耐沾污FEVE氟碳涂料的研制

0 引言
近年来,在建筑物、桥梁上以氟碳涂料为代表的高耐候性产品应用越来越广泛,但建筑物表面污迹附着的问题却一直没有很好地被解决。建筑物表面污渍严重,将导致其景观效果欠佳、资产价值下降,地方政府或业主单位的形象也会因此而受到影响。在涂料领域,“拒水性的涂膜不易附着污迹”是主流的认识,但是,本文中所涉及的耐沾污氟碳涂料却是利用了相反的原理,是一种具有亲水表面的耐沾污FEVE 氟碳涂料。

1 常规FEVE 氟碳涂料的耐污染性
在很多人心目中,FEVE 氟碳涂料的耐污染性应该是非常好的,有些涂料公司在产品推广时也会着重强调这一点,并常常以“特氟隆”、“不沾锅”为例来加以说明。然而事实并非如此,无论从实验室数据还是现场实例考察结果来看,常规FEVE 氟碳涂料的耐沾污性能未必强于聚氨酯涂料,主要原因如下:
( 1) FEVE 涂料并非“特氟隆”
“特氟隆”固然具有表面能低,耐沾污性强的特点,但它属于PTFE 涂料,即聚四氟乙烯涂料[1]; 而FEVE 的主要成膜物是氟烯烃/乙烯基醚或乙烯基酯的共聚物。为了保证FEVE 氟碳涂料的常温可固化性能与可复涂性,FEVE 树脂中引入了大量的乙烯基链节、烃基侧基和羧基侧基,在提高FEVE 树脂溶剂可溶性的同时,也使树脂体系的极性增加,与外界因素互动的几率提高,提高了制漆时对颜料的润湿性能,但成膜后也更加容易吸附污物,耐沾污性能也因此而下降[2]。FEVE 氟碳树脂羟值一般在50 ~ 60 mgKOH/g,交联密度低,成膜后铅笔硬度在H 左右,这对漆膜的耐沾污性而言也是不良因素。
( 2) 配套油漆对耐沾污性的影响
目前在重防腐领域,锌粉底漆+ 环氧云铁中间漆+ FEVE氟碳面漆已经成为一个经典的配套组合,环氧云铁中间漆中含有片状云母氧化铁防锈颜料,延长了腐蚀介质渗透的路径,提高了涂层的防腐蚀效果,其粗糙的表面有利于FEVE 氟碳面漆对它更好的结合,但也影响了最终面涂表面的平整度,方便了污物的停留、吸附[3]。
本文对常规FEVE 氟碳涂料与聚氨酯涂料进行耐沾污性测试,结果显示两者耐沾污指数接近,相对其他类型的涂料,常规的FEVE 氟碳涂料并没有表现出更好的耐沾污性能,结果见表1。

注: 耐沾污指数: 参照ASTM D3719—2000 进行测试,指数越高,耐沾污性越好。

2 耐沾污FEVE 氟碳涂料的设计
FEVE 氟碳涂膜的表面不可能保持绝对的平整,一旦上面有灰尘污物附着,如果没有被及时清除,那么后来的灰尘将从原来的涂膜/灰尘之间的附着转化为灰尘/灰尘之间的附着,由此越积越多[4]。增加涂料的交联密度、硬度,只能减缓污物的积累速度,使漆膜“易清洗”。要真正提高FEVE 氟碳涂料的耐沾污性能,就要改变FEVE 涂膜的表面特性,利用外来介质作用,使灰尘由底部直接从漆膜表面脱离,也就是我们所说的具有“自清洁”的功能[5]。

2. 1 耐沾污FEVE 氟碳涂料的设计思路( 见图1)

2. 2 空气中污染物种类
空气中的污染物,按形态可分为气态污染物和粒子状污染物。其中最容易对建筑物造成污渍的是粒子状污染物,粒子状污染物数量大、成分复杂,它本身可以是有毒物质或是其他污染物的运载体。其主要来源于煤及其他燃料的不完全燃烧而排出的煤烟、工业生产过程中产生的粉尘、建筑和交通扬尘、风的扬尘等,以及气态污染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物,按粒径大小分为飘尘和扬尘。

