• 主题:建筑涂料,耐久性和耐候性,树脂
现代办公楼立面

 作者:Kaliappa Ragunathan 和 Punit Thakkar,巴斯夫公司

1 美元

建筑外墙涂料会受到非常恶劣的环境因素的影响。寒冷和炎热的温度、低湿度和高湿度以及雨雪等极端条件会测试涂层的抗裂能力、限制吸水率、防止材料从表面浸出以及粘附在多种基材上的能力。另一个有害的损害来源是紫外线,它会导致聚合物链降解,导致涂层粉化和腐蚀。表面涂层也易受污垢和霉菌滋生的影响,从而导致外观变脏。在设计用于外墙涂料的聚合物时,发明者必须仔细考虑上述破坏力。

专业和自己动手 (DIY) 的油漆工越来越关心效率——减少油漆表面所涉及的时间和劳动力。将油漆和底漆合二为一的涂料有助于减少喷漆工作的时间和劳动力,因此开发一种同时提供底漆和面漆性能的聚合物是必要的,但也具有挑战性。这一目标进一步提高了对外部聚合物的性能要求。

这项研究的重点是开发一种聚合物,它可以满足一种外墙涂料对油漆和底漆的关键需求,例如抗沾污性 (DPUR)、抗浸出性、抗早雨性、保光性、抗颗粒裂纹性、附着力、抗风化性、和单宁阻塞。该研究的结果是一种聚合物,该聚合物旨在承受具有 <25 g/l 挥发性有机化合物 (VOC) 的配方中的外部元素。

要查看文章图表和表格,请单击此处。

影响关键性能特征的因素

耐脏污性 (DPUR)

沾污是一种表面现象,主要受涂层硬度、表面能、表面孔隙率和污垢性质的影响。较软的涂层表面比较硬的表面更能保持污垢;因此,需要更硬的聚合物来改善 DPUR。高度疏水和高度亲水的表面都可以提供更好的 DPUR。然而,疏水表面是优选的,因为亲水表面会降低涂层的耐水性。疏水性可以根据水接触角来衡量——接触角越高,疏水性越好,DPUR 越高。粗糙和多孔的表面往往能更好地保留污垢,从而减少 DPUR。

相互矛盾的需求:低 VOC 和 DPUR 的成膜

乳液聚合物分散体的成膜过程1,2的示意图描述为三个步骤(图 1)。步骤是 1) 水分蒸发和粒子浓度, 2) 粒子变形, 和 3) 粒子聚结和聚合物链相互扩散。颗粒变形和聚合物链相互扩散的程度取决于颗粒的最低成膜温度 (MFFT)。在低 VOC 条件下良好的成膜需要软聚合物或带有永久性聚结剂的硬聚合物。永久性聚结剂永远留在薄膜中并降低涂层的硬度。软聚合物和带有永久性聚结剂的硬聚合物都会导致 DPUR 降低。因此,低 VOC 和更好的 DPUR 是相互矛盾的需求,也是一个难以解决的问题。

耐浸出

雨水和露水可以从涂层表面浸出水溶性材料,并产生不太理想的外观(图 2)。涂料的耐浸出性可以通过减少水溶性材料、调整成膜动力学、提高早期耐水性和加入交联化学来提高。从表面浸出材料最终会形成多孔表面,这可以降低涂层的 DPUR。在图 3 中,更多的红色氧化铁粘附在浸出表面上,呈现出更深的红色痕迹。

单宁阻断和抗风化

木材中的多酚(单宁)和混凝土/砖石基材中的盐会迁移到涂料中,并对它们的外观产生负面影响(图 45)。控制这些迁移现象的一些因素是成膜动力学、涂层的疏水-亲水平衡、水溶性材料、聚合物基质中的官能团、迁移材料的封装以及涂层对基材的附着力。

