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季興宏
佐敦涂料（張家港）有限公司
摘要：選取不同種類的水性氟碳乳液作為研究對象,將其作為普通外墻涂料的主要成膜物質,分別制備相應的水性氟碳涂料,并對漆膜性能進行考察。研究結果表明,相比普通外墻乳膠漆,氟碳涂料具有優異的耐沾污性,且具有更加突出的耐候性及保光保色性。
關鍵詞：水性氟碳；外墻涂料；耐沾污；耐候性
0 引言
近年來，隨著社會經濟的快速發展以及人們生活水平的提高， 對涂料行業的發展也提出了更高的要求。低碳環保、節能減排以及可持續發展也日漸成為整個行業的主流發展趨勢。在2016 年底正式生效的《巴黎協定》中就明確了減少溫室氣體排放的指標，我國政府也高度重視并堅決貫徹實施。對涂料產業來說， 即是要求減少甚至禁止油性涂料的生產和銷售，這也將推動涂料企業朝著水性化、高固體份涂料或者其他低VOC 產品的方向發展。據統計資料顯示，2016年全國新建、擬建、在建或投產的總產能超過了1 200萬t，其中水性涂料項目投資占約500 萬t。隨著環保法規的日趨嚴格以及涂料下游產業的迅速壯大，建筑涂料得到了長足的發展。據國家統計局公布的數據，每年建筑涂料均有20%以上的增長速度。加上城市化率的進一步提高，建筑涂料市場必將迎來持續的迅猛發展。在日趨激烈的行業競爭之下，集聚高性能、環保型以及裝飾性的建筑涂料將會受到人們的青睞。普通的外墻建筑涂料往往存在著耐沾污性差、耐老化性能不足等缺陷，已漸漸不能滿足現代社會的需求。
氟碳涂料是一種以氟樹脂作為主要成膜物質的涂料，最早誕生于1938 年，并應用于不粘鍋、醫療和航空領域。1965 年， 美國Pennwalt 公司成功開發出Kynar500 的PVDF 型樹脂并應用于建筑領域，但極高的固化溫度限制了其進一步發展。直到1982 年，日本旭硝子公司成功開發出了常溫固化的FEVE 型氟樹脂，大大拓展了氟碳涂料的應用領域。氟碳樹脂中的C-F 鍵鍵能較高，大約在451~485 KJ/mol，太陽光幾乎對氟碳樹脂沒有任何影響，這也是其具有高耐候性的基礎。并且，氟原子的電負性最高，以及較小的原子半徑賦予其優異的屏蔽效應，因此氟碳樹脂的化學穩定性極好。溶劑型氟碳涂料雖然已趨于成熟并且在各行業得到廣泛應用， 但較高的VOC 排放并不符合可持續發展的理念。因此，氟碳涂料也越來越多的向水性化、多功能化以及高性能化的方向發展。
本研究選取了幾種典型的水性氟碳乳液作為研究對象，并以普通型純丙乳液作為參照對象，分別考察它們的耐沾污性能以及耐老化性能，并且結合戶外暴曬一年的實驗結果，考察不同氟碳乳液的性能。
1 實驗部分
1.1 水性氟碳乳液
本次實驗針對5 種水性氟碳乳液進行系統化研究，分別標號為FC-1#~FC-5#。并以普通純丙烯酸乳液AA 作為參照。表1 列舉了實驗中所涉及的乳液的基本物理指標。
1.2 實驗參考配方
實驗配方如表2 所示，所有助劑以及鈦白粉均選自進口產品。乳液添加量以干重等量替換。
1.3 涂料制備工藝
按表2 所示的配方， 將序號1~4 的原料按順序先加入容器中，并開動攪拌器低速攪拌5 min，然后分別加入5 和6，高速攪拌10~15 min 后，檢驗細度＜30 μm。然后，低速攪拌下加入7~12 號的原料，并持續攪拌10 min即可。
1.4 試板制備
測試板選用無石棉水泥板，漆膜制備參照國家行業標準HG/T 4104—2009《建筑用水性氟涂料》進行，主要性能測試項目及制板要求如表3 所示。
2 結果與討論
2.1 耐沾污測試
涂層的耐沾污性會直接影響外墻涂料的裝飾效果，是考察外墻涂料性能優劣的重要指標之一。對于外墻涂料的耐沾污測試實驗，最為準確的方法為自然暴曬，但其周期較長，因此人工加速耐沾污測試方法顯得十分重要。對此，國內外也有許多的這種加速測試的方法，其中所使用的污染源是決定測試方法是否合理的關鍵因素。涂料行業中廣泛采用的為國標規定的測試方法GB/T 9780—2013 《建筑涂料涂層耐沾污性試驗方法》，其污染源為配制灰，加水制成懸浮液后，用涂刷法使其附著在涂層試板上，之后用水沖洗。
