对建筑涂料而言,耐洗刷性是其非常重要的一项技术指标。目前,国内执行耐洗刷性测试的现行标准为GB/T 9266—2009《建筑涂料 涂层耐洗刷性的测定》。但在实际应用中,行业内对此方法的测试结果存在着较大争议,其实验数据缺乏重现性和可比性,给质检人员和相关研发人员的工作造成了一定困扰,因为无法判断产品耐洗刷性发生变化的原因是配方设计某一组分的改变,还是测试过程中的不确定因素。
耐洗刷性测试方法的原理为:加载了一定负载的猪鬃刷以37次/min的速度在待测试的涂层表面做往复运动,观察涂层是否漏出底材或涂层刚好破损至露出底材时的洗刷次数。影响涂层耐洗刷性的因素较多,若想得到重现性和可比性高的试验结果,至少需保证两点:(1)制备一致性非常好的涂层;(2)试验时所有的试验参数都必须一致。
为了尽可能全面分析影响涂层耐洗刷性的因素,本文选用了国内某知名品牌标识为一等品的内墙涂料,采用标号为100 μm的线棒涂布器制备涂层,然后在实验室标准条件[(23±2)℃,(50±5)%]下养护7 d。测试仪器选用双工作轨道的BGD 528 多功能耐湿擦洗仪。
1 实验部分
1.1 主要原材料与仪器
RS 003 净味高遮盖内墙乳胶漆:市售。
BGD 528多功能耐擦洗仪、BGD 212 线棒涂布器(100 μm)、BGD 516/3 智能光泽度仪:标格达精密仪器(广州)有限公司;LK-106电脑式伺服拉力试验机:东莞市力控仪器科技有限公司;SRT-6210 表面粗糙度仪:广州兰泰仪器有限公司。
1.2 实验过程
用标号为100 μm的线棒涂布器将涂料样品用人工涂布或者自动涂膜机涂布在不同类型的基材上,在标准的实验室条件下养护7 d。将养护好的样板,用BGD 528 多功能耐擦洗仪按照GB/T 9266—2009进行耐洗刷性测试。当试验样板被洗刷过的中间长度100 mm区域的涂层出现破损露出底材时,记录洗刷次数作为该试验样板的耐洗刷性结果。为保证试验数据的科学性,每一种试验均采用3块样板进行平行试验,试验数据取3块样板的平均值。
2 结果与讨论
2.1 样板的制备对耐洗刷性测试的影响
从常理分析,涂层的耐洗刷性与涂层厚度的均匀程度、表面是否有缺陷(针孔、漏涂等)及涂层与基材的附着力大小有关系。因此,为了尽量减少涂层本身差异所带来的耐洗刷性的差异,就必须保证制得一致性非常好的涂层。
2.1.1 制膜方式
人工涂布往往存在着非常大的不确定因素,不同的操作人员,因为涂布速度、力度及整个涂布过程中对速度及力度掌控的均匀程度不同,导致了涂层厚度的不均匀性。
为了比较人工涂布和机器自动涂布对涂层厚度均匀性的影响,选用马口铁为底材,使用100 μm的线棒涂布器分别用自动涂膜机和3个不同的操作人员制备涂层,共制得6片样板。待涂层完全干燥后,分别在每片试板上选取10个不同位置测试其干膜厚度,结果如图1所示。
从图1可知,通过自动涂膜机制备的涂层,其均匀程度高过人工制备的涂层。
另外,对同一种涂料,分别用自动涂膜机和人工涂膜在同一种底材(黑色聚烯烃塑胶片)上制备涂层,按GB/T 9266—2009用同一台仪器、同样的刷子先后进行耐洗刷性测试,结果如表1所示。
表1 自动涂膜机涂膜与人工涂膜的样板耐洗刷次数Tab.1 Scrub resistance numbers of samples by automatic applicator and by artificial operation |
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从表1可以看出,手工制备的样板耐洗刷性均差于自动涂膜机制备的样板,这是因为手工涂膜往往造成涂层的厚度分布不均匀,而耐洗刷性试验时涂层的破坏往往是从最薄的区域开始发生,因此,为了得到一致性好的试验结果,采取自动涂膜机制备涂层是非常必要的。
2.1.2 底材选择
