功能型氟碳涂料环境适应性的研究

刘翼 蒋荃（国家建筑材料测试中心，绿色建筑材料国家重点实验室，

建材行业建筑构件及材料环境条件与环境试验标准化技术委员会，北京，100024）

0 引言

氟碳涂料具有良好的耐候性和防腐蚀性，目前已经广泛应用于建筑、交通运输等领域，并成为高性能涂料的代名词。随着我国建筑业的发展，人们对氟碳涂料提出了更多功能性的要求。例如通过加入热反射颜填料对太阳光具有很高的反射率，能阻缓热能向物体内部传导，并将吸收的热能辐射出去。这种涂料在高温的夏季降低了建筑表面温度，进而影响了周围环境温度，使得空调等制冷设备能耗降低[1]。为了改善氟碳涂层表面容易形成雨痕或不易清洗的油污等问题，通过对其表面进行改性，增加其亲水性，从而获得表面自清洁的功能[2]。通过对铝银浆进行改性，改善其耐腐蚀性与紫外线阻隔性，从而由四涂体系变为两涂，大大减低成本等。但对于这些涌现出来的新材料新技术的环境适应性，目前还没有进行系统的研究。材料综合性能的耐候性并不等于氟树脂基体的寿命，而材料的老化是一个漫长的过程，往往不受重视。笔者所在单位国家建筑材料测试中心为建材行业建筑构件及材料环境条件与环境试验标准化技术委员会的依托单位，在日常工作中，对此类产品的环境适应性进行了研究。

1 热反射氟碳涂料

目前国内对于热反射涂料的研究大多着眼于颜填料的性能，而忽视了树脂基体的影响。在涂层的服役过程中，涂层树脂会发生粉化、变色等老化，涂层粉化后，功能性填料也会在风雨等作用下脱离涂层体系，从而失去热反射的功能。同时，涂层表面的耐沾污性也会对热反射能力产生很大的影响。中国大气污染严重，如果涂层没有一定的自清洁能力，在短时间服役后表面的积垢将大大降低其热反射性能。同时，及时对涂层表面进行了自清洁的改性，如果没有一定的耐候性，也会因为表面的粉化而失去作用。

国内现行的关于热反射涂料的标准有JC/T 1040-2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》和JG/T 235-2008《建筑反射隔热涂料》，前者对涂层人工老化后的热反射性能提出了要求，JG/T 235对涂层耐沾污试验后的热反射能力的衰减做了限制性规定，具体见表1。

从表1中可以看出，JC/T 1040对涂层的耐老化性要求过低，溶剂型涂料也只有500h；JG/T 235对要求各类涂料满足相应树脂基体涂料的耐老化要求，未对热反射衰减提出要求，同时采用的耐沾污试验方法为GB/T 9750-2005，该方法主要适用于外墙涂料，对金属涂料并不适用：大多数金属装饰涂层都可轻松的通过标准的要求，但现实中金属涂层表面严重积垢的现象比比皆是。

表1 国内行业标准对热反射涂料耐老化与耐沾污的规定

笔者对A、B、C(B、C为不同类型的氟碳涂料)三种树脂基体的白色热反射屋面板材料进行了测试，分别进行1000h、2000h人工气候老化。耐沾污按GB/T 9750和ASTM D 3719进行。ASTM为将样板在户外朝南45°放置61天，然后不经清洗直接进行测量。考虑热反射涂料发挥作用主要在夏季，因此本实验样品户外放置时间为2009年6月1日至2009年7月31日。

1.1 实验仪器

氙灯老化机（Q-Panel，Q-SUN XE-30S，美国），分光光度计（PerkinElmer Lambda 950，美国）。

1.2 结果与讨论

试验的测试结果见图1~图3。

图1 样品A老化及沾污后太阳反射比变化

图2 样品B老化及沾污后太阳反射比变化

图3 样品C老化及沾污后太阳反射比变化

从实验结果可以看出，耐候性差的涂料的太阳反射比随老化时间的增加而明显下降，而耐候性优异的氟碳涂料经历2000h老化试验后其太阳反射比几乎没有变化。GB/T 9750对金属漆沾污能力很弱，而ASTM D3719的方法与实际情况更为接近，能很好的表征出涂层在自然环境中的耐沾污能力。按ASTM D3719的方法进行曝候后，涂层的太阳反射比明显下降，尤其是在老化后。经过2000h的老化试验，样品A的太阳反射比已降低到0.6一下，与普通涂层无异。而耐候性优异、耐沾污较强的样品B、样品C仍保留了0.8左右的太阳反射比，优势十分明显。

2 自清洁氟碳涂料

目前自清洁氟碳涂料主要有两种改性方式，一类是在涂层表面增加一层低含氟的丙烯酸涂层[2]，改善涂层表面亲水性的同时通过引入氟元素提高了涂层的层间附着力和耐候性；另一类是在涂料面层引入具有光催化作用的纳米TiO2[3]，在紫外光照射下，表面变得亲水，同时还有微粉化作用，能有效地清除和降解涂膜表面附着的亲水、亲油物质。笔者对一送检的自清洁氟碳涂层板样品老化前后的接触角进行了表征。

