• 主题:建筑涂料
雨水流从波纹屋顶倾泻而下

作者:Shelby Kellogg,美国巴斯夫公司

高湿度和降水对外部建筑涂料正确固化和提供必要的外表面保护能力提出了挑战。为了增加早期抗雨性并降低水敏感性,研究了不同的配方技术。原材料在标准起始配方中进行评估,以生成最佳配方,降低水敏感性和表面活性剂浸出,同时提高早期防雨性能。通过开发新的测试方法来确定早期抗雨性的结果,该方法在薄膜固化过程中改变环境因素。我们确定使用功能性添加剂以及增加涂膜的疏水性可以显着提高早期防雨性能。

介绍

配制外墙涂料最困难的部分之一是考虑天气的变化。在太平洋西北部和美国东南部,雨季或极端潮湿可能会延迟涂层应用或由于薄膜干燥过程中的降水而损坏已完成的工作。雨水不仅会对油漆外观产生负面影响,还会降低薄膜的保护性能。当乳胶漆膜干燥时,固体颗粒会聚集在一起,聚合物乳胶颗粒会随着水从漆膜中蒸发而聚结。1如果降水中断了这一过程,乳胶可能无法在基材上形成连续的薄膜,从而留下薄膜缺陷或无法保护的区域。

涂料制造商需要可靠的测试程序,以便即使在高湿度或降水情况下也能评估漆膜的性能。需要使用配方技术来构建早期防雨或防潮性能,以开发能够在应用后一到两个小时内承受降水的产品。

第 1 部分:程序开发和测试

测试早期防雨性能需要一种方法来控制降水并确保薄膜固化过程中的高湿度。程序标准包括能够根据不断变化的环境条件进行调整,例如固化温度和湿度、可调节的沉淀率以及足够的再现性和误差控制。审查了各种测试技术,包括在干墙上应用,然后用水喷洒薄膜,在冷凝下使用 QUV,以及在雾箱中进行测试。根据屋顶涂料应用改编的测试方法给出了最好和最一致的结果。所讨论的测试方法可用于确定半干膜在恶劣测试条件下的早期防雨性能。

抗早雨测试仪

所需材料包括一个能够维持 40°F 温度和 75% 相对湿度 (RH) 的环境室。早期抗雨试验装置如图1所示。

测试设备使用以下组件:

1. 花洒:格拉夫 G-8464-PC 12 英寸方形黄铜花洒

2.水龙头:克劳斯KPF-1602单把手下拉厨房水龙头商业风格预冲洗

3. 面板架(可选):ACT 测试面板不锈钢面板架 57187

需要的额外材料:

4. 分割7mil间隙压延棒(见图2

5. 6 x 12 英寸铝制 Q 面板

6. 环境室设置为要求的条件,例如 75% RH 和 40°F

7. 计时器

8. 摄像机(如果需要)

测试方法

为了准备测试板,使用分开的 Dow 棒以 7 密耳的膜厚绘制待测试的油漆。样品在设置为 40°F 和 75% RH 的环境室中固化 30 分钟。固化时间使薄膜达到开放时间结束且干燥几乎完成的时间点。

在测试样品之前,测量并调整水流速以确保面板之间的测试一致性。水流率设置为模拟小雨。将直径为 108 毫米的 1 升烧杯放在喷头下方的中央,用于在 30 秒的时间内收集水。确定每分钟 400 mL 水的流速模拟小雨,并且仅使用冷水进行测试。喷头的高度设置为测试面板上方 12 英寸。

在测试板固化后,将板放置在位于喷头下方居中的板架中,并且将定时器设置为与淋浴​​同时开始。电影第一次突破的时间被记录下来。穿透时间很重要,因为当连续膜被中断时,例如固化过程中沉淀造成的损坏,基材保护性能会显着降低。此时,基材会暴露在各种元素中,这会导致进一步的损坏,例如起泡、微生物侵袭和潜在的开裂。

再现性

如图 3所示,在不同位置绘制样品的情况下,面板重复测试平均值

使用上文详述的测试方法测试商业涂料以确定早期防雨结果的再现性。油漆样品包括那些具有各种早期防雨性能的营销声明。每种涂料都在面板上的所有四个位置进行测试,以确定结果的准确性。结果记录为以秒为单位的第一次薄膜突破时间。测试结果如表1所示

