功能型氟碳涂料環(huán)境適應(yīng)性的研究

劉翼 蔣荃（國家建筑材料測試中心，綠色建筑材料國家重點實驗室，

建材行業(yè)建筑構(gòu)件及材料環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，北京，100024）

0 引言

氟碳涂料具有良好的耐候性和防腐蝕性，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，并成為高性能涂料的代名詞。隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，人們對氟碳涂料提出了更多功能性的要求。例如通過加入熱反射顏填料對太陽光具有很高的反射率，能阻緩熱能向物體內(nèi)部傳導(dǎo)，并將吸收的熱能輻射出去。這種涂料在高溫的夏季降低了建筑表面溫度，進而影響了周圍環(huán)境溫度，使得空調(diào)等制冷設(shè)備能耗降低[1]。為了改善氟碳涂層表面容易形成雨痕或不易清洗的油污等問題，通過對其表面進行改性，增加其親水性，從而獲得表面自清潔的功能[2]。通過對鋁銀漿進行改性，改善其耐腐蝕性與紫外線阻隔性，從而由四涂體系變?yōu)閮赏?，大大減低成本等。但對于這些涌現(xiàn)出來的新材料新技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)性，目前還沒有進行系統(tǒng)的研究。材料綜合性能的耐候性并不等于氟樹脂基體的壽命，而材料的老化是一個漫長的過程，往往不受重視。筆者所在單位國家建筑材料測試中心為建材行業(yè)建筑構(gòu)件及材料環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的依托單位，在日常工作中，對此類產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進行了研究。

1 熱反射氟碳涂料

目前國內(nèi)對于熱反射涂料的研究大多著眼于顏填料的性能，而忽視了樹脂基體的影響。在涂層的服役過程中，涂層樹脂會發(fā)生粉化、變色等老化，涂層粉化后，功能性填料也會在風(fēng)雨等作用下脫離涂層體系，從而失去熱反射的功能。同時，涂層表面的耐沾污性也會對熱反射能力產(chǎn)生很大的影響。中國大氣污染嚴重，如果涂層沒有一定的自清潔能力，在短時間服役后表面的積垢將大大降低其熱反射性能。同時，及時對涂層表面進行了自清潔的改性，如果沒有一定的耐候性，也會因為表面的粉化而失去作用。

國內(nèi)現(xiàn)行的關(guān)于熱反射涂料的標(biāo)準(zhǔn)有JC/T 1040-2007《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》和JG/T 235-2008《建筑反射隔熱涂料》，前者對涂層人工老化后的熱反射性能提出了要求，JG/T 235對涂層耐沾污試驗后的熱反射能力的衰減做了限制性規(guī)定，具體見表1。

從表1中可以看出，JC/T 1040對涂層的耐老化性要求過低，溶劑型涂料也只有500h；JG/T 235對要求各類涂料滿足相應(yīng)樹脂基體涂料的耐老化要求，未對熱反射衰減提出要求，同時采用的耐沾污試驗方法為GB/T 9750-2005，該方法主要適用于外墻涂料，對金屬涂料并不適用：大多數(shù)金屬裝飾涂層都可輕松的通過標(biāo)準(zhǔn)的要求，但現(xiàn)實中金屬涂層表面嚴重積垢的現(xiàn)象比比皆是。

表1 國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對熱反射涂料耐老化與耐沾污的規(guī)定

筆者對A、B、C(B、C為不同類型的氟碳涂料)三種樹脂基體的白色熱反射屋面板材料進行了測試，分別進行1000h、2000h人工氣候老化。耐沾污按GB/T 9750和ASTM D 3719進行。ASTM為將樣板在戶外朝南45°放置61天，然后不經(jīng)清洗直接進行測量?？紤]熱反射涂料發(fā)揮作用主要在夏季，因此本實驗樣品戶外放置時間為2009年6月1日至2009年7月31日。