抗晶粒裂性

薄膜硬度和弹性在控制抗裂性方面起着关键作用。需要平衡这两种特性以实现抗裂性。影响抗裂性的另一个因素是乳液聚合物颗粒的聚结和成膜。颗粒变形后聚合物链沿颗粒边界相互扩散(图 1)为漆膜提供了机械完整性,这对于抗颗粒裂纹性至关重要。图 6显示了一个示例,其中配方不佳的涂料无法在南部黄松木板(红色框)中提供抗颗粒裂纹性。同一板上的其他涂料可提供出色的抗颗粒抗裂性。

新型聚合物

使用以下设计原则合成了一种新型丙烯酸聚合物:颗粒形态、低水溶性聚合物和疏水-亲水平衡。表 1显示了新型聚合物 (Acronal® EDGE 4247) 的物理特性。该聚合物不含烷基酚乙氧基化物表面活性剂,可用于配制 <25 g/l VOC 涂料。

这种新型聚合物的性能与四种竞争性聚合物(竞争性乳胶 A 至竞争性乳胶 D)一起在建筑白色平光涂料配方中进行了测试。配方及其物理特性分别在表23中给出。测试了这些油漆的面漆和底漆性能,结果将在下一节中讨论。

实验性的

吸尘阻力

使用 250 m 间隙棒在 Lenetta 黑色磨砂图上绘制油漆。在 72°F 和 50% 的湿度下将拉伸的涂料固化 24 小时。固化的油漆在紫外线室中暴露于 UV-A 辐射 24 小时。然后,将红色氧化铁或炭黑分散体施加到一半固化的油漆上。4 小时后,用海绵和流动的自来水轻轻清洗油漆。将洗过的油漆干燥 24 小时,并测量污染和未污染区域的 Y 反射率以计算 DY 反射率。

表面活性剂浸出

使用 250 m 间隙棒在 Lenetta 黑色磨砂图上绘制着色涂料(2% 酞菁蓝)。测试在 4 小时和 24 小时的固化时间进行。在每个固化时间,三滴水沉积在已涂漆的顶部。在 10 分钟时,图表倾斜以使水从面板上流出。24 小时后,水迹的外观按 0 到 10 的等级评定,10 表示没有变化,0 表示变化很大。

耐风化

由熟石膏制成的瓷砖涂上指定数量的油漆,在一端留下一英寸未上漆。油漆在 72°F 和 50% 湿度下固化 24 小时。将瓷砖的未涂层端置于用 1% 硫酸钠溶液浸泡两周的沙床上。然后,记录瓷砖涂漆端的外观。

抗早雨

使用 250 m 间隙棒将油漆涂在铝制 Q 板上,并在 72°F 和 50% 湿度下干燥 25 分钟。然后,将面板放置在 12 英寸下。方形淋浴喷头并以恒定水流淋浴 10 分钟。将测试涂料的外观与对照涂料的外观进行比较。

单宁阻塞

根据 ASTM 6686-1 测试方法测试单宁粘连。测量的是 Y 反射率和黄度指数,而不是 L* 和 b*。

耐腐蚀性能

根据ASTM G85-11-A5稀电解质盐雾测试方法,使用冷轧钢板测试耐腐蚀性。

结果和讨论

表 4提供了涂料的粘度、4°C 下的成膜等级、光泽度、对比度、着色强度和耐擦洗性。这种新型聚合物在 PVC 为 46 的情况下具有 1915 次擦洗循环,具有出色的耐擦洗性。这种高擦洗性表明具有出色的成膜性,并且该聚合物具有用于更高 PVC 涂层的潜力。着色强度为 TiO 2在涂层基质中的分布程度提供了间接证据。新型聚合物提供最高的着色强度,而竞争性胶乳(竞争性胶乳 B 除外)提供显着较低的着色强度。较高的着色强度表明实现相同程度的白度需要较低的 TiO 2,从而节省成本。

吸尘阻力

两种不同类型的污垢——氧化铁水浆和炭黑水浆——用于测试 DPUR 性能。结果如图78所示7 显示了污染和未污染油漆表面的 DY 反射率。新型聚合物对两种类型的污垢都具有最低的 DY 反射率,表明其 DPUR 性能最佳。8 显示了实际的测试面板。新型聚合物从目视检查中显示出最佳性能。

