日期：2021-12-22
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163 核心提示：抗污耐候建筑外墙涂料的研究刘宝1，潘立1，高敬1，王帅1，于明星1，黄福纯2（1.辽宁省建设科学研究院，辽宁沈阳110005；2.辽宁龙
抗污耐候建筑外墙涂料的研究
刘宝1，潘立1，高敬1，王帅1，于明星1，黄福纯2
（1.辽宁省建设科学研究院，辽宁沈阳110005；2.辽宁龙华建筑工程有限公司，辽宁沈阳110005）
0 引言
建筑外墙乳胶漆以水为分散介质，相对于溶剂型外墙涂料，不存在有机溶剂的挥发污染环境，使其具有环保、节能等优势，满足涂料工业“无污染、省能源、省资源”的发展前提，成为有潜力的涂料品种。可是有些涂料刚涂刷在墙上不久就出现褪色、开裂等现象，尤其是窗台附近或没有棚沿、屋檐的部分，均存在非常明显的雨痕，严重影响涂膜的外观，使得目前一些高层建筑及高档的住宅公寓纷纷采用面砖或天然石材作为外墙装饰型建筑材料，与国家鼓励推广外墙使用非陶瓷类装饰材料相违背，其主要原因是外墙涂料的耐沾污性和耐候性存在较大的问题，严重制约了这种环境友好型外墙饰面材料的推广应用。本文分析了影响外墙涂料耐沾污性及耐候性的主要因素及改善途径，研制出集高耐沾污性、高耐候性、高保色性等功能为一体的建筑外墙涂料，因其实用性、功能性能为客户提供更好的经济效益，应用前景广阔。
1 外墙涂料沾污途径、影响因素及改善措施
1.1 外墙涂料沾污途径
外墙涂料经涂覆后，涂膜长期暴露于大气环境中时刻受到外界各种各样的污染。外墙涂料涂膜被污染，首先是因为大气中存在各种尘埃，漂浮着带油性的烟雾。在工业城市里，燃油和燃煤设备的烟囱里排放出大量的带有油性或酸性的物质，还有大量的汽车尾气中含有黑色颗粒，加上酸雨、雾等，这些污染物通过多种渠道污染涂膜。涂膜的耐沾污性能受大气环境与涂料自身性能的双重影
响。涂膜沾污途径主要有以下4 种[1]：黏附性污染、吸入性污染、吸附性污染和积尘性污染。
1.2 外墙涂料耐沾污性影响因素
环境是污染物的来源，虽然我们无法改变环境，但是我们可以改变外墙涂料本身的一些性质，从涂料本身的性能特点，分析影响其沾污的各种因素。从建筑外墙涂料的配方设计上分析不同成分对涂膜沾污性能的影响，结果见表1。
1.3 外墙涂料耐沾污性的改善措施
外墙涂料常年暴露于大气环境中，外界的污染很难改变，但可以根据涂膜的耐沾污机理，改善涂料本身的组成和结构，提高涂料涂膜的耐沾污性能。
（1）提高聚合物的玻璃化温度Tg
聚合物的玻璃化温度越高，涂膜越硬，就越不容易发黏而沾灰，即涂膜的耐沾污性就越好。
（2）提高涂膜的致密性
涂膜中存在大量毛细孔是引起沾污的一个主要因素，提高涂膜的硬度和致密性，可明显改善涂膜的耐沾污性。
（3）颜料体积浓度PVC
在相同的Tg 条件下，提高PVC 就是减少热塑性聚合物的相对含量，达到提高涂膜综合硬度，同时空隙率增加不太大，而涂膜的耐沾污性得到提高的目的。但当PVC 超过CPVC（临界颜料体积浓度）后，空隙率大大增加，成为涂膜沾污的主导因素。因此，调节乳胶漆配方中的PVC 至CPVC，如PVC 为40%～50%，可提高涂膜的耐沾污性[2]。
（4）降低涂膜的表面张力
涂膜吸水是沾污的主要原因之一，所以降低涂膜的表面张力，就能降低涂膜的吸水性，还能降低涂膜对污染物的吸附性，进而改善涂膜的耐沾污性。
（5）提高表面平整性
提高涂膜表面平整性而不降低其硬度，可减少积灰，改善涂膜耐的沾污性。如采用不透明聚合物和超细填料以及提高涂料的流平性。
2 外墙涂料耐候性影响因素及改善措施
外墙涂料由于长期暴露在大气环境中，经受日晒雨淋，时间久了其涂膜老化，外观发生变化，常见的是涂膜粉化和变色。具体影响因素及改善措施如下：
