交联固化型氟碳漆与丙烯酸聚氨酯涂料性价比较

现代的防腐涂装中,尤其是室外钢结构和混凝土等表面的防腐涂装中,交联固化型的氟碳漆和脂肪族的羟基固化型(-NCO/-OH)聚氨酯涂料均获得了广泛的应用,并取得了良好的使用效果。尤其是交联固化型(双组分溶剂型)氟碳漆显示出卓越的防护性能。近来,一些客户针对这两种涂料在性价比上究竟存在多大的差异以及在具体的防腐工程上选择哪种涂料更为合适等问题仍模糊不清。因此,笔者针对这些问题,从理论、试验以及具体工程实践来找出它们的差异,仅供有关用户参考。

1 两种涂料的简介
这里所说的聚氨酯涂料是一种双包装羟基固化型涂料,以含羟基(-OH)的聚酯、聚醚、醇酸树脂、丙烯酸树脂等树脂为A组分,为含异氰酸酯基(-NCO)的加成物或予聚物B组份。二者分开包装,使用前按一定比例混合而成, 通过( -NCO) 与(-OH)的反应而固化成膜。因在分子结构中含有氨基甲酸酯的重复链节,这样的高分子化合物称为聚氨基甲酸酯树脂,简称聚氨酯树脂。脂肪族羟基固化型聚氨酯涂料在室外防大气老化及耐化学介质腐蚀环境中获得了广泛的应用。其中尤以脂肪族羟基丙烯酸聚氨酯涂料性能更为突出,应用更为广泛。该涂料因其涂层中含有大量的氨基甲酸酯键、酯键、醚键、不饱和油脂双键、缩二脲键、脲基甲酸酯键等,因此,涂层具有多种优异性能:
(1) 物理机械性能好,涂膜坚硬、柔韧、光亮、丰满、耐磨、附着力强;
(2) 耐腐蚀性能优异,涂膜耐油、耐酸、耐化学药品和工业废气;
(3) 电气性能好,宜做漆包线漆和其它电绝缘漆;
(4) 施工适应范围广,可室温固化或加温固化,节省能源;
(5) 能和多种树脂混溶,可在广泛的范围内调整配方,配制成多性能、多品种的涂料产品,以满足各种通用的和特殊的使用要求。
总之,聚氨酯涂料综合性能良好,已在木器、地板、飞机、汽车、机械、电器、仪表、塑料、皮革、纸张、织物、石油化工、轻工、铁道车辆等涂装中获得了广泛应用。
交联固化型氟碳涂料系采用三氟氯乙烯(或四氯乙烯)、乙烯基烯酸、乙烯基醚及乙烯基烷烃的四元共聚物(亦称FEVE树脂)做成膜物质,采用脂肪族HDI缩二脲做固化剂于常温下交联成膜,是一种常温交联固化的双组分包装的涂料,其分子结构及每个单元所起的作用如图1所示。

从图1分子结构可以看到,乙烯基醚与氟烯烃单元的交替连接决定了其高耐候性、高化学稳定性;通过引入烷烃基官能团,使含氟共聚物可溶并具有一定的硬度、柔韧性等良好的机械性能;通过引入羧基官能团,使其与颜填料、基材或其它漆膜之间有良好的相容性、润湿性及附着力等;通过引入了适量的羟基(实际上就是一种含羟基树脂),常温下它也可以与异氰酸酯发生交联反应,生成网状立体大分子,因而使氟碳涂料常温下固化成为可能。交联固化型氟碳涂料在某些性能上虽然不如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等热固化成膜涂料,但因其分子结构中引入了烷烃基、羧基和羟基等官能团,使其具有了常温下可溶、可固化等性能,因而扩大了其应用领域和使用范围,尤其是使这种具有优异性能的涂料大规模应用于工程领域内成为现实。与其它涂料相比,它具有如下突出优点:
(1) 超长的耐候性,人工老化时间超过5000小时,耐久寿命长达20年以上,是传统涂料的3~10倍;
(2) 优良的耐化学介质侵蚀,涂层由于具有很高的交联密度,涂层的孔隙率极低,抗渗性优异,几乎所有酸、碱、有机溶剂等均不能透过,是传统涂料的4~6倍;
(3) 防污性好。交联固化型氟碳涂料所形成的涂层,具有表面能低,摩擦系数小和不粘的特点,灰尘污物很难附着,容易清洗,雨水冲洗后可亮丽如新;
(4) 阻燃性好。交联固化型氟碳涂层具有阻燃性,其极限氧指数高达95%,阻燃温度高达300℃;
(5 ) 适应性强。交联固化型氟碳漆涂层能在-40~100℃温度范围内正常使用,能抵抗严寒酷暑和干湿交替的复杂环境;
(6) 涂层附着强度高。由于氟树脂分子中引入了羧基等活性基团,因而对不同基面具有极强的附着力,采用不同底、中间漆配合可形成各种附着牢固的配套体系;
(7) 施工性能好。与其它溶剂型涂料一样,可采用刷、喷、滚等各种方法涂覆;
(8) 装饰性优良。交联固化型氟碳漆的优异的装饰性能为建筑设计的创意和完美实现提供了条件,其涂膜高贵典雅,表面细腻光滑,色泽均匀一致,颜色多达上千种。
除此以外,交联固化型氟碳漆膜还具有良好的抗静电和防辐射性能。
从上所述可以看出,虽然在分子结构上交联固化型氟碳漆仍然属于聚氨酯漆,它和脂肪族聚氨酯涂料均具有良好的防腐性能,但二者在防护寿命上却存在相当的差距,交联固化型氟碳漆的性能要远优于聚氨酯漆的性能。以下从理论、试验以及工程实践等方面,对二者的差异进行分析。

