乳胶漆具有低污染、低能耗、色彩丰富、施工方便等优点,已被广泛应用于建筑装饰领域[1]。由于长期暴露在外界环境中,紫外线辐射量的增加,地基下沉、热胀冷缩等导致的外墙基面开裂,空气污染等因素,对外墙涂料的耐候性、漆膜延伸率、拉伸强度、耐沾污性等提出了更高要求。
关于外墙涂料的耐候性、弹性以及耐沾污性的研究报道很多[2,3,4,5]。其中,耐沾污性优劣表现比较直观,且能在更短时间内反映出来。而且耐沾污性往往又会间接影响耐候性,甚至弹性,因此受到的关注越来越多[6,7,8]。导致外墙涂料易受污染的主要原因是受热发黏、静电吸附以及孔隙积灰,这与涂料配方中所使用的原材料息息相关[9]。然而,水性涂料配方比较复杂,原材料种类繁多,要想全面了解各种原材料对漆膜耐沾污性的影响并不容易,实验工作量也较大。并且,依赖人工耐沾污性测试结果考察漆膜耐沾污性存在一定的局限性[10]。
本文通过SAS公司设计的统计学软件JMP进行实验设计和优化,考察不同原材料对外墙乳胶漆耐沾污性的影响,增加了实验可信度并且减少了实验工作量。通过长期的户外自然曝晒来考察漆膜耐沾污性,并且对曝晒后漆膜表面变化以及积灰进行分析,为后续的配方设计提供新思路。
1 实验部分
1.1 主要原料
树脂(Primal AC-337及Dirtshield 12)、分散剂(Orotan 731A):陶氏化学(中国)有限公司;填料(碳酸钙):南京欧米亚精细化工有限公司;填料(Minex):美国尤尼明公司;分散剂(Disperbyk 2015)、消泡剂(BYK-022):BYK助剂;消泡剂(Foamaster H2):巴斯夫(中国)有限公司。
1.2 实验设计
本实验选用玻璃化转变温度不同的2种纯丙烯酸乳液Primal AC-337以及Dirtshield 12作为研究对象。填料影响漆膜的致密程度,不同的化学组成和粒径可能会影响漆膜的耐沾污性,实验中使用主要成分为SiO2及Al2O3的Minex作为填料,与常用填料CaCO3进行对比,并且设计考察不同CaCO3粒径的影响。颜料体积浓度(PVC)直接影响着漆膜的致密性,因此对耐沾污性也有一定的影响[11],本实验设计25%~50% PVC连续变量进行研究。在助剂部分,分散剂的用量以及亲疏水性也会影响漆膜表面化学性质。实验中选取的Orotan 731A比Disperbyk 2015更加亲水。对于消泡剂,本实验选取硅类消泡剂BYK-022以及矿物油类消泡剂Foamaster H2作为研究对象。实验设计变量以及参数值如表1所示。
表1 实验设计变量及参数值Table 1 Variables and parameters for experimental design |
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1.3 试板制备
基于制得的29组外墙涂料实验样品,以涂有底漆的25 cm×15 cm的无石棉水泥板为测试基材,用线棒制膜器分别制备120 μm和100 μm的2道漆膜,每道间隔24 h,并养护7 d后进行户外曝晒。每个样品制备3块试板,且试板边缘以及背部使用水性环氧漆进行涂刷。
1.4 测试与表征
漆膜的表面亲疏水性采用美国RameHart公司M250型接触角测试仪进行表征;漆膜硬度采用摆杆硬度计(Pendulum Hardness Rocker,SHEEN REF707)测试;参考ASTM D3719—2000,使用色差仪(Gretag Macbeth Color-Eye 3100 spectrophotometer)读出曝晒前后的明度值,以明度差ΔL来表征漆膜的耐沾污性;漆膜的形貌通过扫描电镜(SEM, 型号QUANTA-200,美国赛默飞公司)进行观察,并通过配套的X射线能量色散光谱仪(EDX)进行漆膜表面的元素变化分析。
表2 29组实验配方Table 2 Detailed overview of 29 test formulation variations |
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2 结果与讨论
2.1 户外曝晒实验结果
图1所示为29组配方制得的漆膜户外曝晒1 a后的表面明度值变化。 所有试板均放置在位于华东地区的专用曝晒场,属北亚热带南部湿润性气候区,四季分明。曝晒架设置为45°朝南方向。
2.2 JMP数据分析
从图2可以看出,树脂类型对耐沾污性的影响起主导作用,其次是PVC水平。另外,树脂类型和PVC的二次交互作用(树脂类型*PVC)也对最终的结果有一定的影响。其他考察因素,如分散剂、填料以及消泡剂种类对漆膜的耐沾污性影响很小。
从图3可以明显看出各考察因子对漆膜耐沾污性的影响程度,并且模拟得出最佳的实验方案:选取树脂Dirtshield 12,大粒径(4.4 μm)的CaCO3填料,低用量(0.8%)的分散剂Disperbyk 2015以及有机硅消泡剂BYK-022,且样品PVC设定在25%,ΔL可以达到最小值7.977 4,硬度最优值为13.792 s,接触角最优值为55.117°。
2.3 主要影响因素研究
从图4可以看出,含有树脂B(Dirtshield 12)的样品比树脂A(Primal AC337)的样品具有更好的耐沾污性,且树脂种类对漆膜耐沾污性的影响比PVC更明显,说明其对于最终漆膜性能的影响更大,与JMP分析结果一致。 从图4(a)漆膜硬度来看,树脂A比树脂B结构更软,导致漆膜容易积灰,图4(b)则说明树脂B比树脂A更加亲水,表面的灰尘易被清洗,因此耐沾污性更好。综合图4(c)和(d)中样品数据分布来看,较高的PVC相对来说耐沾污性更好,这是由于PVC升高也会导致漆膜硬度增加,且往往更加亲水。但并不绝对,这与树脂的选择有很大的关联,因此PVC的影响分布相对比较随机,对于耐沾污性的影响次于树脂类型。
2.4 曝晒后漆膜形貌及污染物分析
为更深层次探究漆膜曝晒后表面发生的变化,随机选取一组样板进行漆膜表面的微观分析。图5为曝晒后漆膜的扫描电镜图,其中标准板为放置于室内与曝晒板相同的样板。
由图5(A)、(B)可以看出,曝晒前后漆膜表面发生轻微的粉化,这是由于部分树脂发生降解,漆膜的致密性下降,导致容易积灰。比较(B)和(D),经过清洗后表面的灰尘被冲刷掉,更加清楚地看出发生了粉化现象。
表3 漆膜清洗前后表面接触角变化Table 3 Contact angle of the paint films before and after washing |
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从表3可以看出,曝晒板在清洗后,接触角提高了88.6%,说明经过了长期的自然曝晒后,漆膜表面变得更加亲水。对于这一现象,主要来源于树脂的轻微降解造成的粉化现象,以及表面污染物的积累的双重作用。
3 结 语
优异的耐沾污性是外墙涂料未来的发展方向。基于可能的影响因素,本文借助JMP软件进行实验设计和数据分析,得出配方体系中树脂的影响占据主导作用,其次是PVC。树脂与PVC的二次交互作用也占据一定的影响。通过对曝晒板漆膜表面性质进行分析,发现长期自然曝晒后,漆膜表面产生粉化层以及污染物的累积,使得漆膜表面更加亲水,为后续的针对性研究提供了较好的技术基础。此外,未来外墙耐沾污的研究方向也将会集中在耐沾污树脂以及氟硅功能性助剂开发的领域。