高性能弹性外墙涂料配方设计及其影响因素

目前我国的建筑物多以水泥砂浆抹面为基层。抹灰砂浆在硬化时,由于体积减缩而产生硬化裂缝;温度变化时,由于热胀冷缩而产生温度裂缝;干湿变化时,由于湿涨干缩而产生干缩裂缝;冻融时,由于水结冰体积膨胀而产生冻融裂缝;基层沉降产生结构裂缝等,导致保护装饰涂层开裂,雨水随裂缝渗漏进入墙体,加深对建筑物的破坏,如钢筋锈蚀等危及建筑物。弹性涂料是指以合成树脂乳液为基料、与颜填料及助剂配制而成,施涂一定厚度后,具有覆盖基材伸缩(运动)产生细小裂纹的有弹性的功能涂料。弹性涂料具有以下性能:①在一定温度范围保持较高的弹性、韧性和伸长率,具有较好的防裂抗渗漏性;②优良的水汽渗透性,不会因湿气透过时引起的应力造成涂膜的起泡或剥离;③在紫外线辐射过程中有很好的抗二氧化碳扩散能力,从而使钢筋不受到腐蚀生锈;④耐沾污性。目前,很多产品难以做到弹性与耐污性、耐水性及附着力之间的平衡。以上这些性能可通过选择乳液,设计合理的颜料体积浓度(PVC),选择适当的原料来调节均衡。本文通过讨论弹性涂料的配方设计,探讨如何合理选择原材料,研究弹性涂料的弹性、耐沾污性、附着力和耐水性的主要因素。
 
1 配方设计
1.1 参考配方
弹性涂料参考配方见表1所示。
弹性涂料参考配方
1.2 配方PVC的设计
弹性平涂涂料因考虑到耐沾污性与耐水性的影响,PVC设计在30%~45%较好。涂料PVC低于30%,涂膜抗粘污性差,涂膜浸水易起泡;PVC大于45%,会影响弹性。弹性厚浆涂料(如弹性腻子、防水涂料)的延伸率考虑到涂料的强度等性能以及成本,PVC设计在50%~65%之间较为合适,此时厚浆涂料涂膜在硬度、抗污、耐水、附着力、涂膜强度等方面容易取得满意的结果。随着PVC的提高,延伸率下降。
1.3 漆膜性能测试结果
弹性涂料性能测试结果见表2所示。
弹性涂料性能检测结果
2 原料的选择
2.1 弹性乳液的选择
弹性涂料的组成关键是弹性乳液。弹性乳液聚合物的分子呈现高度卷曲,而分子间的力又较弱,在外力作用下易变形;除去外力后,形变消失,具有弹性。这是因为聚合物有三种状态:玻璃态、弹性态、黏流态,相应有两个转变点温度,Tg为聚合物玻璃化温度,是聚合物从玻璃态转化为弹性态温度;Tf是聚合物从弹性态转化为黏性流动态温度。

弹性乳液要求Tg~Tf有很宽的温度范围。高聚物在其玻璃化温度以下时,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时,处于橡胶态,此时所呈现的力学性能是高弹性。弹性乳胶涂料就是基于高聚物的这一力学性能而制成的,因此弹性乳液在较宽的温度范围内具有很好的伸长率、合适的抗拉强度和较好的回弹性(见图1)。

弹性涂膜的延伸及回复状态
为了改善漆膜耐沾污性,提高早期附着力,可用一些具有紫外线自交联性能的乳液,以及用无皂或核壳技术合成的乳液(见表3)。
常用的一些弹性乳液主要性能
有些乳液因包裹颜填料的能力差,对基材的附着力差,不能单独使用。如罗门斯2438、国民淀粉4800、巴德富9389等乳液,需与其他普通乳液拼用。拼用范围为1∶1~1∶4(见表4),随着普通乳液的加入,乳胶漆弹性降低,拉伸强度提高。
表4全弹性乳液和掺普通乳液的弹性乳胶漆延伸率和拉伸强度比较
全弹性乳液和掺普通乳液的弹性乳胶漆延伸率和拉伸强度比较
2.2 颜、填料的选择

颜、填料除考虑其耐老化性外,要求其易分散、吸油量低,粒径粗细搭配,所选用的颜填料通常为钛白粉、重钙、硫酸钡、滑石粉、绢云母及高岭土等。选择耐候性好的颜料,如金红石型钛白粉、铁系和酞菁系等,其化学稳定性和对紫外线稳定性高,着色力高,耐热性耐化学性好,铁系颜料价格又低廉。有机颜料的着色力强,明亮度大,色种多,但遮盖力低,价格昂贵。故在实际应用时,往往需要用无机颜料和有机颜料拼合,但要注意它们之间耐晒等级的配套性。在粉料的选择上,为了不影响弹性,要求选用吸水量较低的颜填料。制作外墙色漆时,宜尽量少用填料品种,尤其少用吸油量较大的粉料。
2.3 助剂的选择
2.3.1 润湿分散剂
弹性涂料生产水分有限,使用有限的液体分散高固体浆料,要想获得较低黏度,需要有良好分散剂、润湿剂,选用润湿能力强、降黏好、低泡的润湿剂,如低泡润湿剂下X-405、Hydropalat 140。分散剂则最好用疏水改性型如731A、P50等产品,改善漆膜早期的抗水性。
2.3.2 消泡剂

