• 主题:建筑涂料
城市城市天际线与日落

作者:Robert W. Sandoval、Tyler J. Bell、Mary Jane Hibben 和 Mike Wildman,工程聚合物解决方案

最大限度地提高保光性和抗沾污性 (DPUR) 是许多外墙建筑涂料的关键要求,也是许多商业涂料难以满足的目标。在这项研究中,评估了一系列树脂和油漆的室外耐久性。特别是,对于 DPUR,加速测试方法与从中西部和西海岸测试围栏位置收集的外部暴露数据进行了比较。外部暴露的位置对在短时间内区分油漆/树脂之间的 DPUR 性能的能力有很大影响。在中西部地区暴露时具有相似 DPUR 性能的涂料在短短三到四个月内暴露在西海岸地区时表现出更大的差异。还进行了几个加速的 DPUR 测试协议(一周程序),虽然许多样品的表现相对相似,但注意到一些取决于测试协议的差异。这些结果强调了外部暴露位置/测试协议对 DPUR 的影响。在本研究的第二部分,保光性通过加速 QUV-A 协议进行评估,并与外部暴露进行比较。加速 QUV-A 方法可以在更短的时间内(4 到 8 周)区分配方,并且倾向于与来自西海岸的长期暴露(超过一年)一致。这些结果强调了外部暴露位置/测试协议对 DPUR 的影响。在本研究的第二部分,保光性通过加速 QUV-A 协议进行评估,并与外部暴露进行比较。加速 QUV-A 方法可以在更短的时间内(4 到 8 周)区分配方,并且倾向于与来自西海岸的长期暴露(超过一年)一致。这些结果强调了外部暴露位置/测试协议对 DPUR 的影响。在本研究的第二部分,保光性通过加速 QUV-A 协议进行评估,并与外部暴露进行比较。加速 QUV-A 方法可以在更短的时间内(4 到 8 周)区分配方,并且倾向于与来自西海岸的长期暴露(超过一年)一致。

介绍

外墙建筑涂料的主要功能是保护基材和抵御天气影响。由于美国的天气条件多种多样,涂层必须能够承受许多恶劣的条件,包括冻/融、雨、紫外线 (UV) 暴露、风、烟雾和冰/冰雹。已经开发了许多方法来测试外部涂层可能经历的各种条件。由于运行这些测试所需的时间较短,加速实验室测试很受欢迎。然而,许多涂料制造商的“黄金标准”是在极端天气条件下将涂料暴露在室外。通常,新产品需要多年的户外暴露,这在产品开发过程中并不总是可行的。

耐沾污性 (DPUR) 通常定义为涂层抵抗污垢的能力,随着时间的推移,污垢会使薄膜变暗并导致外观不均匀。1灰尘可以通过空气中的微粒(例如烟雾)转移到涂层上,高含量会加速薄膜变暗。加速测试通常通过使用污垢标准(例如,氧化铁浆、炭黑浆或干污垢颗粒)来完成,这些标准应用于面板并通过清洗、轻敲或擦拭面板去除,然后评估颜色变化. 树脂成分和涂料配方都会影响涂料的 DPUR。例如,较高的聚合物粘合剂玻璃化转变温度 (T g) 和最低成膜温度 (MFFT) 可以提高 DPUR。然而,更严格的 VOC 法规间接限制了实际制造树脂的硬度并保持可接受的 MFFT 或低温聚结,这对需要新聚合物创新的 DPUR 性能产生了负面影响。

保光性是另一个通常被评估的关键室外耐久性特性。当涂层暴露于紫外线辐射时,会发生薄膜降解,使涂层表面变得粗糙并降低薄膜的光泽度。2,3对于消费者而言,当建筑物的多面涂漆并接受不同程度的紫外线(例如朝南的墙壁与朝北的墙壁)时,保光性最为显着,从而导致表面的光泽度不同。建筑物的不同侧面。除了薄膜退化之外,光泽度降低可能表明进一步老化时可能发生的其他失效机制。

如前所述,加速测试程序很受欢迎,因为它们可以加速配方开发。然而,一旦树脂或配方完成,就需要进行外部暴露测试以确认实验室结果。户外暴露测试的一项挑战是美国的环境范围很广。放置在空气污染和烟雾水平较低的地区的涂料可能会显示出配方之间的差异很小,而在空气污染水平较高的地区测试涂料时,可以观察到显着差异。

在这项研究中,将 DPUR 和保光加速测试方案与洛杉矶地区和中西部地区的外部暴露数据进行了比较。外部暴露的位置被证明会影响 DPUR,并在洛杉矶大大加速。洛杉矶用于户外暴露的油漆之间的差异更大。在不同基材上暴露和测试的样品显示出 DPUR 的一些变化,但显示出相似的排名。