根据数据,计算平均值和标准偏差。计算 3σ 上限和下限以确定单个面板结果是否落在 6σ 范围内,以
表明结果的可靠性。对于每个样品,注意到结果确实满足 6σ 要求。此外,与商业涂料 5 相比,商业涂料 1-4 的早期防雨时间存在显着差异,与没有声明的商业涂料相比,支持早期防雨的营销声明。

第 2 部分:抗早雨配方技术

乳胶疏水性

研究了几种配方成分以确定它们对早期抗雨性的影响。我们首先评估了乳胶的疏水性和对早期防雨性的影响。使用接触角分析测试专有丙烯酸胶乳(本文称为丙烯酸胶乳A*)和商业胶乳(图4)。然后在商业外部平面起始配方中测试胶乳的早期抗雨性。

丙烯酸乳胶 A 的接触角明显高于商业乳胶。在涂料配方中进行测试时,与使用商用乳胶制成的涂料的早期耐雨性为 38 秒相比,使用丙烯酸乳胶 A 的涂料具有 46 秒的早期耐雨性。乳胶的疏水性有助于降低漆膜润湿性,进而增强漆膜的早期防雨性能。

配方优化

在检查了表面活性剂、聚结剂、流变改性剂和氧化锌的含量后,我们评估了对低剪切 (KU) 流变学发展以及早期抗雨性的影响,作为平均破膜时间。我们想看看油漆粘度如何潜在地归因于在沉淀应力下漆膜变形的阻力。使用 Umetrics MODDE Pro 在具有优化目标的响应面模型中评估公式成分。使用具有两个响应的四因子实验设计 (DOE),进行了 20 次样本运行。在 DOE 中,每个配方成分都在低负载 (–1)、标称负载 (0) 和高负载 (1) 下进行评估。标称负载是在表 2 中给出的起始点公式中找到的量

对样品的早期抗雨性进行两次平均测试。对早期抗雨性和 KU 进行建模以确定哪种配方成分影响薄膜穿透时间。我们映射了变量重要性以确定驱动公式组件以增加早期抗雨性(图 5)。

结果表明,氧化锌对早期抗雨突破时间的影响显着大于其他配方成分。锌用于配方中以提高室外耐久性,但可以推测氧化锌提高了薄膜的交联密度,从而降低了薄膜固化过程中对水分的敏感性。2当使用 MODDE 分析工具预测优化的配方时,确定氧化锌的贡献系数为 46.1%,流变改性剂的贡献系数为 31.8%。表面活性剂和聚结剂虽然对较轻基料的早期防雨性能不一定重要,但不应忽视,因为它们可能会对其他配方性能以及具有较高着色剂含量的更深基料的早期防雨性能产生负面影响。3当用氧化锌配制或调整原料用量时,应重新评估配方的罐内稳定性。

我们优化的公式具有 46.5 秒的早期抗雨模型预测和 100 的 KU,如表 3所示

测试优化配方的早期防雨性能,结果为 49 秒,KU 为 106。将结果与商业涂料进行比较时,优化配方的性能与具有早期防雨性能的涂料相似(图 6)。

结论

在配制外墙建筑涂料时,早期防雨性能是一个需要考虑的重要参数。不仅可以延长绘画季,而且可以增强电影的表现。概述的测试程序使涂料配方设计师能够可靠地测试和分类薄膜的早期防雨性能。我们发现一些涂料成分,如氧化锌和流变改性剂的含量,会对防雨性能产生重大影响。乳胶的疏水性也会显着影响漆膜的早期防雨性能。已经表明,通过优化表面活性剂、聚结剂、氧化锌和流变改性剂的含量,可以最大限度地提高漆膜的早期防雨性能和性能。

致谢

作者感谢巴斯夫公司在本文的发展过程中给予的支持和指导。

参考

  1. Robe, GR, Mitchell, JM,“进行过渡:乳胶漆的聚结助剂”,Paint & Coatings Ind., 14 (3), 64(2000 年 3 月)。
  2. Austin, MJ,“防腐蚀无机颜料”,表面涂层原材料及其用途。伦敦:查普曼和霍尔,422,1993。
  3. Peck, KM,“表面活性剂在水性颜料分散体中的作用”,Paint & Coatings Ind., 32, (4), 62-66(2016 年 4 月)。

于 4 月 9 日至 11 日在印第安纳波利斯举行的美国涂料大会上发表。 

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