2 理论分析
2.1 涂层的交联(固化)机理
(1) NCO/OH型双组分聚氨酯涂料1:
涂层交联过程中主要化学反应是-NCO基和-OH基反应,所形成的氨酯键在催化剂的存在下,其氨酯键中的仲氮原子上的活泼氢还会和过量的-NCO基反应生成脲基甲酸酯键。在一定的条件下,这一反应还可以迅速发展下去,直到耗尽残留的-NCO基,其反应如下:

通过上述反应,可以看出,NCO/OH型双组分聚氨酯涂料的固化是多种化学反应的结果,生成了不同的化学键,使涂膜兼有多种结构,从而获得了各种良好性能。
(2)交联固化型氟碳漆2:
涂层的交联反应与NCO/OH型双组分聚氨酯涂料相类似,即氟碳树脂中的-OH基与脂肪族HDI缩二脲中的-NCO基反应而交联成膜。

2.2 性能差距的理论分析
从上述两种涂料的交联反应可发现,两种涂料交联机理相同,均是采用-NCO基和-OH基的化学反应。但交联固化型氟碳漆交联后分子结构中含有F元素和C-F化学键,现引用一些数据来说明含有这样的化学键和元素的重要性,见表1。

从表1中的数据可以看出,C-F键的高键能是氟碳漆作为高耐候性涂料的基础:
C-F键能(484kJ/mol)>Si—O键能(422kJ/mol)>C-H键能(410kJ/mol)>C—C键能(368kJ/mol)>C-O键能(357.5kJ /mol)>C—N键能(304kJ/mol)
阳光中紫外线波长为220~400nm,220nm波长的光子的能量为544kJ/mol,只有小于220nm的光子才能使氟碳漆的C-F键破坏,而阳光中小于220nm的光子比例很小,因此,阳光几乎对氟碳漆
没有影响。从表1中的数据还可看出,氟原子的原子半径较小,仅小于氢原子,而电负性最大,因此其漆膜结构致密,在化学上突出表现出高度热稳定性和化学惰性。羟基丙烯酸聚氨酯涂料,因分子结构中所含的化学键是C-C、C-O、C-N等化学键,与C-F键相比,其键能小,所含无素的原子半径均较F原子大,而电负性又比F原子小,因此,涂膜的耐候性、耐化学介质腐蚀性及其它性能均比氟碳漆差,其原因就在于此。

3 试验数据
为验证常温固化性氟碳漆和脂肪族羟基丙烯酸聚氨酯涂料在性能上所存在的差异,进行了天然暴晒和挂片、人工加速老化、耐盐雾、耐10%硫酸浸泡、10%氢氧化钠浸泡、NO2气体、HCl气体及SO2气体试验,其结果如表2至表10所示:

3.1 天然曝晒试验
天然暴晒试验结果见表2、表3。


3.2 人工加速老化试验(大连振邦公司数据)
对表3所列的两种配套体系(序号1、2)进行了人工加速老化试验,如表4所示。

从表4中的数据可以看出,配套涂层2(氟碳漆配套体系)与配套1(丙烯酸聚氨酯涂料配套体系)相比,具有更突出的耐候性能,经过3456小时的人工加速试验,涂层保光率仍在90%以上。
3.3 耐盐雾试验
耐盐雾试验结果见表5。从表5数据可以看出,常温固化型氟碳漆比丙烯酸聚氨酯涂料具有更好的保光性能和耐盐雾性能。

注:0级表示无泡、无粉化、无锈;1S2表示板面有几个正常视力下的可见小泡;4S2表示有较多数量的可见小泡。
3.4 耐化学介质浸泡性能
耐化学介质浸泡性能见表6、表7。

3.5 气相腐蚀试验
气相腐蚀试验结果见表8、表9、表10。

3.6 结论
通过人工加速老化、天然曝晒、耐盐雾、酸碱浸泡以及酸性气体的气相试验,氟碳涂料与丙烯酸聚氨酯涂料相比,显示出最佳的防腐性能,是一种新型超耐久的重防腐涂料。

4 经济评价
交联固化型氟碳漆与常规防腐涂料比较,虽然单位价格较高,但由于具有优异的防腐性能,大大延长了使用年限,减少了维修次数,从综合效益评定,选用交联固化型氟碳漆作室外钢结构和设备的外涂层是适宜的。现将交联固化型氟碳漆与常用防腐涂料经济评价见表11。

由表11数据可见,尽管首次涂装采用氟碳漆配套体系涂料费用较高,但其防腐寿命高达20年以上,而其它涂料在20年间需维修多次,单从涂料费用计算(检修时人工费,停产损失费还没计算),选用氟碳漆的配套体系是经济合理的。
综上所述,交联固化型氟碳漆的性能要远优于丙烯酸聚氨酯漆,其综合性价比是最佳的,就目前来讲,是用于暴露于大气环境下的钢结构及混凝土表面防护涂装的最好的面漆。

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