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氟碳改性弹性外墙乳胶漆,氟碳改性弹性外墙乳胶漆以氟碳树脂乳液和紫外交联丙烯酸共聚弹性乳液为成膜物质
2019年07月10日    阅读量:677    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

0 前言

国家统计局公布:我国建筑涂料产值以每年平均20%以上增长速度递增,2009 年年产量已经由2007 年的179.56 万t 增长到260 万t。未来的中国城市化率将进一步得到提高,每年约有4 万亿元的房地产投资以及20 多亿m2 建筑面积竣工, 必将进一步促进建筑涂料市场的强劲发展。


随着国民经济飞速发展,人们对生活品质要求不断提高和环境保护意识不断增强,对建筑涂料的装饰性、功能性和环保性提出了更高的要求中国建材网cnprofit.com


外墙涂料对技术性能的主要要求是"三高一低"(高耐候性、高耐沾污性、高固体份和低毒性)[1]。由于氟碳树脂中的C-F 键能高达486 kJ/mol(C-C 键能仅为136.5 kJ/mol),氟原子电负性最高(4.0)原子半径较小(1.35 A),分子结构稳定,而且在碳链骨架外层排列十分紧密,有效地防止了碳原子和碳链暴露,所以用含氟树脂配制的氟碳涂料具有许多独特的性能,如超强的耐候性、耐热性、耐化学腐蚀性、耐沾污、抗氧化等等,并显示非凡的耐沾污性、耐水、耐油等特殊的表面性能。


氟碳涂料已在建筑、化工、机械、航空航天、家庭用品等领域得到广泛应用。但目前这些产品绝大部分是溶剂型涂料,在使用过程中挥发性有机化合物大量散发到大气中, 既造成资源和能源的浪费,又严重污染环境和危害人体健康。因此建筑装饰涂料的可持续发展必须与国际建筑涂料行业同步,向低VOC 含量、无毒性、无公害方向发展,向水性化、多功能化和高性能化方向发展,加快发展水性氟碳改性弹性外墙乳胶漆等环保型、安全型的高性能建筑涂料。


杭州传化涂料有限公司2008 年根据市场需求和产品潜力,决定自行开发氟碳改性弹性外墙乳胶漆。项目列入2009 年浙江省省级工业新产品开发项目,由浙经贸技备字[2009]73 号文件下达,项目编号:200902AB0007。


氟碳改性弹性外墙乳胶漆以委托定制的氟碳乳液和紫外交联丙烯酸共聚弹性乳液为成膜物质、并辅以金红石型钛白粉、耐酸填料、防霉防藻剂等助剂,经过配方优化设计制造而成。产品既具有氟碳涂料优异的耐候性、耐沾污性和耐酸性,同时又具有弹性涂料的高延伸率和抗裂性,较好解决了目前弹性涂料存在的耐老化性能不足、耐沾污性差和不耐酸雨这三个难题。


1 氟碳改性弹性外墙乳胶漆的制造

1.1 主要原材料

成膜物质:委托定制的氟碳树脂乳液,罗门哈斯紫外交联共聚合纯丙烯酸弹性乳液。

颜料、填料:杜邦公司金红石型钛白粉、进口耐酸填料、煅烧高岭土、滑石粉、碳酸钙。

助剂: 美国伊士曼公司TEXANOL 醇酯成膜助剂、自行合成制备的增稠剂、进口德国防腐防霉防藻剂、进口日本氨盐分散剂和耐水性好的润湿剂、防冻剂、消泡剂、防腐剂。

稀释剂:自制的去离子水。

1.2 主要仪器设备

1.2.1 主要仪器

配色仪、恒温恒湿机、JTX 型建筑涂料耐洗刷仪、旋转粘度计、耐沾污冲洗装置、紫外光老化仪及附件、喷涂机、磨耗仪、耐盐雾试验箱、数显压力试验机、刮板细度计、饰面砖粘结强度检测仪、电动抗折试验机、动态抗开裂试验仪、水分快速测定仪、气相色谱仪、电子分析天平等。

1.2.2 中试设备

33 kW 高速分散机二台;2 m3 分散缸一只;2 m3调漆缸一只;中转拉缸一只。

1.2.3 生产设备

高速分散机、调漆缸、砂磨机、隔膜泵、精密捕集器、浓浆泵、胶体磨等。

1.3 生产工艺

在1500 r/min 中速搅拌下, 在分散缸中按配方设计用量加入去离子水、分散剂、消泡剂,分散25min,搅拌均匀。在3000 r/min 高速搅拌分散下, 按配方设计用量加入钛白粉和耐酸填料,分散60 min,然后通过胶体磨研磨至细度小于50 μm,转入调漆缸。在500 r/min 低速搅拌下,在调漆缸中边搅拌边加入防腐防霉防藻剂、成膜助剂和抗冻剂,均匀后边搅拌边缓慢加入一定量复配好的氟碳乳液和抗紫外交联纯丙烯酸弹性乳液,控制搅拌速度,滴加增稠剂,均匀并调整至合适的粘度,调色后(或白色)过滤包装,出厂检测合格后入库。