抗表面活性剂浸出

干燥时间为 4 小时和 24 小时后的浸出测试结果如图 9所示。新型聚合物和竞争性胶乳 A 在两种干燥时间都表现出相似的性能,但其他胶乳表现出较差的性能。

抗早雨

通过淋浴喷头水流测试方法测试早期防雨性能。将新型聚合物在 25 分钟干燥时间的性能与领先的 50 g/l VOC 商用涂料进行比较。如图 10所示虽然新型聚合物没有表现出任何缺陷,但市售涂料确实表现出缺陷。

单宁阻塞

使用红木测试涂层的单宁阻挡,结果如图 11所示。 图 11显示了两涂层表面的 DY 反射率和 D 黄度方面的性能。新型聚合物具有最低的 DY 反射率和黄度,表明单宁迁移到涂层的量最低。图 12显示了带有一层和两层油漆的红木板(一次应用中的油漆和底漆)。具有第二层涂料的新型聚合物具有最白的外观。

耐风化

结果如图13所示。涂有新型聚合物基涂料的瓷砖表面没有任何盐分或缺陷,表明具有出色的抗风化性。由于盐通过涂层迁移,所有其他油漆在瓷砖表面上都显示出大量的盐。

耐腐蚀性能

在 250 小时的测试中,新型聚合物沿划线和表面显示出优异的耐腐蚀性(图 14)。

漆膜机械性能

拉伸应力和伸长率在控制晶粒抗裂性方面起着关键作用。表 5提供了新型聚合物、竞争性胶乳 B 和领先的商业涂料的漆膜机械性能。这种新型聚合物具有更高的伸长率,而不会显着降低拉伸应力。% 伸长率是抵御恶劣的外部因素的一个重要特征,包括冷热天气和冻融循环。

加速老化

根据 ASTM D4587-11 测试方法,使用无冷凝循环的 UV-A 辐射对由新型聚合物配制的半光泽涂料和领先的商用涂料进行加速老化测试。结果在图15表6中给出。这种新型聚合物显示出优异的保光性和最小的颜色变化。

自然风化

为了研究新型聚合物的自然风化,南方黄松木和雪松木板涂有由新型聚合物、竞争性乳胶 1、竞争性乳胶 2 和商业涂料配制的平光漆。他们在北卡罗来纳州夏洛特以 45° 角朝南暴露在自然风化中。暴露 36 个月的结果见表 7。这种新型聚合物在 36 个月的测试中表现非常好。

概括

建筑外墙涂料易受恶劣环境因素的影响。必须仔细考虑这些严酷的条件,以克服这些元素的有害影响。使用创新聚合物工程开发的新型聚合物在一种外墙涂料应用中具有出色的油漆和底漆性能。该聚合物可用于配制 <25 g/l VOC 涂料。一项涉及市场领先的竞争性粘​​合剂的基准研究表明(图 16),该新型聚合物在 DPUR、耐浸出性、单宁阻塞、耐风化、耐擦洗、耐腐蚀性、保光性和着色强度方面表现优异。自然风化在 36 个月的测试中显示出优异的结果。

致谢

作者感谢以下人员的贡献:Scott Robinson、Shada McCurry、Jeanette Gilliam、Adam Cummings、Kevin Kearney、Brandi Chew、Julie Adkins、Alan Smith、John Kelly、Kent Clow、Christina Nebel、Sarah Chronister、Camilo Quiñones-Rozo、杰克约翰逊和丹尼尔贝茨。

参考

  1. Yoo, JN, Sperling, LH, Glinka, CJ 和 Klein, A., Macromolecules , 23, 3962 (1990)。
  2. Taylor, JW 和 Winnik, MA,“功能性乳胶和热固性乳胶膜”,JCT 研究, (1) 3 163-190 (2004)。

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