1.1 實驗儀器

氙燈老化機（Q-Panel，Q-SUN XE-30S，美國），分光光度計（PerkinElmer Lambda 950，美國）。

1.2 結(jié)果與討論

試驗的測試結(jié)果見圖1~圖3。

圖1 樣品A老化及沾污后太陽反射比變化

圖2 樣品B老化及沾污后太陽反射比變化

圖3 樣品C老化及沾污后太陽反射比變化

從實驗結(jié)果可以看出，耐候性差的涂料的太陽反射比隨老化時間的增加而明顯下降，而耐候性優(yōu)異的氟碳涂料經(jīng)歷2000h老化試驗后其太陽反射比幾乎沒有變化。GB/T 9750對金屬漆沾污能力很弱，而ASTM D3719的方法與實際情況更為接近，能很好的表征出涂層在自然環(huán)境中的耐沾污能力。按ASTM D3719的方法進行曝候后，涂層的太陽反射比明顯下降，尤其是在老化后。經(jīng)過2000h的老化試驗，樣品A的太陽反射比已降低到0.6一下，與普通涂層無異。而耐候性優(yōu)異、耐沾污較強的樣品B、樣品C仍保留了0.8左右的太陽反射比，優(yōu)勢十分明顯。

2 自清潔氟碳涂料

目前自清潔氟碳涂料主要有兩種改性方式，一類是在涂層表面增加一層低含氟的丙烯酸涂層[2]，改善涂層表面親水性的同時通過引入氟元素提高了涂層的層間附著力和耐候性；另一類是在涂料面層引入具有光催化作用的納米TiO2[3]，在紫外光照射下，表面變得親水，同時還有微粉化作用，能有效地清除和降解涂膜表面附著的親水、親油物質(zhì)。筆者對一送檢的自清潔氟碳涂層板樣品老化前后的接觸角進行了表征。

2.1 實驗儀器

氙燈老化機（Q-Panel，Q-SUN XE-30S，美國），接觸角測試儀（Dataphysics，OCA20，德國）。

2.2 結(jié)果與討論

圖4 不同老化時間的表面接觸角

涂層老化前后的接觸角見圖4。從圖4可以看出，通過1000h、2000h氙燈老化，老化前后涂層表面的親水性逐漸降低。表明該樣品涂層表面的親水層已經(jīng)老化分解，自清潔功能失效。而氟碳涂層作為 超 耐 候 涂 層，JG/T 133，GB/T 17748、GB/T 23443等都規(guī)定需通過4000h的老化試驗，AAMA2605更是提出了在佛羅里達曝曬10年的要求。而該樣品自清潔表層耐候性較低，與氟碳涂層的整個服役壽命相差甚遠，在整個服役過程的中后期將無法起到自清潔的作用。

3 金屬閃光漆

作為金屬幕墻所使用的鋁塑板、鋁單板均使用PVDF氟碳涂層。由于金屬閃光漆有著亮麗的光彩，因此被廣泛的采用。如果涂料援用大顆粒的金屬顏料，必須增加罩面清漆。另外由于PVDF對紫外線沒有吸收作用，故需要在底漆之上增加隔離涂層，通常是含金紅石氧化鈦的PVDF（70%）氟碳涂層，或者能有效的提高底漆的耐候性，從而采用三涂或四涂系統(tǒng)。因為金屬顆粒容易被氧化，尤其是對紫外線隔離能力很弱[4]。

圖5 樣品附著力（劃格法）測試結(jié)果照片

有企業(yè)宣稱通過對鋁銀漿進行改性，改善其耐腐蝕性與紫外線阻隔性，從而由四涂體系變?yōu)閮赏浚纱蟠鬁p低成本。該涂料用于鋁塑復(fù)合板后，通過了GB/T 17748-1999的要求（老化時間為2000h，修訂后的2008版老化時間為4000h），但安裝上墻5年后，面漆發(fā)生了嚴重的剝落，涂層的附著力經(jīng)檢測為5級（劃格法），具體見圖5。利用DSC、掃描電鏡（SEM）、FT-IR等分析手段對該樣品進行了表征，分析發(fā)生剝落的原因。

