外墙涂料的耐候性研究黄莹叶亮杨卓如(华南理工大学化学工程研究所广州510640)

外墙涂料的耐候性研究

黄莹叶亮杨卓如

( 华南理工大学化学工程研究所广州 510640)

摘要 : 在对影响外墙涂料涂膜老化的因素进行分析的基础上 , 概述了研究外墙涂料耐候性的各种方法 , 探讨了影响涂料耐候性的因素 , 着重讨论了所用基料和颜料对外墙涂料的影响。

关键词 : 外墙涂料耐候性基料颜料

外墙涂料的耐候性即户外耐久性 , 是指暴露在室外环境条件下外墙涂料的力学性能如模量、强度、粘结性、保色保光性等可能的变化程度 , 和是否发生脆化、粉化、变色、失光、剥落等现象。外墙涂料的主要功能是保护和装饰 , 涂膜必须能维持到下次更新 , 且能保持良好的视觉效果 , 因此 , 耐候性就显得十分重要。目前 , 我国外墙涂料一般要求耐候 8 年～ 10 年以上。

引起涂膜老化主要有物理性、化学性和物理化学性三种作用形式 , 它们使涂料性能变劣和发生应力收缩而导致破坏。光引发氧化降解和水解是两种主要的户外降解过程 , 它们常常同时进行 , 有时甚至相互促进 , 加速涂膜的破坏。

日光中短波长的紫外线具有很大的能量 , 涂料中的粘结剂分子吸收紫外光而被活化 , 与氧分子结合 , 形成过氧化物 , 进行连锁反应 , 使树脂降解 ; 直接与杂原子相连的芳香基团如芳香族聚氨酯涂料和双酚 A 环氧树脂可吸收 290nm 以上的 UV 光而直接光裂解 , 产生自由基 , 参与氧化降解。前者容易使涂料严重变黄 , 后者则会加速涂料粉化。因此 , 从涂料的组成来看 , 应尽量不使用或少使用下列类型的树脂 ; ①能吸收 290nm 以上波长 , 尤其是短波长可见光范围的树脂。②有易被夺氢原子的树脂。③含易水解官能团的树脂。实际中 , 一般是加紫外光吸收剂、激发态猝灭剂和抗氧剂来提高涂料的光稳定性。水分则不仅会使涂膜溶胀起泡 , 加速光氧化降解 , 还会导致官能团的水解 , 水解程度一般为 : 酯 > 脲 > 氨基甲酸酯。酸性水滴接触到涂料涂膜表面 , 还可能造成酸蚀。此外 , 高湿度还会降低涂膜的附着力 , 使涂膜溶胀等而导致涂膜变性破坏。可见 , 涂料的基料、颜料、溶剂 ( 溶剂型涂料 ) 、助剂及施工条件等都会影响涂料的耐候性 , 下面将分别讨论。

1 耐候性试验方法

耐候性是外墙涂料最重要的性能之一 , 但也是涂料生产中最难把握的技术指标之一 , 目前研究涂料的耐候性主要有三种方法。

1 . 1 天然曝晒试验法

影响天然曝晒试验结果的主要是试验板的定向和试验板上涂膜的地理取向 , 目前广泛使用的是朝南 45 °曝晒[ 1 ] , 可同时选择几个不同气候的地区进行试验。此外 , 曝晒季节的影响也很大。例如 , 对于自干型涂料 , 若春季曝晒 , 涂膜尚未完全固化时就遭受到温差的急剧变化而变形 , 紧接着在夏季又受到紫外光的强烈照射和大量雨水的冲刷、侵蚀 , 进一步造成破坏。而在秋季曝晒 , 气温较平稳 , 日光强度逐渐下降 , 使涂膜有一段逐渐坚硬的过程 , 可为来年的大气破坏作用做好充分的准备 , 一般来说 , 对样板的破坏顺序是 : 春 > 夏 > 冬> 秋。

1 .