通過測試污染前后反射系數的變化來評價其耐沾污性。為保證實驗數據的可靠性，每個樣品制備3 塊試板，取平均值。測試結果如圖1 所示。
對于氟碳涂料的耐沾污數值評價， 行業標準HG/T 4104—2009 規定應＜15。從圖1 中數據所示，5 支氟碳乳液制成的涂料均具有較好的耐沾污性能，明顯優于普通外墻涂料。其中，FC-3# 具有最佳的耐沾污性能。結合5 支樣品的氟含量來看，也說明了耐沾污性能與氟含量并沒有直接的正相關線性聯系。
2.2 人工加速老化試驗
影響外墻產品耐候性的因素有太陽光、溫度、濕氣等。其中太陽光中的紫外光是造成戶外產品光降解作用的主要因素。QUV 儀器中的熒光紫外燈可模擬陽光中最重要的短波紫外光，再現光照引起的材料物理性能的老化， 本實驗采用的UVA-340 燈管可以極好的模擬太陽光中的短波紫外光， 即從365~295 nm 的波長范圍。并且，通過光照和濕氣的交互循環，以提高測試箱溫度的方法來加速老化過程。
圖2 給出了QUV 測試2 600 h 內，各樣品的色差（△E） 的數值變化情況。
從圖2 可以看出， 前600 h內，所有樣品均表現出較好的耐候性，隨著老化時間的延長，FC-3# 出現較大的變化， 這是由于漆膜的表面開始出現粉化， 樹脂在紫外光條件下開始降解，而使顏料顆粒暴露，容易被擦去。其中，表現最佳的為FC-1# 樣品，然后依次為FC-2#，FC-4#，FC-5#。對于耐候性，除了涂層的保色性外，其保光性能也值得考察，對此，本實驗也對比了老化試驗過程中所有樣品的光澤變化（60°）情況，如圖3 所示。
從圖3 可以看出，5 種氟碳涂料的保光性均優于普通外墻純丙漆AA。結合氟含量來看，5 種氟碳產品的耐老化性能與其對應乳液的氟含量有密切關系，即氟含量高的產品具有更優異的耐老化性能。
2.3 戶外暴曬測試
紫外光加速老化實驗是涂料配方設計中常用的測試手段，它可以迅速篩選出性能優異的成膜樹脂。但其結果和實際戶外暴曬也有一定的出入， 原因在于加速老化過程要達到均勻的輻射、熱量和潮濕環境有一定的難度，并且沒有考慮到大氣中其他降解劑的作用。也有許許多多的例子證實著戶外暴曬測試的重要性，比如早期人們在對位阻胺光穩定劑（HALS）的QUV 測試中發現其性能較差，甚至決定放棄使用，幸運的是，優異的戶外耐久性使其得到進一步的發展。因此，除了進行人工老化實驗，戶外暴曬測試在涂料研發過程中扮演著至關重要的角色， 使產品質量得到有效保證。
圖4 給出了所測樣品一年的戶外暴曬數據。
從圖4 可以看出，FC-3# 具有最佳的耐戶外暴曬性能，而FC-5# 要略差于普通外墻產品。為進一步驗證戶外耐候性，本研究對各種樣品的光澤變化（60 °）進行了測試，如圖5 所示。
從圖5 可以看出，FC-4# 具有最佳的保光性，其次是FC-2# 和FC-1#，而耐沾污性能最優的FC-3# 表現并不突出。這是因為外墻涂料在暴曬的過程中，一旦樹脂發生降解，顏料很容易發生暴露，產生粉化現象，在雨水的沖刷下，污染物會隨著粉化層一起脫落，達到耐沾污性能的提升，但同時也會使涂膜發生嚴重的失光現象。
2.4 綜合性能對比
基于以上測試結果，為了更加清楚地反映每種氟碳產品的特點， 有必要對它們進行綜合的性能比較。圖6 列舉了5 種測試樣品在外墻配方體系中的性能。從圖6 可以看出，FC-1# 具有較好的耐候性， 但耐沾污性能一般；FC-2# 和FC-4# 各項性能較平衡； 對于FC-3# 樣品，其耐沾污性較為突出，但保光性一般；而FC-5# 各項性能均不占優勢。因此，在綜合比較之下，FC-1#、FC-2# 以及FC-4# 是比較有前景的產品，可以應用到后續的配方設計中。
3 結語
通過將幾種典型的水性氟碳乳液引入到外墻配方體系中，并與普通外墻乳液性能進行對比，結果表明：
（1）氟碳漆具有非常優異的耐候性以及保光保色性；
（2）氟碳漆的耐沾污性優于一般乳膠漆；
（3）氟含量的高低對于氟碳漆的各項性能并無一致性的影響。
總的來說，氟碳漆的綜合性能相比普通外墻漆有較好的提升。隨著人們對生活理念及品質的不斷追求，水性氟碳涂料的前景必將越來越廣闊。
文章發表于《涂料技術與文摘》2017年10月
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