由于弹性厚浆涂料的高黏度及大量乳液、润湿分散剂等的使用,降低了涂料体系的表面张力,导致在生产时容易起泡与稳泡,使得涂料生产和使用中都会有气泡产生而给生产和施工带来不便和影响。气泡在涂膜中产生空洞、针孔、痱子、火山口等表面缺陷,因此需选用高效率的消泡剂如:SN154、SN345、BYK222等。但使用不当则会影响漆膜的干燥、缩孔、层间附着力及施工性。
2.3.3 增稠剂
增稠剂的选用要根据不同的施工及流平性要求而定,因涂料流动性与花纹定型相矛盾,提高涂料的触变行为,可获得不同造型效果的漆膜。如厚浆拉毛涂料要求涂料定型好,花纹整齐,常使用一些触变性较大的增稠剂如膨润土、高分子量纤维素、高触变性PU类(如UH-462、UH752),或丙烯酸增稠剂(如TH-30、TT-130、T-30),因此增稠剂选择很关键。纤维素与丙烯酸增稠剂和PU类搭配或丙烯酸增稠剂与PU类搭配,都可获得小花纹-大花纹的变化涂膜。用纤维素与丙烯酸增稠剂或膨润土搭配,触变性较大,涂料在施工后黏度恢复到原始的高黏度时间极短,为尖花纹。从涂膜抗水起泡性考虑,纤维素与丙烯酸增稠剂组合类耐水性较差。从生产工艺角度考虑,使用丙烯酸类或丙烯酸与PU类比较合理。
3 影响弹性涂料性能的因素
3.1 涂料的弹性
影响漆膜弹性的因素有乳液、PVC、漆膜厚度、使用时间等,随着时间的推移,弹性也会有所下降(见图2)。

不同PVC弹性乳胶漆QUV的延伸率
弹性涂料的弹性、遮盖裂缝、防水能力主要取决于弹性涂料本身的弹性和涂料干涂膜的厚度。干膜厚度对拉伸强度没有影响,对延伸率影响较大,随着干膜厚度增加,延伸率略有增加。干膜厚度对遮盖裂缝宽度作用成正比例关系(见图3)。普通弹性干涂膜厚度平涂在150-250um,厚浆型250-350um,拉毛花纹的厚度在250–450 um。要获得厚膜,涂料要求有很高的不挥发分(固含量65%以上),黏度调至75000~85000 mPa.s.
不同厚度的漆膜延伸率
3.2 涂膜沾污问题
一些建筑物的外墙弹性涂料涂刷后不久,就显得晦暗脏腻(见图4)。这是因为水性涂膜具有亲水性,涂膜内部结构不够密实,弹性涂层又软黏,所以灰尘脏物附着于涂膜表面后,就会在涂层毛细孔
力的作用下,以水气为介质被吸咐进涂膜表层,造成沾污,难以洗刷干净(见图5)。
未曝晒的样板(左) 与曝晒1年后的样板(右)耐污性比较
弹性涂料涂膜回黏吸附灰尘示意
涂膜弹性与耐污性是一对矛盾。要改善弹性涂料耐沾污性可通过:提高涂膜致密性,减少灰尘吸附;提高涂膜硬度,减缓涂膜软化。主要方法有:① 选择粒径较细、耐水性、耐污性较好、自交联的弹性乳液(如2848M、9389M、RC41-216),也可用普通乳液与弹性乳液(如2438、4800)搭配使用,在涂料中加入一定量的遮盖性乳液(如OP一62),也可提高涂膜抗积尘和抗压黏性。②选用一些软硬适中、粒径粗细搭配并且吸油量小、容易分散的粉料,使各种粉料更紧密地与乳液结合,使制得的弹性涂膜致密、平整、光滑。③选用高效适用的消泡剂消除涂料中的气泡,保证涂层的致密度和涂膜的平整度、光滑度。④使用抗沾污剂。抗沾污剂具有很低的表面能,加入涂料中能显著降低涂膜的表面张力,赋予涂膜一定的斥水性,同时使涂膜表面更为致密。当污染物附着于涂膜上时,涂膜产生的斥水性防止了污染物的沾染和随水气向膜内渗吸。⑤ 施涂罩光漆。在弹性涂层上再施涂一道罩光漆, 以进一步提高整个涂层体系的抗水性和耐沾污性 。

3.3弹性建筑乳胶漆的附着力
弹性乳胶漆的涂膜有时能被成条成片地撕下来,原因是弹性乳胶漆涂膜的拉伸强度高于弹性乳胶漆的黏结强度。为了提高弹性乳胶漆涂膜的附着力,可通过提高配方的PVC(见表5)、水汽渗透性或
使用封闭底漆来封闭基层,也可尝试在某些苯丙弹性乳液中加入一定量的硅溶胶,制成无机一有机复合底漆,使渗透与粘合得到统一。现在比较好的做法是用溶剂型底漆或阳离子型底漆配套弹性面漆。
不同的PVC的漆膜的附着力、抗水性
3.4 弹性涂料施工
弹性涂料施工前,必须确认基层含水率小于10%、pH<10;如基层较松,可以采用加强型封闭底漆;外墙腻子必须有足够的粘结强度;腻子打磨后,必须将灰尘清除,保证涂刷后24 h不受雨淋,
并根据温度、湿度、雨水等情况及施工计划进度,妥善安排好现场管理工作。

4 结语
弹性涂料具有良好的抗裂防渗漏性能,可以对建筑物起到良好的装饰和保护作用,但是弹性涂料配方设计时在原材料的选择上需要平衡弹性涂膜的弹性、防水、透气和耐污性问题,克服脱气消泡困难,同时重视弹性涂料的施工。只要供方和施工方密切配合,就能减少或避免种种缺陷的出现,确保弹性涂料涂装工程保质保量地顺利进行。

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