2 户外加速老化试验法

仪器的主要结构是一个随着太阳运动而旋转的框架 , 架上安装十块 150mm × 1500mm 的高抛光特制铝镜, 每面镜子都将太阳光线以 90 °角反射集中到一条 150mm × 1500mm 的样品架下 , 架上还装有鼓风管 , 以模拟朝南 45 °角曝晒的情况 ; 样品架上还设有喷水管 , 夜晚向涂膜表面周期性喷射蒸馏水以进一步加速老化过程。

1 . 3 人工老化试验法

人工老化试验是将待测试样在一定条件下暴露于光谱功率分布已知的光源下 , 一段时间后检测样品性能的变化 , 从而相对比较或大致判断此材料在自然气候条件下使用年限。仅占太阳光能量 4 % 的紫外线是破坏许多材料的主要因素 , 如不饱和聚酯与苯乙烯共聚物在 325nm 波长辐射下很快变黄 , 聚氨基甲酸酯等在 330nm ～370nm 处出现老化 , 因此人工老化试验的主要影响因素是光源 , 关键在对日光的模拟性上。目前人工老化试验采用的光源有碳弧灯、紫外灯、氙弧灯和高压水银灯等 , 但都还存在一定的缺陷。

此外 , 还可利用高敏感度的仪器来检测涂料降解的起始点 , 如用扫描电子显微镜 (SEM) 观察表面物理变化, 用 X 射线光电子谱 (XPS) 和衰减全反射傅里埃红外光谱 (ATR -FITR) 分析检测涂膜表面的组成和结构的变化 , 用顺磁共振光谱仪 (ESR) 检测涂料中可能的自由基浓度等 , 以对涂料的早期降解进行分析。

其中 , 天然曝晒虽接近实际 , 但试验时间太长 ; 人工老化法试验时间较短 , 试验条件可以控制 , 所以广泛用于常规检验 , 我国 GB/ T9153 -88 合成树脂乳液砂壁状建筑涂料 , GB/ T9755 -1995 合成树脂乳液外墙涂料, GB/ T9757 -88 溶剂型外墙涂料, GB/ T9779 -88 复层建筑涂料, GB/ T10222 -88 外墙无机建筑涂料五类外墙涂料标准均以人工老化指标来评定耐久性[ 2 -3 ] 。当把被测涂料与已知耐候性涂料在同一仪器中做比较时较为有效 , 但人工老化无法真实模拟自然老化条件 ; 即使最好的老化仪也只能自动测试、反馈某波长的辐照度 , 而无法测试光源的辐照度 ; 测试仪器、操作条件、喷淋水的差别 , 进而导致不同实验室测试结果相差甚大 , 几乎不具有可比性。Zeno W. Wicks [ 4 ] 等人指出 , 已发现了许多实验室人工老化结果与实际情况相反的例子 ; 据虞兆年先生报道[ 5 ] , 一个用日光型碳弧灯老化仪能照射 2000 小时的涂膜 , 在黄梅雨季一个月就破坏了。因此, 单以人工老化指标来评定涂料耐候性是不充分、不可靠的。世界各国已认识到了这个问题 , 并采取了相应措施。如 1995 年版日本标准 J IS K5663 合成树脂乳胶涂料 , 增加了十二个月的自然曝晒项目 ; 德国是自然曝晒和人工老化相结合 , 自然曝晒为主 ; 美国 ASTM D5324 -92 水性建筑涂料和 ASTM D3129 -92 乳胶漆则主要是根据自然曝晒评定耐候性 [ 6 ] 。可见 , 以自然曝晒为主 , 人工老化为辅 , 两者相结合已成为先进国家的较通用做法和发展趋势。

2 基料的选择

基料本身的耐候性 , 对紫外线的吸收能力 , 在空气中的蒸发作用 , 亲水或水溶性成分的存在 , 对颜料的润湿能力等都影响着涂料的耐候性。目前我国外墙涂料常用的有丙烯酸酯系列乳液、 VAE 乳液等。氯偏乳液耐黄变性能差 , 用量已有所降低 , 聚醋酸乙烯乳液耐水性不良 , 多用于内墙涂料。丙烯酸酯系列乳液涂膜的物理性能十分优异 , 适用范围很广 , 且不使用外增塑剂 , 没有因外增塑剂逸失而使涂膜变脆的问题。其中 , 纯丙乳液的耐候性最好 , 醋丙乳液则因易产生粉化 , 而使它的耐候性受到影响。总体来说 , 纯丙乳液的耐候性最好 , 纯丙、苯丙、硅丙、有机硅乳液都是耐候性较好的基料。如 1969 年 , 在德国路德维希港建筑的一幢建筑物 , 采用苯丙乳液外墙涂料装饰 , 已近 30 年还相当好[ 7 ] ; 上海市建四公司办公楼采用 SB -1271 苯丙乳液外墙涂