圖6 樣品面漆DSC譜圖

圖7 樣品面漆背面（a）與底漆表面（b）的SEM照片

圖8 底漆的FT-IR譜圖

3.1 實驗儀器

DSC（TA Q100，美國），掃描電鏡（日立S-4700，日本）、FT-IR（尼高力Nexus670，美國）。

3.2 結(jié)果與討論

對該涂層的面漆通過DSC測試其熔點，譜圖見圖6。按照GB/T 23443-2009附錄A的方法，測試出其PVDF含量為95%以上，表明面漆中的聚丙烯酸酯已經(jīng)完全光促裂解。而非金屬閃光漆的PVDF涂層體系由于顏填料對紫外線的阻隔作用，僅僅是涂層表面的聚丙烯酸酯遭受光促裂解，表面下的涂層仍然受到顏填料及PVDF的保護，紫外線無法穿透來導(dǎo)致內(nèi)層的聚丙烯酸酯的光促裂解[5]。而該樣品面漆中的聚丙烯酸酯已完全裂解，說明紫外線已穿透了整個面漆。

圖7為面漆的背面與底漆表面的SEM照片。可以看出，由于PVDF的存在，面漆并沒有明顯的粉化現(xiàn)象，但由于聚丙烯酸樹酯的完全裂解，導(dǎo)致涂層背面出現(xiàn)了許多微小的孔隙。而底漆由于受到透過面漆的紫外線的輻照，已經(jīng)嚴重粉化。即由于面漆中提供附著力的聚丙烯酸酯的完全裂解和底漆的嚴重粉化，導(dǎo)致了面漆與底漆的層間附著力基本喪失，最終導(dǎo)致了面漆的嚴重剝落。

圖8為底漆的FT-IR譜圖。1729cm-1為C=O的主要特征峰，1161 cm-1為CH3-O-C=O的特征峰[6]，該底漆應(yīng)當(dāng)為加入少量PVDF的聚丙烯酸酯，加入PVDF的作用主要是提高與面漆的附著力。由于沒有施加隔離漆，也沒有有效提高底漆的耐候性，導(dǎo)致了底漆的嚴重粉化。

4 結(jié)論

熱反射涂料的長期節(jié)能性需要通過先老化然后戶外曝候的方式進行耐沾污試驗后，才能得出客觀的評價，熱反射氟碳涂料優(yōu)勢明顯。GB/T 9750與實際情況相差較遠，對金屬漆不適用，需要研究新的標(biāo)準(zhǔn)條件下的模擬試驗方法。

自清潔氟碳涂料自清潔能力的耐候性需要實驗進行驗證，其耐老化時間如果遠小于氟碳涂料的服役時間，則沒有太大意義。需要研究具有與氟碳涂料耐候性基本相當(dāng)?shù)谋砻孀郧鍧嵓夹g(shù)。

金屬閃光氟碳涂料必須采取有效地措施防止底漆粉化，目前最有效的是施加一層隔離漆。自然環(huán)境中的老化機理與人工老化有一定程度的不同，不施加隔離漆，金屬閃光漆在服役過程中易發(fā)生底漆粉化造成面漆剝落。

眾多功能型氟碳涂料環(huán)境失效案例的經(jīng)驗和教訓(xùn)說明了此類建筑材料環(huán)境適應(yīng)性的重要性。及時、系統(tǒng)和充分開展建筑材料的環(huán)境試驗是提高建筑材料耐久性和使用壽命的必由之路，這同時也是綠色建筑材料國家重點實驗室與建材行業(yè)建筑構(gòu)件及材料環(huán)境條件與環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的一項長期的任務(wù)。

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