01
水性化产品的定义及类型
水性化产品，即以水作为分散介质或稀释剂，聚氨酯、丙烯酸酯等高分子聚合物的一种或几种作为分散相，以外乳化或自乳化的方式，溶解或者均匀分散于水中，形成多相分散体系的产品。
按分散相的类别，可分为水性聚氨酯、水性丙烯酸酯、水性环氧酯、水性氯丁等；按应用领域，可分为水性合成革、水性涂料、水性油墨、水性胶黏剂、水性固化剂、水性助剂等；按分散形态，可分为溶液、乳状液（一级分散体）、二级分散体[1]等。
众所周知，因国家环保政策的不断推进及人民生活水平提高后对健康需求的不断加强，产品水性化之路已是势在必行。合成中如何提高水分散体系的稳定性，如何提高固体份含量，以及应用中如何提高水性化产品较之溶剂类产品的总体性能，如何加快水的挥发速度等，成为产品开发的重点与难点。
02
水性化产品的共性探讨
2.1 前言
说到水性化产品的共性，通常来说会有“以水为分散介质”“不含溶剂”“环保绿色无污染”等诸如此类的描述，比较深度的探讨较为少见。水性化产品的固体含量一般不会高于60%，也意味着整个分散体系中有近一半（甚至超过一半）的组分是水。
我们通常是更多的将目光聚焦于分散相，即高分子材料的特性和作用上，而往往忽略了水本身。水的角色并不仅仅只是作为载体和稀释剂般可有可无，高分子链在水中的伸展形态、固液混合物在水中的分散状态、高分子聚合物和各类表面活性剂在水中的聚集状态、各基团在水中相互间的作用形式和与水间的作用力的情况，都随着分散相物质、合成路线、添加顺序、剪切速率、温度时间等的不同而截然不同，最终对产品的性能和性状也会造成千差万别的影响。因此，水作为水性化产品中的必然存在，作为一个最为常见却并不普通的角色，至关重要。
2.2 宏观的角度看水
我们为什么选择水作为分散介质？水是人类生命的源泉，也是地球上最常见的物质之一。作为生物体最重要的组成部分，它充分满足了无毒无害环保绿色的要求；广义上的可再生性又使得它成为一种可以循环使用的最佳资源。地球表面覆盖了70%的水，而人体中所含的水分也是在60-70%。这里我们并不对水的起源和其生物学上的作用进行过多的探究，这两个数字本身其实就传递了很多的信息。于环境和人体而言，水可谓取之不尽，资源丰富，易获得，成本低，和万物之间的相容性佳，这些特性使得它具备了成为优良载体和溶剂的条件。
2.3 微观的层面看水
水的分子结构极其简单， 有两个氢原子和一个氧原子，键角为104.5°。按照VSEPR理论，中心氧原子采用不等性sp3杂化轨道成键，成键电子对数为2，孤对电子对数为2，分子呈V型。该结构导致水分子在氧的一边呈微弱负电性，在氢的一边呈微弱正电性。因为呈V型角分布，因而分子不对称。在负电荷周围，正电荷不均匀分布，作用不能相互抵消，两者都有自己的电荷中心，因此水分子很容易与其他原子或分子建立化学键，这也是水分子被称为“万能溶剂”的最主要原因。
分子有正负极，是有极分子，化学家称之为偶极子。用虚线表示吸引，因为偶极子间相互吸引涉及氢原子，故称为氢键（氢键表示含氢的有极分子间的相互吸引。氢键比水分子内氧与氢两种原子间的共价键弱）。水分子因其有明显的偶极子属件而由稳固的氢键结合在一起。它们趋于牢牢地粘在一起（如图1）。
图 01
水分子的键角与氢键
例如Na离子带正电荷就可吸引水分子中带负电的部分，使水环绕其周围形成水化的钠离子；Cl-带负电，可吸引水的带正电的部分，从而与水形成水化氯离子。许多有机物，其氨基、羧基、羟基或羰基均可与水结合。高分子聚合物往往兼有极性基（亲水）和非极性基（疏水），如蛋白质、核酸、极性脂类等，在水的环境中，其非极性基常藏于结构的内部而极性基则分布于表面，故也可和水分子结合。所有这些结合水[2]不再能溶解其他物质，也难于流动（如图2）。
图 02
固体颗粒结合水的分布状态
自然界的水不是以单一水分子（H2O)的形式存在的，而是由若干水分子通过氢键作用而聚合在一起，形成水分子簇，俗称水分子团，又称水团簇、水簇（如图3）。
图 03
水分子团的形式
水分子簇是一种不连续的氢键结构形成的水分子簇合物。它们有多种存在的形式：在冰中、在晶格中以及在液态水中。其中最简单的就是二聚水（化学式：(H2O)2）。继续进行科学研究十分重要，因为这使人们意识到水能自发地形成簇合物，而不是各向同性的无序物质。这可能可以解释水的许多反常性质，例如其密度不完全遵守热胀冷缩的规律。水分子团也与一些特定超分子结构的稳定性有关。人类目前对自由水中水分子簇的了解还很少。
理论计算表明，环状的水分子团(H2O)n中n的值可以从3取到60。 [3-4] 随着簇的体积增大，两个氧原子之间的距离会因为所谓的共同多体相互作用而减小。这是因为电荷分布发生变化造成氢受体分子成为一个更好的氢供体分子，同时导致水的总体积增大。
六聚体中似乎存在多种同分异构体：环状的、书状的、包状的、笼状的、棱柱形的，它们的能量基本相同。七聚体和八聚体以笼状形式存在，还未发现环状或正方体形状的异构体。更大的簇合物也有研究，类似于富勒烯的(H2O)28，这被称为水布基球（water buckyball）。甚至一种由280个水分子组成的庞大的二十面体结构（每个水分子周围最近有4个水分子）也被发现处于局部势能极小值。这种结构的簇合物直径达到3奈米，由三个二十面体的层构成，每层分别有280个、100个和20个水分子。每增加一层都使得簇合物的稳定性得到提高。
1884年，Whiting首次报导液态水高密度矩阵模型；1933年，Bemal和Fowler提出高低密度下簇状结构；1959年，Pauling提出具有空隙的水分子簇状结构；1957年，Bontron和Alben提出了水的环状结构；2000年以后，提出了水的二十面体结构，即水是由280个水分子组成的。
水的热容量比大多数物质的热容量都大（只有氧、铝等的热容量比水大），在 15℃时，水的热容量为41868J/（g·0℃）也就是说，1g水，若要使其温度上升1℃，需要41868J的热量。这即意味着水可以吸收大量的热而温度并不会迅速上升，这也是水可作为良好的溶剂的原因之一，高分子合成反应过程大量放热，在水分散体中进行并不会引起温度骤升，为生产工艺的安全性提供了很好的保障。
尾声
综上可见，水的结构和分子形态使其具备了诸多的特性，也是我们选择它作为分散介质和良溶剂的主要原因。水性化产品中高分子化合物的性能固然重要，作为最大占比的物质—水，高分子化合物在水中的链伸展状态，与水间的相互作用力关系及各类物质例如助剂、表面活性剂、固体颗粒等在水中的形态与相互作用，也同样占据着重要的地位，在水性化产品的性能方面起着极其重要的作用。
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