保光度测试表明,与行业基准树脂相比,实验树脂在加速测试和长期暴露中均表现出优异的保光率。行业基准树脂和商用高光泽基准涂料在 QUV 测试中仅一周后就表现出光泽度下降,在洛杉矶暴露仅四个月后光泽度下降。尽管 QUV 测试与外部暴露之间的直接相关性在本系列中并不明显,但可以通过加速测试进行定性评估,以预测长期性能。

实验性的

材料

本研究中使用了几种实验树脂。选择了三种实验树脂:两种全丙烯酸高光树脂(实验 A 和实验 B)和一种全丙烯酸树脂(实验 C),用于平透半光泽涂料。出于比较目的,本研究还使用了行业基准高光泽树脂 (IB A)。还测试了多种领先的国家和地区市售高光 (Comm. HG #) 和半光 (Comm. SG #) 油漆。

外部暴露测试

图 1显示了 EPS 北美暴露测试站点的位置。这项研究是在加利福尼亚州洛杉矶和伊利诺伊州马伦戈暴露的样本中完成的。之所以选择洛杉矶,是因为该地区的空气污染和阳光 (UV) 水平较高,雨量/湿度较低,温度较高。相比之下,在中西部,伊利诺伊州马伦戈(芝加哥西北部)的空气污染水平较低,温度较低,水分较多。面板朝南放置 45°,以最大限度地暴露紫外线。该程序用于 DPUR 测试和保光性。虽然面板也被放置在佛罗里达州迈尔斯堡,但这项特殊研究并未关注该地区。

图 1 — EPS 北美室外耐久性暴露地点和在每个地点进行的主要测试。

加速吸尘阻力测试

对于加速 DPUR 测试,运行了多个程序来比较测试方法。用 3 密耳鸟棒将三组油漆涂在各种基材上并干燥过夜。将面板放置在 QUV 室中一周,该室在 8 小时 UV-A 和 4 小时冷凝(根据 ASTM G154)之间循环,或在加利福尼亚州洛杉矶或伊利诺伊州马伦戈以 45° 朝南放置。紫外线照射后,将样品置于 60°C 的烘箱中 30 分钟。在烘箱中将干燥的污垢颗粒施加到面板的一部分上 30 分钟,然后从面板上轻敲掉多余的污垢。ΔE 是通过测量面板染色和未染色部分之间的色差来计算的,较高的 ΔE 值表示较高的吸污水平。

加速光泽保持测试:QUV-A

加速保光测试是通过在铝板上用 3 mil 鸟棒涂漆并让它们干燥过夜来进行的。将面板放置在 QUV 室中,该室在 8 小时 UV-A (340 nm) 和 4 小时冷凝(根据 ASTM G154)之间循环。记录最初的 60° 光泽度,每周测量面板的光泽度长达 2000 小时(~12 周)。将面板从腔室中取出以测量 UV 循环期间的光泽度。

结果

长期吸尘阻力测试:暴露位置

第一次评估比较了外部暴露测试地点。图 2比较了在 Marengo 和洛杉矶曝光的六种白色和有色底漆。显示了两个站点的初始面板,以及 12 个月后的照片。在比较每个站点之间 12 个月的照片时,可以观察到 DPUR 的一些明显差异。虽然在中西部暴露于 DPUR 时,大多数面板相对相等,但在洛杉矶暴露时,几种涂料之间的差异明显更大。与其他样品相比,板上的第二种涂料显示出较差的 DPUR。这强调了暴露测试位置对 DPUR 结果的重要性。本文中的其他长期 DPUR 数据将重点关注来自洛杉矶的暴露。

图 2 – 外部暴露点的吸尘比较。在每块板上 6 英寸 x 6 英寸的部分涂上六种油漆,并在伊利诺伊州马伦戈曝光:初始 (A) 和 12 个月 (B) 和加利福尼亚州洛杉矶:初始 (C) 和 12 个月 (D)。

长期抗吸污性测试:商业基准测试

对一系列领先的国家和地区市售高光 (Comm. HG #) 和半光 (Comm. SG #) 涂料进行了测试,并与实验树脂进行了比较。初始和 10 个月洛杉矶曝光面板照片如图 3(高光)和图 4(半光)所示,布局见表 12。从照片中可以看出,实验树脂表现良好,不同商业基准涂料之间存在很大差异。

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图 3——高光泽基准系列:初始和 10 个月的洛杉矶曝光。

图 4——半光泽基准系列:初始和七个月的洛杉矶暴露。

加速吸尘阻力测试

除了长期暴露测试外,还评估了几种加速吸污测试协议。图 5显示了在不同位置暴露于紫外线的各种高光泽涂料的加速 DPUR 测试的 ΔE 值。请注意,这些样品仅暴露在室外一周(即,暴露期间面板上几乎没有或没有沾染污垢;为了加速测试而添加污垢)。很明显,紫外线照射的位置会影响加速 DPUR 测试中的 ΔE。一般来说,QUV 室测试显示整体面板更清洁,而暴露在 LA 中的面板显示出更高水平的污垢。在伊利诺伊州马伦戈暴露的面板显示出最小的变化。行业基准 A 的吸尘率最高。实验性树脂 B(在相同的涂料配方中)显示所有样品中的污垢吸收水平最低。商业涂料 B 在暴露程序中表现出最大的可变性。

