水性氟碳弹性外墙涂料的制备及性能研究

data-full-width-responsive="true"> 0 引言如今，随着人们环保意识的不断提高以及各类环保法规的持续升级，水性涂料的蓬勃发展引领了涂料行业可持续发展的方向，水性项目的投资力度也在逐年加大。水性建筑涂料作为涂料工业的重要组成部分，绿色化、功能化将会是行业发展的主旋律。外墙涂料由于长期暴露在大气环境中，受季节变化产生的冷暖交替、水泥砂浆的硬化以及地基的自然沉降影响都会导致基材以及涂料表面产生裂纹，最终会失去装饰及保护作用。水性弹性乳胶漆是一种基于极低玻璃化转变温度（Tg）的水性丙烯酸树脂制备得到的功能性涂料， 具有覆盖裂纹及阻止裂纹进一步扩展的能力，已被广泛应用于各类建筑物的外表面涂装。然而传统的弹性乳胶漆也有其不足之处， 如漆膜表面较为柔软， 特别是夏季高温天气容易造成漆膜回粘沾灰，导致耐沾污性能下降[2]。另外，传统的丙烯酸基乳胶漆经过数年的户外暴晒， 也容易发生树脂降解而导致耐候性能不足。氟碳涂料是一种以氟树脂作为主要成膜物质的涂料，氟碳树脂中的C-F 键键能较高，在自然条件下很难发生降解，因而具有极佳的耐候性。并且氟原子较高的电负性赋予其优异的屏蔽效应，因而耐沾污及耐化学品性均优于一般涂料。然而大多氟树脂涂料漆膜较硬，不具备弥盖细微裂纹的能力。本研究以氟改性的弹性丙烯酸树脂作为成膜物质，制备得到水性氟碳弹性外墙涂料，并与传统的弹性丙烯酸涂料以及普通水性氟碳涂料对比，突出其优异的耐沾污、耐候性以及弹性。1 实验部分11 主要原料含氟弹性丙烯酸乳液（WF-TFT-10）、普通氟碳乳液（WF-TFT-11）：无锡万博涂料化工有限公司； 普通弹性丙烯酸乳液（ELASTENE 2475）：陶氏化学（中国）有限公司；钛白粉、填料：杜邦公司；其余助剂均选自进口。12 参考配方实验参考配方如表1 所示。其中乳液选用含氟弹性丙烯酸WF-TFT-10，占总配方质量的40%左右，制备得到水性弹性氟碳漆（EFC）。并根据乳液固体份的差异， 分别以等干重的普通弹性丙烯酸乳液ELASTENE 2475 及非弹性氟碳乳液WF-TFT-11 替换制备得到普通弹性乳胶漆（EA） 和普通水性氟碳漆（FC）。13 试板制备人工耐沾污、加速耐老化测试以涂有底漆的无石棉水泥板为测试基材， 并参照国家行业标准HG/T41042009《建筑用水性氟涂料》进行[4]。弹性测试参照建筑工业行业标准JG/T 1722014 《弹性建筑涂料》进行漆膜制备、养护及测试。14 测试与表征漆膜的表面亲疏水性采用美国RameHart 公司M250 型接触角测试仪进行表征；漆膜的耐沾污性及耐候性使用色差仪（Gretag Macbeth Color -Eye 3100spectrophotometer）测试；弹性性能以常温及低温下的断裂延伸率（%）和常温拉伸强度表征，测试仪器为台湾GOTECH 拉力试验机（AI-7000S）。耐候性使用美国QLab的QUV 测试箱进行紫外线和冷凝循环交替测试。2 结果与讨论21 漆膜弹性测试外墙涂料的弹性以断裂延伸率表示。断裂延伸率反映漆膜的伸展程度，其性能与涂料中乳液的玻璃化温度、漆膜的厚度以及颜填料体积浓度（PVC）等因素有关。一般乳液的玻璃化转变温度越低，漆膜的弹性越高。通常乳胶漆配方中添加的成膜助剂会通过软化乳胶粒子降低漆膜的最低成膜温度，一定程度上可以提高其断裂延伸率。因此，为了排除残留的成膜助剂以及外加的增塑剂对于漆膜弹性的贡献， 行业标准JG/T 1722014 中增加了80 ℃烘箱热处理的过程。外墙弹性涂料的漆膜厚度要高于一般乳胶漆， 使其具有覆盖因基底伸缩运动产生细微裂纹的能力， 但漆膜越厚，弹性损失会越大。另外，PVC 提高，意味着涂料中的粉料增加，漆膜的机械强度会有所提高，而弹性会下降。图1 为不同树脂体系制备的漆膜在常温（25 ℃）及低温（-10 ℃）的断裂延伸率。