（1）聚合物乳液的种类
聚合物乳液的种类不同耐候性不同，通常外墙涂料选择耐候性较好的苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液等。乳液的耐候性差易被光破坏降解而粉化，使色漆中颜料受到的保护减弱，受到紫外光的辐射密度增大，容易被紫外线破坏而褪色。因此，本试验选用耐候性优异的硅丙乳液为基料。
（2）颜料的种类
颜料的耐候性对涂料的耐候性影响很大，颜料的耐候性好，不仅自身颜色不发生变化，而且可吸收大量的紫外线，减少紫外线对基料的破坏作用，降低涂膜的粉化和褪色速度，提高耐候性。金红石型钛白粉能吸收紫外线，耐候性能好，是外墙涂料选用的主要白色颜料。
（3）颜料体积浓度PVC
基础漆的颜料体积浓度对外墙涂料的耐候性有很大影响，通常涂料的PVC 越低，光泽越高，涂料的耐候性能越好；反之涂料的PVC 越高，光泽越低，涂料的耐候性能越差。
（4）填料种类
填料的种类对涂料的耐候性能也有较大影响，一般吸油量大的填料需要更多的乳液基料来覆盖，其临界PVC 较小，对某PVC 一定的涂料来说，更易靠近或接近CPVC，涂膜更易粉化变色，耐候性差。反之，填料吸油量小，耐候性好[3]。因此，外墙涂料应选用吸油量较小的硫酸钡等填料。
3 试验
3.1 试验材料
硅丙乳液，江苏日出；纯丙乳液，陶氏；苯丙乳液，国民淀粉；金红石型钛白粉，杜邦公司；沉淀硫酸钡，河北辛集；煅烧高岭土，山西琚丰；绢云母粉，安徽滁州；纳米二氧化硅水溶液，广宁建材；遮盖聚合物，陶氏；润湿分散剂、消泡剂、增稠剂、多功能调节剂，海川；成膜助剂，伊士曼；防冻剂，抚顺石化；纳米抗污助剂，江苏建科院。
3.2 试验配方（见表2）
3.3 制备工艺
按表2 配方将颜填料加入搅拌罐混合均匀后，在砂磨机中高速研磨至粒径不大于50 μm，再加入遮盖聚合物、硅丙乳液、消泡剂、成膜助剂、纳米抗污助剂等，搅拌均匀，加入增稠剂调节体系黏度适中，过滤包装。
3.4 涂料的技术性能
将制备的涂料按GB/T 9755—2001《合成树脂乳液外墙涂料》进行性能测试，结果见表3。
4 结果与讨论
4.1 PVC 与涂膜耐沾污性及耐候性的关系
基于表2 试验配方为基础，基料含量保持不变，调整颜填料含量得到几组不同PVC 的配方，测试其耐沾污性及耐候性与PVC 的关系，结果见表4。
表4 PVC 值与涂膜耐沾污性的关系
注：配方中未添加纳米二氧化硅水溶液、遮盖聚合物、纳米抗污助剂。
从表4 中可以看出：
（1）几组配方的耐沾污性能都不理想，配方3 的性能相对好。体系PVC 值接近临界CPVC 值（47.76%）时耐沾污性能好，太高或太低都不理想，分析原因如下：①当PVC 值低于CPVC 值时，乳液聚合物的含量越高，涂膜在高温下回软发黏；反之涂膜硬度越高，尘埃不易附着，涂膜耐沾污性相对好。对耐沾污性来说，涂料的PVC 值不宜太低，以略低于CPVC值为合适。②较高的PVC 值对涂膜耐沾污有利。但是，对于PVC 值高于其CPVC 的涂料，大幅度上升的孔隙率给夹杂污染物的雨水提供了入侵渠道，使涂膜的吸收率大幅度增加，导致漆膜形成吸入性污染，耐沾污性下降。③在PVC 小于CPVC时，提高PVC，相应减少了涂膜乳液聚合物的含量，涂膜硬度提高，而涂膜孔隙率增加不大，因此，减少了涂膜对污染物的粘附性污染，提高涂膜的耐沾污性。试验表明，控制涂料配方的PVC、提高涂膜的致密性，是改善耐沾污的有效措施。本试验条件下，PVC 确定为45%佳。
