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水性氟碳外墙涂料的性能研究,选取不同种类的水性氟碳乳液作为研究对象
2020年03月09日    阅读量:3503     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 引言

近年来,随着社会经济的快速发展以及人们生活水平的提高, 对涂料行业的发展也提出了更高的要求。低碳环保、节能减排以及可持续发展也日渐成为整个行业的主流发展趋势。


在2016 年底正式生效的《巴黎协定》中就明确了减少温室气体排放的指标,我国政府也高度重视并坚决贯彻实施中国建材网cnprofit.com。对涂料产业来说, 即是要求减少甚至禁止油性涂料的生产和销售,这也将推动涂料企业朝着水性化、高固体份涂料或者其他低VOC 产品的方向发展。


据统计资料显示,2016年全国新建、拟建、在建或投产的总产能超过了1 200万t,其中水性涂料项目投资占约500 万t。随着环保法规的日趋严格以及涂料下游产业的迅速壮大,建筑涂料得到了长足的发展。


据国家统计局公布的数据,每年建筑涂料均有20%以上的增长速度。加上城市化率的进一步提高,建筑涂料市场必将迎来持续的迅猛发展。在日趋激烈的行业竞争之下,集聚高性能、环保型以及装饰性的建筑涂料将会受到人们的青睐。普通的外墙建筑涂料往往存在着耐沾污性差、耐老化性能不足等缺陷,已渐渐不能满足现代社会的需求。


氟碳涂料是一种以氟树脂作为主要成膜物质的涂料,最早诞生于1938 年,并应用于不粘锅、医疗和航空领域。1965 年, 美国Pennwalt 公司成功开发出Kynar500 的PVDF 型树脂并应用于建筑领域,但极高的固化温度限制了其进一步发展。


直到1982 年,日本旭硝子公司成功开发出了常温固化的FEVE 型氟树脂,大大拓展了氟碳涂料的应用领域。氟碳树脂中的C-F 键键能较高,大约在451~485 KJ/mol,太阳光几乎对氟碳树脂没有任何影响,这也是其具有高耐候性的基础。


并且,氟原子的电负性最高,以及较小的原子半径赋予其优异的屏蔽效应,因此氟碳树脂的化学稳定性极好。溶剂型氟碳涂料虽然已趋于成熟并且在各行业得到广泛应用, 但较高的VOC 排放并不符合可持续发展的理念。因此,氟碳涂料也越来越多的向水性化、多功能化以及高性能化的方向发展。


本研究选取了几种典型的水性氟碳乳液作为研究对象,并以普通型纯丙乳液作为参照对象,分别考察它们的耐沾污性能以及耐老化性能,并且结合户外暴晒一年的实验结果,考察不同氟碳乳液的性能。


1 实验部分

1.1 水性氟碳乳液

本次实验针对5 种水性氟碳乳液进行系统化研究,分别标号为FC-1#~FC-5#。并以普通纯丙烯酸乳液AA 作为参照。表1 列举了实验中所涉及的乳液的基本物理指标。

水性氟碳乳液的基本物理指标

水性氟碳外墙涂料的性能研究,选取不同种类的水性氟碳乳液作为研究对象 中国建材网,cnprofit.com

1.2 实验参考配方

实验配方如表2 所示,所有助剂以及钛白粉均选自进口产品。乳液添加量以干重等量替换。

水性氟碳涂料参考配方

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1.3 涂料制备工艺

按表2 所示的配方, 将序号1~4 的原料按顺序先加入容器中,并开动搅拌器低速搅拌5 min,然后分别加入5 和6,高速搅拌10~15 min 后,检验细度<30 μm。然后,低速搅拌下加入7~12 号的原料,并持续搅拌10 min即可。


1.4 试板制备

测试板选用无石棉水泥板,漆膜制备参照国家行业标准HG/T 4104—2009《建筑用水性氟涂料》进行,主要性能测试项目及制板要求如表3 所示。

主要测试项目及试板要求

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2 结果与讨论

2.1 耐沾污测试

涂层的耐沾污性会直接影响外墙涂料的装饰效果,是考察外墙涂料性能优劣的重要指标之一。对于外墙涂料的耐沾污测试实验,最为准确的方法为自然暴晒,但其周期较长,因此人工加速耐沾污测试方法显得十分重要。


对此,国内外也有许多的这种加速测试的方法,其中所使用的污染源是决定测试方法是否合理的关键因素。涂料行业中广泛采用的为国标规定的测试方法GB/T 9780—2013 《建筑涂料涂层耐沾污性试验方法》,其污染源为配制灰,加水制成悬浮液后,用涂刷法使其附着在涂层试板上,之后用水冲洗。