在不同特性的基材上制备涂层,涂层与基材的附着力也不同,而附着力大小直接影响最终涂层的耐洗刷性。
(1)底材的平整度
内墙涂料标准GB/T 9756—2009中,耐洗刷性测试项目规定所采用的基材为4~6 mm无石棉纤维水泥平板,但是该厚度范围的板材往往因为其材料本身的特性而极易在存放过程中发生形变(两端翘起)。不平整的底材会带来2个方面的影响:一是制备涂层时不同区域得到不同厚度的涂层,而涂层耐洗刷性测试时最先受到破坏的往往是涂层最薄的地方;二是因为底材的不平整,刷子不能完全接触到试板凹陷的区域,造成试验失败。
因此,在制备涂层的时候,务必先确保所选择的底材具有非常高的平整度。在即将实施的GB/T 9756—2018新标准中,已经明确规定耐洗刷性测试项目的底材需要检查其平整度,即:将长度大于430 mm的直尺长边垂直紧贴于无石棉纤维水泥平板的表面,然后分别沿平行于无石棉纤维水泥平板的长边和短边移动,观察直尺和无石棉纤维水泥平板之间的间隙,如目测无明显间隙,则为符合平整度的要求。
(2)底材的粗糙度
外墙涂料标准GB/T 9755—2014中,耐洗刷性测试规定的底材为黑色的PVC片材,但标准中仅规定了塑胶片的光泽、反射率及厚度,并未对其表面的粗糙度做任何要求。不同厂家或不同批次的PVC塑胶片,粗糙度往往存在一定的差异;无石棉纤维水泥板也一样,用不同粗细的砂纸打磨也会得到不同粗糙度的表面。而基材表面的粗糙度会直接影响所制备的涂层与基材的附着力,从而造成耐洗刷性结果的差异。
分别从市面上购买了4种不同供应商的PVC片材,用同一种涂料,采用自动涂膜机制备涂层,然后按GB/T 9266—2009用同一台仪器、同样的刷子先后进行耐洗刷性测试,每种片材分别准备3片,结果取平均值,见表2。
表2 4种不同PVC底材对涂层耐洗刷性的影响Tab.2 Influence on four different PVC substrates on scrub resistance of coating film |
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从表2可以看出,涂层耐洗刷次数与所涂覆基材表面的粗糙度和光泽都有关系,在PVC片材上,粗糙度越高,耐洗刷次数越高;光泽越低,耐洗刷次数越高。
(3)基材的含水率
此部分仅针对内墙涂料耐洗刷性测试用的无石棉纤维水泥平板,虽然标准中规定将处理好的试板放在标准的试验条件——温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%下养护1周,但实际上,因为不同供应商的水泥板配方不同,水泥板的长短和存放环境不同,造成其含水率也有差别。为了验证水泥板含水率对耐洗刷性的影响,在按标准浸泡打磨水泥板后,放在不同的条件下养护不同的时间,得到了5种不同含水率的底材(每种3片)进行试验,结果见表3。
表3 无石棉纤维水泥板吸水率对耐洗刷性的影响Tab.3 Influence of water absorption of non-asbestos fiber cement flat sheets on scrub resistance |
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从表3可以看到,随着底材含水率的升高,耐洗刷次数也增加;但当含水率达到某一值时,耐洗刷性能又出现下降。这可能由于底材的含水率会直接影响涂膜的干燥速度,含水率低的底材,很容易吸收涂料中的水分,造成干燥过快从而在涂层表面留下缩孔或针眼;而底材含水率过高,则制备涂层时液态的涂料向底材内部渗透量低,干燥成膜后涂层更易浮于底材表面,涂层的附着力降低,导致耐擦洗性下降。(即使已经按照标准要求在标准试验条件下养护7 d),这些都导致了涂层耐洗刷性下降。
2.2 试验条件对耐洗刷性测试的影响