（2）配制硅丙乳液涂料时，整个体系的PVC 值不宜设计过高。对于PVC 大于CPVC 的涂料，由于涂膜中颜料、填料之间空隙率较大，聚合物基料不足以包覆颜料，涂层极易粉化；另一方面，若PVC 值设计过低，涂料中颜料份较低，吸收或阻挡紫外线的能力弱，耐候性较差。因此，本试验设计PVC 以45%为佳。
4.2 聚合物乳液与涂膜耐沾污性及耐候性的关系
为了比较不同基料耐沾污性的差异，试验选用了外墙涂料常用的几种乳液按表2 相同配方制成涂料后测试涂膜的耐沾污性和耐候性，结果见表5。
表5 不同乳液为基料的涂膜耐沾污性和耐候性比较
注：配方中未添加纳米二氧化硅水溶液、遮盖聚合物和纳米抗污助剂。
由表5 可以看出：
（1）相同配方组成时，以硅丙乳液为基料的涂料耐沾污性优。因为玻璃化温度高的乳液能提高涂膜硬度，从而使涂膜的抗沾污性能提高。
（2）相同配方组成时，3 种基料的耐候性能优劣依次为：硅丙乳液→纯丙乳液→苯丙乳液。本次试验选用综合性价比优异的硅丙乳液作为成膜物，这是因为有机硅聚合物中Si—O键键能（425 kJ/mol）比C—C 键键能（356 kJ/mol）高，而209 nm的紫外线能量为418 kJ/mol，所以太阳光中的紫外线能量足以使C—C 键降解，但很难使有机硅降解；另外，它是一种半无机高分子聚合物，硅和氧电负性大，因而其耐热性、耐氧性及耐候性能优良。
综上，本试验选用硅丙乳液为基料。
4.3 纳米抗污助剂与涂膜耐沾污性的关系
从化学原理讲，纳米抗污助剂本身的表面能很低，以助剂的形式添加到涂料中，涂料涂装成膜后，能够在涂膜表面形成完全由纳米粒子组成的纳米涂层，提高涂膜的致密性，并降低表面能，赋予涂膜超强的憎水性、超疏水性。污染物既不会以水为吸附介质吸附到涂膜中，而且由于涂膜表面能很低也不会黏附到涂膜表面，因此可提高涂膜的耐沾污性能。在表2 配方中添加纳米抗污助剂对涂膜耐沾污性的影响见表6。
由表6 可以看出，在涂料中加入纳米抗污助剂，可使涂膜的耐沾污性能显著提高。
4.4 遮盖聚合物乳液与涂膜耐沾污性的关系
遮盖性聚合物是不能成膜的聚合物乳液，具有球状中空结构，球的外壳是玻璃化温度很高的聚合物，颗粒很细，球的平均粒径为0.4～1.0 μm。加入遮盖聚合物，在干燥成膜后遮盖聚合物分布在涂膜中，占据原来乳液中聚合物微粒所占据的位置，使涂膜的硬度提高，从而改善涂膜的耐沾污性能[1]。通过试验得出，添加4%～5%的遮盖性聚合物，能使涂膜的耐沾污性提高10%～20%。
4.5 纳米材料与涂膜耐沾污性的关系
涂膜内部普遍存在有肉眼看不到的气泡、毛细孔等缺陷，当污染物附着于涂膜表面后，会由于毛细管效应以空气中的水蒸气为介质被吸附进涂膜中。加入的纳米粒子可以填充这些空隙增加涂层的致密性，因而能提高涂料的对比率及耐沾污性[4]。纳米二氧化硅提高耐沾污性的作用很明显，主要是由于其网状结构可以形成相对完整的膜，使污染物不易附着。纳米二氧化硅在光照下能不断分解聚集于涂膜表面的有机物，使涂膜表面吸附的灰尘失去和涂料之间的夹层“有机粘合剂”，从而使污染物容易除去。同时，纳米二氧化硅具有超亲水性，在涂料表面产生一层水膜，将油性污染物与涂膜隔绝，不易在表面积聚，从而提高涂膜的抗沾污能力。通过试验得出，添加6%～8%的纳米二氧化硅水溶液，能使涂膜的耐沾污性提高20%～30%。
5 结语
本试验研制的抗污、耐候高性能建筑外墙涂料，具有高耐候性能，耐人工老化可达1000 h 以上，涂膜具有10 年以上的使用寿命；优良的耐沾污性，保证了建筑涂料的高装饰性；优异的疏水及抗沾污性，具有高自洁功能。由于有机硅中硅氧键能大，涂膜不易起泡、剥落，耐化学性相对较好，可以抵抗酸雨及其它污染物侵蚀。且以水为分散介质，无毒无味，符合环保要求，因此，抗污、耐候建筑外墙涂料是高档住宅、高层、超高层等建筑外墙装饰材料，具有广阔的发展空间。