从图1 可以看出，普通弹性乳胶漆EA 和氟碳弹性漆EFC 均可以满足标准要求， 且EFC 的弹性略低于EA，这是由于引入的氟元素提高了漆膜的硬度，从而使得弹性损失。普通氟碳涂料FC 的断裂延伸率不能满足弹性标准的要求。弹性测试中除了考察漆膜的断裂延伸率外， 常温下的拉伸强度也反映了弹性涂料在适应基层变形时而产生的抗应力。在保持断裂延伸率的情况下，拉伸强度越大，材料的使用期限也会越高。在拉伸试验中，试样拉伸至断裂为止所受的最大拉伸应力即为拉伸强度，以MPa 表示。表2 为3 种水性涂料在常温（25 ℃）下的拉伸强度。从表2 可以看出，同等条件下氟碳涂料的拉伸强度要优于一般丙烯酸类涂料。氟改性丙烯酸弹性涂料相比普通氟碳涂料拉伸强度有所降低。这是由于非弹性涂料漆膜硬度较高，因此其断裂时产生的抵抗变形的应力要大于弹性涂料。总的来讲，3 种涂料体系的拉伸强度均满足标准的要求。22 人工耐沾污测试耐沾污性是目前弹性涂料所面临的重要挑战，特别是对于当前日益严重的大气污染，为柔软漆膜的沾污性提出了挑战。本研究依据国标GB/T 97802013《建筑涂料涂层耐沾污性试验方法》的规定，以配制灰为污染源， 将制得的灰粉悬浮液施涂在待测试板上，通过污染前后漆膜的反射系数变化来反映其耐沾污能力，数值越小则说明耐沾污性能越好。图2 为3 种不同的树脂体系涂料的耐沾污表现。从图2 可以看出， 普通的氟树脂制得的水性涂料FC 具有最佳的耐沾污能力， 这是由于该涂料中的氟含量相对EFC 较高，在漆膜干燥的过程中向表面富集，提高了漆膜的致密性及硬度。而普通的丙烯酸弹性涂料EA 则由于其树脂的柔软性而容易积灰造成耐沾污表现不佳。使用含氟丙烯酸树脂制备的水性弹性氟碳涂料EFC 的耐沾污性能介于EFC 和FC 之间， 并能够满足氟涂料标准的要求。为了更好的解释不同树脂体系的耐沾污性能差异，图3 从3 种涂料的表面水接触角测试揭示其不同的表面性质。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线与固-液界面之间的夹角。当夹角小于90 时说明漆膜呈亲水性，并且夹角越小，亲水性越强；当夹角大于90 时，则漆膜呈疏水性。如图3所示，普通弹性乳胶漆EA 的接触角为490，说明其表面比较亲水， 而普通氟碳涂料FC 的接触角为1012，呈现一定的疏水性。对于表面亲疏水性与耐沾污的联系并没有一致的结论。疏水性提高耐沾污的理论是基于其低表面能而导致污染物不易吸附于其表面，而亲水性理论在于雨水的充分润湿使得积灰更易被冲刷掉。结合上文耐沾污表现来看，疏水性的氟碳涂料FC 具有更好的耐沾污性能。而丙烯酸中氟元素的引入降低了其表面亲水性，提高了涂层的耐沾污性能。23 人工加速老化试验外墙涂料暴露在户外，经过长期的太阳光暴晒会引起漆膜中的主体树脂发生降解，从而使得颜填料暴露而发生粉化现象。QUV 人工加速老化试验的原理是模拟太阳光中占比较少的短波紫外光，对涂层进行耐候性测试。短波紫外光穿透性能极强，是现实环境中造成树脂降解的主要因素。图4 为3 种涂料的QUV耐候性测试图。为了使测试条件更加苛刻，真正起到加速老化的作用，测试样漆中均添加同等量的酞青蓝色浆。这是由于这类有机颜料耐候性较差，一旦树脂发生降解，则被着色的颜料将会暴露在表面而发生较严重的粉化及较大的色差。从图4 可以看出，普通弹性氟碳涂料FC 以及弹性氟碳涂料EFC 的耐候性优于普通弹性乳胶漆EA，且随着测试时间的延长，这种优势更加明显。对比FC 和EFC，可以发现基于弹性丙烯酸改性的氟碳涂料相比传统的普通氟碳，耐候性能有所损失，这与其相对减少的氟含量密切相关。3 结语外墙涂料作为集装饰性和保护性为一体的建筑材料，在城市化建设中扮演着重要的角色。理想的外墙涂料应同时具备优异的耐候性、耐沾污性以及弹性。水性氟碳弹性外墙涂料结合了传统弹性丙烯酸涂料的高断裂延伸率和氟碳涂料高耐候性的特点，且耐沾污性能相比传统弹性涂料也有一定的提升。随着高端建筑业的发展，这种综合性能突出的水性氟碳弹性涂料体系必将备受推崇。