从涂层耐洗刷性测试原理可以发现,对同一块样板,影响耐洗刷性测试结果的试验条件可能主要来自以下5个方面:① 猪鬃刷的刷毛硬度;② 刷子的运行速度;③ 刷子的负重;④ 洗刷介质的滴加速度;⑤ 洗刷介质。
目前市面上的大部分洗刷仪,其刷子的运行速度、刷子的负重及洗刷介质的滴加速度在试验过程中均能严格控制,即试验人员只要按标准要求设置这3个参数,就可以不考虑它们对试验结果的影响。以下重点分析猪鬃刷刷毛的硬度及洗刷介质对试验结果的影响。
2.2.1 猪鬃刷刷毛硬度
(1)猪鬃刷刷毛硬度的检验
GB/T 9266—2009中对刷子要求为:在90 mm×38 mm×25 mm的硬木平板(或塑料板)上,均匀地打(60±1)个直径约为3 mm的小孔,分别在孔内垂直地栽上黑猪鬃,与毛成直角剪平,毛长约为19 mm。这里仅规定了刷子材料为黑猪鬃及刷毛的分布密度,并未对黑猪鬃的软硬做任何要求。实际上,黑猪鬃为一种天然材料,其软硬、粗细程度差别非常大,很难保证这些指标的一致性。分别从3个供应商购买了不同产地的黑猪鬃,每种随机挑选了100条猪鬃,分别测试其力学性能和直径分布,结果如表4所示。
表4 不同产地的黑猪鬃直径和硬度Tab.4 Bristles diameter and hardness from different resources |
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从表4不难发现,不同产地的黑猪鬃,其力学性能和直径分布范围差别非常大。因此,对由黑猪鬃制成的刷子而言,即使其制作工艺完全满足标准要求,但由于猪鬃的产地、批次不同,它们所展示出来的力学性能差别较大。因此推测,由黑猪鬃为主要材料制成的刷子,其软硬程度和对外界的破坏力差别也较大。
参照牙刷厂检验其牙刷刷毛软硬的方法,实验设计了一种测试方法来测试刷子的软硬程度:
在最大量程不超过1 000 N、精度不大于0.1 N的压力试验机或具有压缩功能的拉力试验机的试验台上(图2),黏贴120目的水砂纸,水砂纸面积应大于刷毛的面积。将刷子的刷毛全部浸入(23±2)℃的水中30 min,取出刷子用力甩净水,将刷子刷毛向下,放置在120目的水砂纸上,刷子的中心应在试验机试验台的轴心上,以1 mm/min速度,测试最大的压力,该最大压力即为刷毛的最大承载力。
为了验证这一方法的有效性,分别从国内3个刷子的主要供应商各购买了10个刷子,按上述方法来测试其最大承载力,结果如表5所示。
表5 不同供应商的刷子与其最大承载力Tab.5 Different brushes from different suppliers and their maximum bearing capacity |
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从表5可以看出,不同供应商提供的刷子,其最大承载力差异明显,而且即使同一个供应商(供应商A除外)同一批次的刷子,自身也存在较大差异。如果刷毛的软硬程度确实对涂层的破坏力有影响,就不难解释为什么不同实验室之间的耐洗刷性测试数据可比性差。
(2)刷毛硬度对耐洗刷性的影响
为了验证刷毛硬度对耐洗刷性的影响,在市场上购买了某知名品牌的内墙乳胶漆,其包装标示为符合GB/T 9756—2009 中一等品要求。在同一个实验室,用自动涂膜机在黑色PVC塑胶片上制备涂层,分别挑选了6种不同最大承载力的刷子进行测试,结果如表6所示。
表6 不同最大承载力的刷子对耐洗刷次数的影响Tab.6 Influence of different maximum bearing capacity on scrub resistance |
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从表6可以看出,刷子最大承载力越高,涂层耐洗刷性越差。