1.4 中控指标

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1.5 应用试验性能技术指标与实测结果

项目产品氟碳改性弹性外墙乳胶漆经国家化学建材质量监督检验中心检测,符合行业标准JG/T172-2005 和企业标准Q/HML 0027-2009 的要求:耐酸性(10% H2SO4)性能指标,7 d 无异常;耐沾污性,10%;耐人工老化性2000 h 不起泡、不剥落、无裂纹,粉化0 级,变色2 级,均达到项目设计要求(详见表2)。

表2 产品应用试验性能表

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2 材料选择与优化

目前涂料行业中弹性涂料普遍存在耐老化性能不足,耐沾污性能差,不耐酸雨,涂层易被酸雨侵蚀而产生早期粉化和变色等问题[2]。这是因为我们国家大部分地区采用火力发电导致大气中二氧化硫超标造成。据相关报道称,浙江省宁波和绍兴地区属于酸雨重灾区。


为此,杭州传化涂料有限公司开发的氟碳改性弹性外墙乳胶漆,主要针对上述问题进行改进和创新,通过在弹性涂料中引进氟碳基团和颜填料的筛选, 使耐人工老化性由400 h 提高2000 h、耐沾污性由<30%提高到<20%、耐酸性(10%H2SO4)达到7 d 无异常,来解决耐老化性能提高、耐沾污性好和耐酸雨这三个问题。


该项目产品的技术创新点: 在紫外交联纯丙烯酸弹性涂料中引进氟碳基团, 通过成膜时自分层原理,氟碳基团上浮到涂膜表面,起到对下层涂料的耐老化保护作用,同时提高耐沾污和耐酸性能;为了减少酸蚀破坏,我们对颜填料进行了筛选试验,选择了耐酸性优异的颜料和填料, 解决了酸雨重灾区涂料的保光和保色性,使涂膜经久如新。


本项目用较少的氟碳乳液添加,取得了较好的老化性能改进:耐人工老化性由400 h 提高2000 h, 与普通弹性涂料相比,涂料使用寿命由5 a 提高到15 a 以上,是普通弹性涂料的2 倍,只增加10%的装饰成本,却获得2陪的使用寿命,具备非常高的性价比,有很高的社会经济效益。


本项目已申请国家发明专利,专利公开号为:CN101402816。项目委托浙江省科技信息研究院查新,查新结论为:委托查新项目所述特征配方的氟碳改性弹性外墙乳胶漆,在公开文献报道范围内除中国专利CN101402816 之外,未见另有公开文献报道。为了获得耐沾污、耐老化、耐酸性优异的弹性涂料,我们对乳液、颜料、填料、助剂进行了筛选,通过配方优化获得符合计划任务书中提出的指标。


2.1 乳液的选择

作为外墙弹性涂料的成膜物质,应选择既软又韧,弹性模量低,极限强度适中,延伸率高的乳液[3]乳液是乳胶漆中最重要的组成部分,对乳胶漆和漆膜的性能起主导作用。高性能乳胶漆中的乳液量占的比例较大,成膜后乳液在表面形成薄膜,产生较好的光泽。如果使用的乳液存在着分子链小、键能低、分子结构不稳定、易水解等弊病,在紫外光照射下,高分子链容易断裂或降解,致使涂膜的柔韧性和强度下降,出现粉化和变色,耐候性降低。因此,配制高性能乳胶漆必须选用耐候保色性好的乳液做基料。


2.1.1 乳液中氟含量对涂层耐候性的影响

涂层在户外长期使用而外观保持不变,是因为氟碳树脂分子链上的氟碳键能抵抗紫外线的降解作用。选用不同氟含量的氟碳合成乳液配制外墙乳胶漆进行性能检测(见表3)。

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由表3 可见含氟量越高,涂层的耐候性、耐沾污性就越好。当氟含量足够时,才能覆盖聚合物主链以抵抗紫外线和污染物的侵蚀,因此氟的含量起着相当大的作用。


2.1.2 复配乳液的选定

氟碳乳液因其大分子链中的化学键能高、分子结构特殊而且稳定, 是公认的高耐候性乳液品种;硅丙乳液因引入键能大的Si-O 键, 在乳胶粒周围形成有一定厚度和强度的空间网络吸附层,可有效地改善纯丙乳液的耐高或低温性、耐水性、耐候性等,是高性能涂料的一种理想成膜材料[4]。相同PVC(35%)条件下,通过选用不同的乳液进行试验,其结果如表4。

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从表4 可以看出, 乳液3 的UV 老化变色和耐沾污性都是最好, 初步选定用氟碳乳液+紫外交联弹性乳液3 作为我们的试验乳液。