2. 3 亲水助剂的选择
耐沾污FEVE 氟碳涂料,应用的是亲水表面耐沾污的原理,即配方中选用了特殊的亲水助剂,施工以后能在较短的时间内使涂膜表面亲水化并长期保持,沉降在涂膜表面的砂土等亲水性污染物就很容易被雨水冲走,而亲油性污染物由于在亲水化表面无法很好地吸附,一旦受到雨水冲刷,也很容易从涂膜表面被清除,这样,就起到了利用雨水这一天然资源进行自我清洁的作用,使被涂物长期保持整洁美观的状态。从理论上讲,如果涂膜的水接触角低于90°,就能形成亲水性表面,可以被雨水润湿,接触角越小则润湿度越好,耐沾污的能力也越强。选择合适的亲水助剂是保证涂料具有良好的耐沾污能力的关键。理想的亲水助剂必须具有以下特征:
( 1) 能够迅速分布在涂膜表面;
( 2) 能在雨水作用下使漆膜产生亲水表面,亲水反应速度快。
亲水助剂与所使用的涂料体系要有合适的相容性。如果相容性太好,亲水助剂将均匀分布在整个涂膜中,不能迅速上浮到表面使其亲水化,因此就起不到耐沾污的效果; 如果相容性太差,则涂膜会产生缩孔、雾影等漆膜弊病,物理性能也会因此而下降。亲水助剂在配方中的加入量也要严格控制,过多或过少都会影响漆膜最终的物理化学性能及耐沾污能力[6]。亲水助剂在FEVE 涂料中的作用过程如图2 所示。

在配方设计时,本文先通过FEVE 氟碳树脂和亲水助剂的相容性测试,筛选出3 种合适的亲水剂,然后再将这3 种亲水剂分别加入用FEVE 氟碳树脂制成的清漆中,等涂膜干燥后浸泡在去离子水中使其加速亲水化,测试涂膜表面的水接触角,考察亲水助剂的亲水效果,结果如表2 所示。
从表2 可以看出,3#亲水剂在清漆中的表现最佳,所以将3 号亲水剂确定为耐沾污FEVE 氟碳涂料产品的亲水助剂。在上述实验基础上配制色漆并制备涂膜样板,经户外长期曝晒实验,考察配方实际的亲水自洁效果,从结果看,涂膜亲水化速度快、亲水程度高,自清洁效果明显。

用上海中晨数字设备有限公司生产的JC2000 接触角测量仪对普通FEVE 氟碳涂膜和耐沾污FEVE 氟碳涂膜进行接触角测试,测试方法按照ASTM D7490—2008,结果如图3 所示。

用美国Q - PANEL 公司的QUV/SPRAY 加速耐候实验机进行测试,测试方法按照ASTM G53—1993,保光性和耐候性数据如图4、图5 所示。

3 耐沾污FEVE 氟碳涂料生产工艺
本文所研制的耐沾污氟碳涂料的生产工艺是投料→前炼预混合→砂磨→排出→投入调和料→分散→调色→调整并中控检测→包装→成品检测→合格入库。

4 耐沾污FEVE 涂料性能
耐沾污FEVE 涂料性能如表3 所示。

5 耐沾污FEVE 氟碳涂料的耐沾污性能
5. 1 耐沾污指数的测定
评价漆膜的耐沾污性,主要参考ASTM D3719—2000,以对比耐沾污指数来评价漆膜的耐沾污性能。按照标准制备样板,养护7 d 后测定其L1值( 测3 点取算术平均值) ,将样板正面向上45°角在户外放置61 d,取下样板测量其L2值( 测3 点取算术平均值) ,按式( 1) 计算样板的耐沾污指数。

试验时的天气环境见图6,耐沾污测试结果如表4 所示。

5. 2 天然曝晒方法测试耐沾污FEVE 氟碳涂料耐沾污性能
在户外对常规FEVE 氟碳样板与耐沾污FEVE 氟碳涂料样板进行曝晒实验,对比两者的耐沾污能力见图7、图8。


从图7 可以看出,( a) 耐沾污FEVE 氟碳涂料表面亲水程度高,雨水呈水帘状流下,涂膜耐沾污性好; ( b) 常规FEVE 氟碳涂料表面亲水程度低,雨水呈水珠状,无法很好地清洁涂膜表面。
从图8 可以看出,耐沾污FEVE 氟碳涂料( 左) 耐沾污效果明显好于常规FEVE 氟碳涂料( 右) 。

6 结语
耐沾污氟碳涂料耐候性好,耐沾污性优秀,在日本已经有大量的大型工程案例,如,著名的来岛海峡大桥、舞州跨海大桥、多多罗大桥、舞鹤由良川大桥等大型桥梁。目前中国涂料市场相关氟碳涂料产品还鲜有应用,但是,耐沾污FEVE 氟碳涂料能使建筑物长期保持整洁、干净的外观,延缓腐蚀,降低清洁维护费用。其必将被市场所接受,获得更加广阔的应用前景。

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