实验同时也挑选了3种不同承载力的猪鬃刷,对同一种样板分别进行了20 000次的洗刷,结果如图3所示。
因此可以得出这一结论:不同软硬程度的刷子,体现出不同的最大承载力,对涂层的破坏程度也不同。建议在进行每一次耐洗刷性试验前,都必须保证所用的刷子刷毛硬度一致。
(3)刷子使用寿命时间与刷毛硬度
猪鬃是动物毛发,其作为一种天然的高分子蛋白质物质,会随温度或使用时间延长出现疲软等特征,随着刷子的使用时间延长,其硬度也会下降。实验考察了刷子工作次数对最大承载力的影响,结果如表7所示。
表7 刷子工作次数对其最大承载力的影响Tab.7 Influence of using times on brush maximum bearing capacity |
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从表7可以看出,无论是猪鬃刷还是尼龙刷,即使只连续使用5 000次,其最大承载力都平均下降了30%。但同时也发现,刷子在使用到20 000次及更长时间后,其最大承载力不再发生明显改变。
另为研究猪鬃刷的使用寿命,随机挑选了6个刷子,在实验室按照日常检测工作量连续使用1个月后再测试其最大承载力,发现其最大承载力平均下降50%左右(详见表8)。
表8 猪鬃刷连续使用1个月后其最大承载力的变化Tab.8 Maximum bearing capacity change after 1-month continuous usage for bristle brush |
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因此,试验人员在进行耐洗刷性测试时,一定要注意刷毛硬度的变化。
2.2.2 洗刷介质
国外有研究表明[1],湿状态下的涂层耐洗刷性能与所使用的洗刷介质也有一定的关系。
GB/T 9266—2009对洗刷介质规定如下:将洗衣粉溶于蒸馏水中,配置成质量分数为0.5%的洗衣粉溶液,其pH为9.5~11.0。
袁腾等[2]分析了涂层耐洗刷性测试的磨损机理,认为洗刷磨损中水溶液中的细微污染物、内部残留磨屑的浸入会导致水介质中可能同时存在4种磨损:粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。由此可见,洗衣粉在水中的溶解程度及洗衣粉本身的化学成分都有可能影响耐洗刷性测试结果。
分别从市面上购买了4种不同品牌的洗衣粉,配置成标准要求的洗刷介质,在12个同种样板(每种洗刷介质进行3次试验)上进行耐洗刷性测试,结果如表9所示。
表9 不同洗刷介质的耐洗刷次数Tab.9 Scrub resistance times from different scrub medium |
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从表9可以看出,不同品牌的洗衣粉配置成的洗刷介质对耐洗刷性也存在一定的影响,所以最好在试验过程中使用保持同一品牌的洗衣粉,并在试验报告中注明洗衣粉信息。
3 国外耐洗刷性测试标准介绍
3.1 ASTM D2486—2017墙面涂料的耐洗刷性测试方法
ASTM D2486—2017是目前国外对墙面涂料耐洗刷性测试最通用的方法,被很多国家采用。该标准规定了2种检测墙面用涂料耐洗刷性的方法:测试方法A—得到最终破坏涂层的耐洗刷性;测试方法B—与一种已知耐洗刷性的样板同时试验,以最终破坏涂层的次数的相对百分比例表示。
该测试方法的试验参数摩擦负质量、摩擦速度及洗刷介质的滴加速度均与GB/T 9266—2006一致,但在减少试验数据之间差异有两点可以借鉴:
① 耐洗刷性测试用的刷子采用了人工合成的尼龙材料,这样可以有效避免天然的猪鬃毛材料的批次不稳定性;
② 测试方法B提供了一种相对的评估手段,也最大程度避免了不同实验过程中的偶发因素,提供了一种参考的结论。