2.2 颜料的选择

外墙乳胶漆通常用金红石型钛白粉作为白色颜料,通过添加有机或无机彩色色浆制备带色涂料。金红石型钛白粉由于折光率高(n=2.8),光散射能力比其他白色颜料都强,在着色涂料中具有极好的遮盖力,又由于其粒径小(0.25 μm 左右),且用A12O3、SiO2、ZnO 或它们的混合物进行表面处理后,赋予金红石型钛白粉很好的光学性能和耐久性能。


所以,金红石型钛白粉具有优异的耐候性和保色稳定性[5]。在相同PVC(35%)条件下,乳液选择氟碳乳液+自交联弹性乳液, 通过选用不同的颜料进行试验,其结果如表5。

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从表5 可以看出, 钛白粉R-706 的UV 老化变色和耐沾污性都是最好, 最终选择R-706 钛白粉作为我们的白色颜料。


2.3 填料的选择

填料的类型和用量对乳胶漆的硬度、强度、保色性、致密度等性能都有影响,是影响涂膜耐沾污性的重要因素之一[2]。在相同PVC(35%)条件下,在乳液和颜料确定后, 填料的选择对涂料耐酸性效果的影响至关重要。我们通过选用不同的填料进行试验,其结果如表6。

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从表6 可以看出,耐酸填料X-7 耐酸性是最好,最终选择耐酸填料X-7 作为我们的耐酸填料。


2.4 助剂的选择

在分散剂、润湿剂品种的选择上要充分考虑是否与所选用的乳液及颜填料相适应。所选用分散剂、润湿剂应能使颜填料分散时间短, 不发生絮凝和沉淀现象,涂料无浮色、发花、失光,展色性好,同时要注意加入量要恰当,避免导致黏度上升、失光、凝胶,降低涂料着力和耐水性,增加泡沫[2]。


在消泡剂选择上应容易在水中分散,快速破泡,消泡持久。在杀菌剂选择上应选用环保型杀菌剂,不含有机溶剂和甲醛。成膜助剂又称聚结剂,它能促进乳胶粒子的塑性流动和弹性变形,改善其聚结性能,在广泛的施工温度范围内成膜。常用的成膜助剂包括二醇类、醇醚类、醚酯类等。


为使水性氟碳外墙乳胶漆具有较低的VOC,选用进口高沸点醇醚类成膜助剂[6]。成膜助剂和助溶剂选用丙二醇醚(兼有防冻剂作用),增加流平性,有利于形成均匀的涂膜。


据国外研究表明,乙二醇醚代谢生成烷氧基乙酸对生物体有害,所以在乳胶漆中采用无毒丙二醇醚替代[1]。为了产品有更好的耐水性, 我们选择进口日本氨盐分散剂和耐水性好的润湿剂;进口德国防腐防霉防藻剂;进口美国伊士曼公司成膜助剂;消泡剂选用消泡能力强, 对涂层表面效果影响小的进口产品;增稠剂自行合成,施工性和储存稳定性均较好。


3 应用试验结果

通过对中试的产品与底漆和拉毛中涂漆的配套应用,发现氟碳改性弹性外墙乳胶漆与水性抗碱封闭底漆和拉毛中涂漆的配套性好, 泡水7 d 后无起泡现象,附着力良好。该项目产品特别适合高层建筑和外保温上应用,涂料使用寿命可达15 a 以上,是普通弹性涂料的二倍,大大节省高层建筑外墙翻新的费用,与普通弹性涂料相比,只增加10%的装饰成本,却获得2倍的使用寿命,是有很高的社会效益。


项目产品已经在开封开元名都大酒店(五星级),萧山金马名仕园高档公寓(外保温高层)和安徽省司法厅清溪苑高档小区(外保温高层)等标志性工程上应用,获得用户的一致好评。项目产品有良好的发展前景。


4 结语

氟碳外墙乳胶漆具有优异的耐候性、耐沾污性、耐化学品和耐酸雨酸雾腐蚀等性能,经检测产品性能达到GB/T 9755-2001 《合成树脂乳液外墙涂料》(优等品)的技术指标。该产品施工方便安全、低VOC含量,环保健康,符合建筑涂料发展应用潮流[7]。


杭州传化涂料有限公司的" 氟碳改性弹性外墙乳胶漆"项目已经于2009 年10 月22 日在杭州通过了受浙江省经贸委委托杭州市萧山区经发局组织的专家科技成果鉴定会。鉴定委员会认为:项目产品工艺路线及配方技术合理可行,产品既具有氟碳涂料优异的耐候性、耐沾污性和耐酸性,又具有弹性涂料的高延伸率和抗裂性,在原材料选用和配方设计上有创新,技术处于国内领先水平。


项目产品经国家化学建材质量监督检验中心检测,产品性能符合行标JG/T172-2005《弹性建筑涂料》和企业标准Q/HML 0027-2009《氟碳改性弹性外墙乳胶漆》指标的要求。经用户使用,反映良好,有较好的经济和社会效益。


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