2.1 实验仪器

氙灯老化机（Q-Panel，Q-SUN XE-30S，美国），接触角测试仪（Dataphysics，OCA20，德国）。

2.2 结果与讨论

图4 不同老化时间的表面接触角

涂层老化前后的接触角见图4。从图4可以看出，通过1000h、2000h氙灯老化，老化前后涂层表面的亲水性逐渐降低。表明该样品涂层表面的亲水层已经老化分解，自清洁功能失效。而氟碳涂层作为 超 耐 候 涂 层，JG/T 133，GB/T 17748、GB/T 23443等都规定需通过4000h的老化试验，AAMA2605更是提出了在佛罗里达曝晒10年的要求。而该样品自清洁表层耐候性较低，与氟碳涂层的整个服役寿命相差甚远，在整个服役过程的中后期将无法起到自清洁的作用。

3 金属闪光漆

作为金属幕墙所使用的铝塑板、铝单板均使用PVDF氟碳涂层。由于金属闪光漆有着亮丽的光彩，因此被广泛的采用。如果涂料援用大颗粒的金属颜料，必须增加罩面清漆。另外由于PVDF对紫外线没有吸收作用，故需要在底漆之上增加隔离涂层，通常是含金红石氧化钛的PVDF（70%）氟碳涂层，或者能有效的提高底漆的耐候性，从而采用三涂或四涂系统。因为金属颗粒容易被氧化，尤其是对紫外线隔离能力很弱[4]。

图5 样品附着力（划格法）测试结果照片

有企业宣称通过对铝银浆进行改性，改善其耐腐蚀性与紫外线阻隔性，从而由四涂体系变为两涂，可大大减低成本。该涂料用于铝塑复合板后，通过了GB/T 17748-1999的要求（老化时间为2000h，修订后的2008版老化时间为4000h），但安装上墙5年后，面漆发生了严重的剥落，涂层的附着力经检测为5级（划格法），具体见图5。利用DSC、扫描电镜（SEM）、FT-IR等分析手段对该样品进行了表征，分析发生剥落的原因。

图6 样品面漆DSC谱图

图7 样品面漆背面（a）与底漆表面（b）的SEM照片

图8 底漆的FT-IR谱图

3.1 实验仪器

DSC（TA Q100，美国），扫描电镜（日立S-4700，日本）、FT-IR（尼高力Nexus670，美国）。

3.2 结果与讨论

对该涂层的面漆通过DSC测试其熔点，谱图见图6。按照GB/T 23443-2009附录A的方法，测试出其PVDF含量为95%以上，表明面漆中的聚丙烯酸酯已经完全光促裂解。而非金属闪光漆的PVDF涂层体系由于颜填料对紫外线的阻隔作用，仅仅是涂层表面的聚丙烯酸酯遭受光促裂解，表面下的涂层仍然受到颜填料及PVDF的保护，紫外线无法穿透来导致内层的聚丙烯酸酯的光促裂解[5]。而该样品面漆中的聚丙烯酸酯已完全裂解，说明紫外线已穿透了整个面漆。

图7为面漆的背面与底漆表面的SEM照片。可以看出，由于PVDF的存在，面漆并没有明显的粉化现象，但由于聚丙烯酸树酯的完全裂解，导致涂层背面出现了许多微小的孔隙。而底漆由于受到透过面漆的紫外线的辐照，已经严重粉化。即由于面漆中提供附着力的聚丙烯酸酯的完全裂解和底漆的严重粉化，导致了面漆与底漆的层间附着力基本丧失，最终导致了面漆的严重剥落。

图8为底漆的FT-IR谱图。1729cm-1为C=O的主要特征峰，1161 cm-1为CH3-O-C=O的特征峰[6]，该底漆应当为加入少量PVDF的聚丙烯酸酯，加入PVDF的作用主要是提高与面漆的附着力。由于没有施加隔离漆，也没有有效提高底漆的耐候性，导致了底漆的严重粉化。

4 结论

热反射涂料的长期节能性需要通过先老化然后户外曝候的方式进行耐沾污试验后，才能得出客观的评价，热反射氟碳涂料优势明显。GB/T 9750与实际情况相差较远，对金属漆不适用，需要研究新的标准条件下的模拟试验方法。

自清洁氟碳涂料自清洁能力的耐候性需要实验进行验证，其耐老化时间如果远小于氟碳涂料的服役时间，则没有太大意义。需要研究具有与氟碳涂料耐候性基本相当的表面自清洁技术。

金属闪光氟碳涂料必须采取有效地措施防止底漆粉化，目前最有效的是施加一层隔离漆。自然环境中的老化机理与人工老化有一定程度的不同，不施加隔离漆，金属闪光漆在服役过程中易发生底漆粉化造成面漆剥落。

众多功能型氟碳涂料环境失效案例的经验和教训说明了此类建筑材料环境适应性的重要性。及时、系统和充分开展建筑材料的环境试验是提高建筑材料耐久性和使用寿命的必由之路，这同时也是绿色建筑材料国家重点实验室与建材行业建筑构件及材料环境条件与环境试验标准化技术委员会的一项长期的任务。

[1]Akbari P，Bretz S，Kurn M.Peak power and cooling energy savings of high-albedo roofs[J].Energy and Buildings，1997，25：117-126.

[2]高万振，刘秀生，刘兰轩.低氟含量低表面能自清洁氟碳涂料的研究[J].涂料涂装与电镀，2005(4)：5-10.

[3]刘兰轩，刘秀生，李承樵，兰家勇.自清洁型氟碳涂料的研究[J].材料保护，2006，39（10）：36-37.

[4]张中，蒋荃.铝塑复合板[M].化学工业出版社.2005：160.

[5]林秀清.超耐候聚偏氟乙烯氟碳建筑涂料[J].中国建材科技，2005，05：13-18.

[6]黄宁.PVDF氟碳涂料的红外谱图解析及其组分分析[J].涂料工业，2003，33（12）：45-48.