高耐候弹性乳胶涂料的研究开发

高耐候弹性乳胶涂料的研究开发

高彤1,孟繁中2,赵兴顺3
(1.吉林建筑工程学院,吉林长春130021;2.吉林省肿瘤医院,吉林长春130021;3.大连振邦氟涂料股份有限公司,辽宁大连116000)

弹性涂料不仅具有普通涂料的保护和装饰作用,而且具有防水和遮盖裂缝功能。弹性涂料涂膜通常能遮盖一些毛细裂缝,如抹灰砂浆在硬化时,由于体积减缩而产生的硬化裂缝;温度变化时,由于热胀冷缩而产生的温度裂缝;干湿变化时,由于湿涨干缩而产生的干缩裂缝;冻融时,由于水结冰体积膨胀而产生的冻融裂缝等。因此,弹性涂料尤其建筑行业用弹性涂料的需求比整个涂料工业增长要快得多,这促使一些生产商加快扩能和拓展新的应用。用于建筑行业包括用于墙壁、门和房顶覆盖的弹性涂料已有10 多年历史。据Frost &Sullivan 公司分析,美国拥有约200 家弹性建筑涂料供应商,2004 年市场销售额增长约8%,达到6.2 亿美元。到2011 年,预计需求的年增长率为10%,2011 年将达到12 亿美元。而此期间内涂料工业年均增长率为2.5%。

弹性涂料于20 世纪90 年代末被引入到中国市场,随着建筑节能的强制推行,以及外墙外保温系统尚无法避免的开裂现象,推动了弹性涂料的快速发展。短短数年间,弹性涂料已成为应用最广泛的外墙涂料之一。也成为国内各公司及诸多学者研究、开发的热点[1-3]。传统弹性涂料通常采用丙烯酸乳液作为基料,其耐久年限不足10 年,不能满足高端市场的要求。本研究目的是开发一种具有优异耐久性的弹性涂料。

1 实验部分
1.1 主要原料
水性氟碳乳液(F500-1、F500-3、F500-4),大连振邦氟涂料股份有限公司;纯丙弹性乳液(BA-205),北京东联化工有限公司;弹性乳液(4700),国民淀粉公司;弹性乳液(AP-5086),上海昭和高分子有限公司;涂料助剂、颜填料,均为市售。

1.2 高耐候弹性涂料的参考配方(见表1)

1.3 性能测试方法
涂料性能按JG/T 172—2005《弹性建筑涂料》规定的方法进行测试。

2 结果与讨论
2.1 乳液的选择
本研究选用大连振邦氟涂料股份有限公司的F500 系列氟碳乳液作为成膜物之一,来提高涂料的耐候性。表2 列出了该系列3 个牌号乳液的主要性能指标,其中F500-3 的玻璃化温度较低,虽有利于赋予涂膜弹性,但会降低涂膜的耐沾污性。F500-1 虽然有较高的玻璃化温度,但其氟含量为(12±1)%,与弹性乳液混拼后,提高涂料的耐老化性比较有限。而F500-4 不但具有较高的玻璃化温度,还具有较高的氟含量,对提高涂料的耐沾污性、耐老化性均有好处,因此选择F500-4 作为成膜物之一制备高耐候弹性水性涂料。

玻璃态、弹性态、粘流态是聚合物所特有的力学行为。当高聚物在其玻璃化温度(Tg)以下时,处于玻璃态,变成坚硬的固体,没有弹性。当高聚物在其玻璃化温度以上、粘流温度(Tf)以下时,处于橡胶态,这时聚合物的分子呈现高度卷曲,而分子间力又较弱,在外力作用下易变形,除去外力后,形变消失,具有高弹性。弹性涂料就是基于高聚物的这一力学性能而制成的,因此弹性乳液的选择尤为重要,尽量选择Tg~Tf 范围宽的乳液,以确保涂料的使用温度在此区间。
目前市场上弹性乳液较多,本研究主要对3 种产品即国民淀粉4700、上海昭和高分子AP-5086、北京东联化工BA205 等弹性乳液进行评价,乳液的主要技术指标见表3。

弹性乳液AP-5086 的Tg 略高,BA205 和4700 的Tg 较低。从它们与F500-4 按1∶1 混合所成膜的低温柔韧性来看,AP-5086/F500-4 所成膜的低温柔韧性不及另外2 种混合乳液膜(见表4)。而相同条件下用4700/F500-4 混合乳液制备的涂料耐沾污性略差于使用BA205/F500-4 混合乳液制备的涂料(见表5),这可能是由于4700 采用亲水涂层的技术与氟聚物具有疏水性相互抵消的缘故。因此,最终选用北京东联化工的弹性乳液BA205 作为涂料的另一种成膜物。

2.2 氟碳乳液与弹性乳液的比例选择
表6 列出了以不同比例氟碳乳液与弹性乳液为基料所制备涂料的2 项主要性能。
表6 不同比例复配乳液为基料制备的弹性涂料主要性能

注:涂料的PVC 为25%。
从表6 可以看出,随着氟碳乳液用量的增加,涂料的耐人工老化性显著提高,当用量达到配方量的20%时,涂料的耐人工老化性提高约1 倍。而涂膜的低温断裂伸长率随着氟碳乳液用量的增加明显降低,当氟碳乳液用量与弹性乳液用量相当,即达到25%时,涂膜的低温断裂伸长率已低于JG/T172—2005 标准规定的要求。

2.3 颜料体积浓度(PVC)对涂料性能的影响(见表7)
表7 颜料体积浓度(PVC)对涂料性能的影响

由表7 可见,随着涂料PVC 的降低,涂料的低温断裂伸长率提高,当PVC 降低到17%时,低温(-10 ℃)断裂伸长率达到51%。而涂料的耐沾污性随着PVC 的降低而降低,这是由于涂膜是一个由有机聚合物和颜、填料组成的复合材料体系,在相同玻璃化温度的条件下,降低PVC 就是增加聚合物的相对含量,降低了涂膜硬度,导致涂膜的耐沾污性下降。

2.4 高耐候弹性乳胶涂料的性能
经试验,最终确定涂料的基料采用高氟含量、高硬度的F500-4 乳液与高弹性丙烯酸乳液BA205 按1∶1 的质量比混拼,涂料的PVC 为20%,配制成的涂料按照JG/T 172—2005进行了全项检测,结果见表8。测试结果表明,该涂料具有良好的耐水性、耐碱性、耐沾污性、弹性以及优异的耐人工老化性。
表8 高耐候弹性乳胶涂料的性能检测结果

3 结语
(1)高氟含量、高硬度的F500-4 乳液与高弹性丙烯酸乳液BA205 混拼适合作为高耐候弹性涂料的成膜物。
(2)随着氟碳乳液用量的增加,涂料的耐人工老化性显著提高,而涂膜的低温断裂伸长率明显降低;随着涂料PVC 的降低,涂料的低温断裂伸长率提高,当PVC 降低到17%时,低温断裂伸长率达到51%;涂料的耐沾污性随着PVC 的降低而降低。
(3)以高氟含量、高硬度的F500-4 乳液与高弹性丙烯酸乳液BA205 按1∶1 的质量比混拼作为基料,涂料的PVC 为20%,配制成的涂料具有良好的耐水性、耐碱性、耐沾污性、弹性,及优异的耐人工老化性。

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