当然,该标准与GB/T 9266—2009也存在一些其他不同的地方:
① 刷子试验前是需要在水中浸泡整个晚上,尽量使刷子的力学性能达到稳定状态;
② 底材规定用黑色的PVC片材,避免了底材的不平整或含水率不同对试验结果产生影响;
③ 测试过程中垫了铜条加速擦洗破坏,对耐洗刷性优良的产品提供一种快速测试的方法。
3.2 ISO 11998:2006色漆和清漆 涂层耐湿洗和清洁度测定
ISO 11998:2006的适应范围更广,不单单是墙面涂料,包括其他所有涂层,评估其表面的耐湿洗和清洁度时均可采用。该标准中,试验参数除摩擦速度与GB/T 9266—2009一致外,其余参数均有非常大的区别:
① 评估方法采用涂层损失质量大小;
② 摩擦负质量为(135±1)g;
③ 摩擦介质不用刷子,而用百洁布做成的摩擦垫;
④ 摩擦过程中不连续滴加洗刷介质,而是用软毛刷把洗刷介质刷在涂层表面,然后浸泡百洁布使其湿润;
⑤ 洗刷介质为2.5 g/L的正十二烷基苯磺酸钠水溶液。
3.3 ASTM D3450—2015,ASTM D4213—2008(2016), ASTM D4828—1994(2016)
ASTM D3450、ASTM D4213、ASTM D4828这3个标准也都是用来测试墙面涂料及相关产品的耐湿擦洗性能,但摩擦介质选用的是海绵,摩擦负质量达到了1 kg或1.5 kg。
评价耐洗刷性的方式也更多种,如:以已知耐洗刷性的参照板比较;在涂层涂覆一定的污染物,评估污渍被擦掉的效果;耐洗刷测试区域的涂层质量损失等。
3.4 其他耐洗刷性测试方法介绍
因为目前有很多产品耐洗刷性超过了国标优等品的要求,甚至无论擦多少次,都看不到破损现象,这给研发人员工作带来一定的困难,因为他们往往希望能通过配方的调整看到涂层耐洗刷性的变化。下面2种方法可以推荐使用:
(1)加铜垫条,加速破坏;(2)在涂层表面划叉,类似盐雾腐蚀的划痕,通过一定次数的擦洗后观测划痕两侧破损的宽度来评价耐洗刷性的优劣。
彭菊芳等[3]经过大量的试验,提出了一种针对外墙涂料的耐洗刷性较适宜的测试方法:底材采用黑色PVC塑料片,用间隙深度为200 μm的湿膜制备器刮涂1道涂料,养护7 d 后测定涂层耐洗刷性。洗刷介质采用2.5 g/L的正十二烷基苯磺酸钠水溶液。测定时,在涂膜完好处的试板底下垫一层宽12.7 mm、厚0.25 mm的薄片,采用国产刷子进行2 000次洗刷循环的测定,结果以经过2 000次洗刷试验后薄片上方涂膜出现越过薄片宽度的涂膜损坏来进行评定。
对涂层耐洗刷性的评定,尽管有多种方法可采用,但操作者在进行试验前务必根据自己产品的特性和需要解决的问题选择一种合理的测试方法,并尽可能了解有可能影响测试结果的所有因素。如耐洗刷性差的样品,则可选择ISO 11998:2006标准,用更轻的负载,破坏力更小和参数更一致的摩擦介质(百洁布)进行试验;而对于那些耐擦洗性优良的样品,则可采用ASTM D2486—2017标准,因为尼龙刷的最大承载力比猪鬃刷高很多,而且尼龙属于人工合成的材料,其不同刷子之间的力学性能可以非常接近。
如果要得到一致性和重现性都非常好的试验结果,笔者认为ISO 11998:2006标准最为适合。因为该标准采用的摩擦介质为百洁布且使用不含任何固体颗粒的正十二烷基苯磺酸钠水溶液作为洗刷介质,不仅可以减少由于摩擦介质和洗刷介质不同对测试结果带来的影响,而且该测试方法非常接近建筑涂料的实际应用:涂层被污染后人们普遍采用百洁布蘸洗洁精去除污渍。另其结果评定按照涂层的质量损失大小,更能减少来自人为的判读偏差。
4 结 语
正确而科学地评估涂层的耐洗刷性非常重要,洗刷性的好坏直接反映了相应建筑涂料产品的质量好坏,因此建议从相关标准的制定到生产企业、质监部门进行该项目的操作把控,一定要非常慎重,从所选用的底材类型、处理方式、制膜方式到试验条件的等均需严格控制,这样才能得到可比性和重现性好的试验结果。