水性氟碳外墙涂料的性能研究

来源：涂料技术与文摘作者：季兴宏 2020-01-16 09:05

季兴宏

佐敦涂料（张家港）有限公司

摘要：选取不同种类的水性氟碳乳液作为研究对象,将其作为普通外墙涂料的主要成膜物质,分别制备相应的水性氟碳涂料,并对漆膜性能进行考察。研究结果表明,相比普通外墙乳胶漆,氟碳涂料具有优异的耐沾污性,且具有更加突出的耐候性及保光保色性。

关键词：水性氟碳；外墙涂料；耐沾污；耐候性

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图4 给出了所测样品一年的户外暴晒数据。

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。

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。