通过测试污染前后反射系数的变化来评价其耐沾污性。为保证实验数据的可靠性,每个样品制备3 块试板,取平均值。测试结果如图1 所示。

水性氟碳涂料耐沾污性比较

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对于氟碳涂料的耐沾污数值评价, 行业标准HG/T 4104—2009 规定应<15。从图1 中数据所示,5 支氟碳乳液制成的涂料均具有较好的耐沾污性能,明显优于普通外墙涂料。其中,FC-3# 具有最佳的耐沾污性能。结合5 支样品的氟含量来看,也说明了耐沾污性能与氟含量并没有直接的正相关线性联系。


2.2 人工加速老化试验

影响外墙产品耐候性的因素有太阳光、温度、湿气等。其中太阳光中的紫外光是造成户外产品光降解作用的主要因素。QUV 仪器中的荧光紫外灯可模拟阳光中最重要的短波紫外光,再现光照引起的材料物理性能的老化, 本实验采用的UVA-340 灯管可以极好的模拟太阳光中的短波紫外光, 即从365~295 nm 的波长范围。


并且,通过光照和湿气的交互循环,以提高测试箱温度的方法来加速老化过程。

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图2 给出了QUV 测试2 600 h 内,各样品的色差(△E) 的数值变化情况。

人工加速老化涂膜色差对比

从图2 可以看出, 前600 h内,所有样品均表现出较好的耐候性,随着老化时间的延长,FC-3# 出现较大的变化, 这是由于漆膜的表面开始出现粉化, 树脂在紫外光条件下开始降解,而使颜料颗粒暴露,容易被擦去。


其中,表现最佳的为FC-1# 样品,然后依次为FC-2#,FC-4#,FC-5#。对于耐候性,除了涂层的保色性外,其保光性能也值得考察,对此,本实验也对比了老化试验过程中所有样品的光泽变化(60°)情况,如图3 所示。

人工加速老化涂膜光泽变化对比

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从图3 可以看出,5 种氟碳涂料的保光性均优于普通外墙纯丙漆AA。结合氟含量来看,5 种氟碳产品的耐老化性能与其对应乳液的氟含量有密切关系,即氟含量高的产品具有更优异的耐老化性能。



2.3 户外暴晒测试

紫外光加速老化实验是涂料配方设计中常用的测试手段,它可以迅速筛选出性能优异的成膜树脂。但其结果和实际户外暴晒也有一定的出入, 原因在于加速老化过程要达到均匀的辐射、热量和潮湿环境有一定的难度,并且没有考虑到大气中其他降解剂的作用。


也有许许多多的例子证实着户外暴晒测试的重要性,比如早期人们在对位阻胺光稳定剂(HALS)的QUV 测试中发现其性能较差,甚至决定放弃使用,幸运的是,优异的户外耐久性使其得到进一步的发展。因此,除了进行人工老化实验,户外暴晒测试在涂料研发过程中扮演着至关重要的角色, 使产品质量得到有效保证。

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图4 给出了所测样品一年的户外暴晒数据。

户外暴晒色差变化对比

从图4 可以看出,FC-3# 具有最佳的耐户外暴晒性能,而FC-5# 要略差于普通外墙产品。为进一步验证户外耐候性,本研究对各种样品的光泽变化(60 °)进行了测试,如图5 所示。

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户外暴晒光泽变化对比

从图5 可以看出,FC-4# 具有最佳的保光性,其次是FC-2# 和FC-1#,而耐沾污性能最优的FC-3# 表现并不突出。这是因为外墙涂料在暴晒的过程中,一旦树脂发生降解,颜料很容易发生暴露,产生粉化现象,在雨水的冲刷下,污染物会随着粉化层一起脱落,达到耐沾污性能的提升,但同时也会使涂膜发生严重的失光现象。


2.4 综合性能对比

基于以上测试结果,为了更加清楚地反映每种氟碳产品的特点, 有必要对它们进行综合的性能比较。图6 列举了5 种测试样品在外墙配方体系中的性能。从图6 可以看出,FC-1# 具有较好的耐候性, 但耐沾污性能一般;


FC-2# 和FC-4# 各项性能较平衡; 对于FC-3# 样品,其耐沾污性较为突出,但保光性一般;而FC-5# 各项性能均不占优势。因此,在综合比较之下,FC-1#、FC-2# 以及FC-4# 是比较有前景的产品,可以应用到后续的配方设计中。

水性氟碳乳液的综合性能对比

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3 结语

通过将几种典型的水性氟碳乳液引入到外墙配方体系中,并与普通外墙乳液性能进行对比,结果表明:

(1)氟碳漆具有非常优异的耐候性以及保光保色性;

(2)氟碳漆的耐沾污性优于一般乳胶漆;

(3)氟含量的高低对于氟碳漆的各项性能并无一致性的影响。

总的来说,氟碳漆的综合性能相比普通外墙漆有较好的提升。随着人们对生活理念及品质的不断追求,水性氟碳涂料的前景必将越来越广阔。


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