 固化水性涂料：外加乳化剂，辅以高剪切力，乳化分散传统的 UV 固化树脂，耐水性下降；

第二代 UV 固化水性涂料：内乳化型，即将亲水链段，如聚乙二醇链段引入树脂中，可以适度分散在水中；降低固化涂膜的耐水和耐化学性能；

新一代（三代）UV 固化水性涂料：“分散体型”，稳定地分散在水中，形成较小的颗粒；贮存时间长，固化涂膜性能好。

二、水性UV固化树脂及涂料专利整体态势分析

1.近十年来全球专利申请量趋势及技术生命周期

图1  全球专利申请趋势图

数据来源：方象知产研究院整理

图2 全球技术生命周期图

数据来源：方象知产研究院整理

从上面两图很清楚地看出，有关水性 UV 固化涂料的专利申请量在近几年呈现井喷式增长，我国是这类专利的主要申请国，这说明水性 UV 固化涂料因其明显的性能优势，受到国内同行研究者们的追捧，成为涂料行业中的“新宠”。

2.水性UV固化木器涂料技术发展及个别专利的解读

水性 UV 固化木器涂料的研究主要是针对如何降低 VOC 含量、缩短干燥时间、增加固化程度（聚合转换率）、减少亲水性、增加抗划伤性（硬度）、耐化学性和柔韧性等。研究的方向主要集中在以下几个方面：（1）开发高性能的 UV固化水性聚氨酯树脂；（2）开发水溶性好、高沸点的光引发剂；（3）开发多重固化体系和涂装工艺；（4）开发适合各种人造板材的家具漆；和（5）进一步拓展家具涂料的功能性，如阻燃性，抗菌性，除甲醛性。其中，树脂的开发是水性 UV 固化木器涂料的核心技术，水性 UV 固化树脂在国内专利分布见下图：

图3 水性UV固话树脂专利分布图

数据来源：方象知产研究院整理

由上图可以看出，近十年来，聚氨酯丙烯酸酯是水性 UV 固化家具涂料的首选树脂。树脂的改性是一大技术亮点，它可以进一步优化 UV 固化水性家具涂料的性能。现就国内聚氨酯树脂的改性主要分为几类：

1、纳米材料的改性：例如专利[纳米氧化锌接枝水性 UV 光固化聚氨酯树脂及制备方法]（申请号：CN201610557141.2），研究中用到纳米氧化锌接枝聚氨酯树脂分子链上 C＝C 双键，所得聚氨酯树脂固含量高，在使用过程中无需加入光引发剂，避免了现有 UV 光固化聚氨酯丙烯酸酯产品在使用过程中导致的刺激性气味的缺陷，对环境更友好。

2、有机氟改性：专利[一种有机氟改性的水性 UV 固化树脂及其制备方法][申请号：CN201710574776.8]，制备出有机氟改性的水性 PUR 树脂，解决耐溶剂和耐污的双重性能要求的同时，又具有坚韧的特性，可用于木器涂料；

3、有机硅改性：专利[光固化水性聚氨酯-硅-氧-硅互穿网络结构涂层材料的制备方法]（申请号：CN201710160316.0），制备出水性聚氨酯-硅-氧-硅互穿网络结构涂层材料，具有优良的硬度，光泽，附着力、韧性以及耐水性等，解决了水性聚氨酯耐水性差及光泽低的弊端；专利[一种水性 UV 有机硅-聚氨酯防腐涂料及其制备方法]（申请号CN201610235536.0），利用有机硅改性聚氨酯，光固化时，使得水性树脂进一步交联，从而形成网状结构，大大提高其耐水性、抗裂性、硬度、耐磨性、耐盐雾性和耐老化性等性能；

4、环氧改性：此类涉及的专利较多，如专利[一种水性 UV 涂料及其制备方法]（申请号：CN201510937909.4），采用双酚 A 环氧丙烯酸酯与脂肪族环氧四丙烯酸酯的混合物与聚氨酯丙烯酸酯，制备的涂料具有良好的附着性能和疏水、耐水性，与传统的 UV 涂料相比其固化速度更快，避免了固化过程中气泡的产生；同时，该涂料的抗腐蚀、耐老化和耐酸碱性能也都有显著的提升，是一种较为理想的金属和木器的表面涂料。此专利已于 2017 年授权。

在国内公开的申请专利中，光引发剂也有专门研究。如：专利[自光引发的可水分散的丙烯酸酯离子聚合物以及合成方法]（申请号CN200580019223.1），其是可水分散的并具有内嵌的光引发剂，在标准紫外( UV ) 固化条件下固化以获得不粘手涂层而无需添加常规的光引发剂。

固化体系和涂装工艺都有研究。如专利[一种双重固化的抗刮耐磨水性黑色亮光面漆]（申请号CN201310264751.X），研制出来的产品，用于木质家具上，只需加入适量水混合即可使用，并可采用喷涂、淋涂、辊涂等施工方法。有关 UV 固化漆的涂装工艺的研究也有多项申请专利。

国外，几大化工公司对聚氨酯分散液早已有专利布局。如专利[UV-curable polyurethane dispersions]，研制出基于双环戊二烯改性不饱和聚酯 UV 固化水性聚氨酯分散液，在木材基材上具有优异的保暖性和光泽度，粘附性好，硬度高，耐沾污性。专利[High solids low-viscosity aqueous radiation curable urethane binder dispersions]，采用聚氨酯丙烯酸酯作为疏水性基料和亲水性不饱和聚酯化合物的混合物，合成了一种高附着力，低黄变，高耐磨性和耐化学性，高耐划刮性和耐黄油，油和石蜡油性，可用于制备木器涂料。 Dic 株式会社申请的专利[Ultraviolet curable composition]（申请号PCT/JP2015/06831.2），由聚异氰酸酯和多元醇反应制得的带有可聚合的不饱和基团的聚氨酯树脂，水性介质和光引发剂组成的一种组合物，可固化形成很好的伸长率和表面硬度的涂膜，适用于木质基材。专利[Aqueous polyurethane resin dispersion and method for producing the same]申请号PCT/JP2010/06241.9，研制出一种水性聚氨酯树酯水散体，在水性介质中好的分散性，固化后的膜具有优异的强度，优异的干燥性能，高硬度和耐划刮性。专利[Method for treating wood or wood material surfaces involves impregnating wood, material or material for manufacturing wood material with hardenable aqueous composition which contains cross-linkable compound]DE200610019817。专利[Method for preparing and using eco-friendly UV-curable silicone modified polyurethane prepolymer dispersion and method for manufacturing same]KR20110106986。

近年来，在家具涂料中，水性 UV 固化涂料发展空间大，也受到越来越多的公司和研究者的青睐。水性 UV 固化树脂因其成膜速度快和固化程度高独特的优势，成为提升水性 UV 固化涂料的性能的一大功臣。

三、短评

随着我国环保政策的不断加码，涂装市场对于环保健康的涂料也越来越重视，市场和环保的需求推动了涂料产业结构与产品结构向着更加环保的方向发展，涂料的终端产品由传统溶剂型向高性能、低污染的水性环保型转变也将成为必然趋势。

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供稿：方象知产研究院

编辑：IPRdaily赵珍          校对：IPRdaily纵横君

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