图 5——紫外线源对油漆加速吸污性测试的影响。红线表示每种油漆的所有暴露方法的平均 ΔE。

图 6 – 基材的加速吸尘阻力测试。红线表示每个样品中所有底物的平均 ΔE。

此外,还评估了不同的基材以检查对加速 DPUR 测试的影响。对于在洛杉矶曝光的样品,使用了四种不同的基材。  图 6显示了各种底物的 ΔE 值。使用铝材,< 150 g/L 的商用涂料显示出最佳的 DPUR 性能。然而,在南部黄松上,它是第二差的表现。虽然底物之间确实存在变异性,但每个样品的所有底物的平均 ΔE(图中的红线)比简单地查看一种底物的结果更清晰地了解 DPUR 的整体情况。

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在每种基材上,比较油漆的 DPUR 性能并对其进行排名。表 3显示了图 6中每个样本的排名以及总体平均排名(表 3 中还包括对铝的加速 QUV 测试)。有竞争力的树脂在所有基材中排名最后。实验树脂 B 的 DPUR 性能优于商业涂料 A,排名不低于 2。商业 A 有几个 3 排名,商业 B 也是如此。鉴于商业 A 的 VOC 水平较高,DPUR 性能并不令人惊讶,尽管实验树脂 B 与较低 VOC 的性能相匹配。虽然绝对 ΔE 值因底物而异,但样品显示出相似的排名。

光泽保持

图 7比较了工业基准 A、两种行业领先的商业高光泽涂料和实验树脂 B 在 QUV 室中加速保光的效果。相同涂料配方中不同树脂类型的光泽保持率(以 60° 光泽度测量值表示)显示出非常不同的结果。实验树脂在大约八到九周内显示出 100% 的保留率,而行业领先的树脂仅在一周后就开始失去光泽。暴露 12 周后,实验 B 中的保光率高于行业基准 A。 有趣的是,两种行业领先的 <150 g/L 和 < 50 g/L 商用涂料在 QUV 中经过一周后开始失去光泽并稳定下降,符合行业基准 A 的行为。

图 7—QUV-A 在高光泽白色涂料中的保光性。

图 8 — 长期外部保光百分比:洛杉矶暴露 — 4 个月。

洛杉矶相同涂料/树脂的面板显示出类似的排名(图 8)。仅暴露四个月后,实验 B 的表现就超过了行业基准 A 和两个行业领先的商业涂料,其光泽度保持在 90% 以上。长期保光性测试由于长期暴露时也可能发生的沾污而变得复杂,除了外观外,还会影响光泽。因此,虽然 QUV 和长期暴露之间没有明显的直接定量相关性,但从质量上看,趋势是明显的。

概括

总之,这项研究比较了耐沾污性和保光性测试方法,包括加速技术和长期外部测试。对于 DPUR,在洛杉矶附近的西海岸暴露的样品与暴露在伊利诺伊州马伦戈的样品相比,在一系列油漆之间表现出更大的差异。与商业基准相比,实验树脂显示出出色的 DPUR 性能。该研究表明,该位置显着影响 DPUR 性能,并且可以在洛杉矶测试围栏站点更快地筛选新配方。在比较加速 DPUR 测试技术时,将面板暴露在不同环境中也会影响性能,但是,样品之间的总体趋势保持不变。

保光性测试表明,实验树脂 B 在加速测试和长期暴露中均表现出优异的保光性。一种行业基准树脂和两种商用高光泽基准涂料在 QUV 测试中仅一周后就显示出光泽度下降,而在测试围栏上仅使用了四个月后光泽度下降。虽然 QUV 测试和外部暴露之间的直接相关性并不明显,但可以通过加速测试对油漆样品进行定性比较,以预测长期性能。

致谢

作者要感谢 EPS 建筑集团的以下成员在准备树脂、油漆和曝光样品方面提供的帮助:Andrew Balgeman、Pat Lutz、Jacob Bolton、Paige Booth、James Harris、Tom Regelin、Audrey Plyler 和 DJ Christensen。

参考

  1. Vandezande, G.,“提高对未来涂料创新至关重要的吸尘性”,油漆和涂料行业,2008 年 5 月 1 日。
  2. Wicks, ZN Jr., Jones, FN, Pappas, SP, and Wicks, DA, Organic Coatings Science and Technology, John Wiley & Sons, NJ, 2007。
  3. Hare, CH,保护涂层:化学和成分基础保护涂层协会,宾夕法尼亚州,1998 年。

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