氙灯和自然气候老化对水性多彩仿石涂料性能的影响

王燕，朱宇宏，曹丽芬，陈韶，余辉，郭静卓

（江苏省产品质量监督检验研究院，江苏南京 210007）

水性多彩仿石涂料具有良好的仿真性、美观性，因此可以用于代替价格昂贵的稀有石材，并且有效降低石材用于外墙装饰的公共危险性；其价格仅为天然石材的1/10～1/5，可以有效节约工程成本[1]。它还拥有寿命长，附着力强，质地轻，抗污性好，耐水、耐碱、耐盐雾和耐洗刷性能超群的优点，并可用于内外墙和地坪，因此成为未来极具应用前景的新型建筑装饰材料。目前，国内对多彩仿石涂料的检测方法主要是根据行业标准HG/T 4343—2013《水性多彩建筑涂料》、JC/T 24—2000《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》和 GB/T 9755—2014《合成树脂乳液外墙涂料》标准检测，相对于橡胶、金属等已具有经验公式计算使用年限的材料，涂料由于其多样性尚未有通用的经验公式。国内外目前也还未有关于涂料老化机理及寿命评估方面全面而详实的研究、总结。本文主要研究水性多彩仿石涂料在氙灯老化下和自然气候老化的寿命及其相关性。

1 实验部分

1.1 原料和仪器

水性多彩仿石涂料底漆、中涂漆和罩面漆：南京龙虎涂料有限公司。

体式显微镜（SZX16）：奥林巴斯（中国）有限公司；台式分光测色仪（650）：美国datacolor公司；红外光谱测定仪（IS10）：美国Thermo公司；热重分析仪（209F3A）：德国NETZSCH公司；接触角测量仪（DSA100）：德国Kruss公司；氙灯老化箱（XE-3HS）：美国Q-LAB；光泽度仪（MN60）：天津市其立科技有限公司。

1.2 试样的制备

试验用样板的常规性能检测均为无石棉水泥板，规格150 mm×70 mm× 5 mm，其表面处理按GB/T 9271—2008[2]中10.2的规定进行。试板的制备按GB/T 9755—2014[3]进行，涂刷后养护7天。制备了两种涂料板，包括龙虎涂料涂有罩面漆（1-1）、龙虎涂料未涂罩面漆（1-2）。其中每种涂料板均放入氙灯老化箱3块，45°和90°暴露在自然气候中老化各3块，另外每种保留3块在干燥、黑暗的干燥皿中作为空白样。

1.3 氙灯老化试验

人工气候老化按照GB/T 1865—2009[4]进行辐照，并定期取样跟踪老化结果，结合色差仪、体式显微镜监测涂层的外观变化。采用TGA对涂层的热降解稳定性进行分析，全反射红外跟踪测试不同老化时间下基团吸收峰的变化。

1.4 日照老化试验

自然气候老化按照GB/T 3681—2011[5]中的方法A进行老化。

1.5 测试表征

本实验使用体式显微镜观察经过不同时间老化的水性多彩仿石涂料板表面的变化，观察裂纹出现，放大倍率在20×～116×。

使用FT-IR红外光谱仪对制得的水性多彩仿石涂料板进行表征，测试时扫描范围为400～4 000 cm-1。

使用台式分光测色仪对不同时间老化的水性多彩仿石涂料板颜色的变化进行表征，通过与未老化时样品的颜色进行对比，得到色差值。

采用热重分析仪表征老化前后样品的耐热性能。采用氮气保护，温度范围为 40～700℃，升温速率为10 ℃ /min，空气流为 50 mL/min。

使用接触角测量仪对老化前后的水性多彩仿石涂料的表面上、中、下3个位置进行接触角测试，并使用3次的平均值表征耐水性能。

使用光泽度仪（60°）对老化前后的水性多彩仿石涂料的表面上、中、下3个位置进行光泽度测试，并使用3次的平均值表征光泽度，计算出光泽度的变化值。

2 结果与分析

2.1 形貌表征

不同老化方式和老化时间的显微结构如图1所示。其中，a、b均为氙灯老化开始出现裂纹图，其中a涂有罩面漆，老化时间982 h，b无罩面漆，老化时间557 h；c、d、e、f均为自然气候老化开始出现裂纹图，其中c、d涂有罩面漆，c为45°暴露，老化时间为9个月；d为90°暴露，老化时间为9个月；e为日照老化，无罩面漆，45°暴露，1个月；f为无罩面漆，90°暴露，3个月。

图1 不同老化方式和老化时间的显微图

罩面漆能增加涂料的抗开裂能力，开裂方式以产生裂缝为主，未涂罩面漆的涂料开裂以表面脱落为主。从裂纹判断表面涂有罩面漆的漆板在氙灯老化982 h的裂纹程度与自然气候老化45°暴露的漆板老化9个月相近；未涂罩面漆的漆板在氙灯老化557 h的裂纹程度与自然气候老化45°暴露的漆板老化1个月相近。从图1中可以看出，裂纹主要出现在彩色颗粒上。

2.2 红外表征

从图2中的2 869.3 cm-1、1 729.2 cm-1、1 456.5 cm-1、1 385.7 cm-1、1 231.8 cm-1、1 116.6cm-1等吸收峰和图3中的 2 926.0 cm-1、2 869.3 cm-1、1 731.3cm-1、1 456.5 cm-1、1 379.8 cm-1、1 229.9 cm-1、1 134.9cm-1等吸收峰在老化的过程中变小，且c＜b＜d＜a，由此可以看出，漆板在45°暴露进行自然气候老化下表面的漆降解的最快。图3与图2比较，少了1 268 cm-1处的Si-(CH3)2的特征吸收峰，其表面未涂硅丙清漆[6]。

图2 涂有罩面漆的涂料在不同老化方式下的红外谱图

图 未涂罩面漆的涂料在不同老化方式下的红外谱图

2.3 热重表征

从图4和图5可以看出，未经老化的涂料失重最多，主要因为其表面未有无机物的污染，且涂料未经过自然气候老化中雨水冲刷和氙灯内漆板的润湿，失重部分为涂料的分解。c、d漆板表面有无机物的污染，且c漆板污染的较为严重，其失重较少。老化后漆板的最大降解速率温度要高于未老化的漆板温度。

图4 涂有罩面漆的涂料在不同老化方式下的热重谱图

2.4 接触角表征

接触角可反映涂料的抗沾污性，接触角越大，抗沾污性能越好。从表1可以看出，在经过老化后，涂料表面的接触角都减小，其中在氙灯人工老化后，接触角减小较少，自然气候老化引起的接触角变化最大，且45°暴露的漆板接触角减少的最多，抗沾污性最差。涂有罩面漆的板子接触角较大，且数值变化较小。自然气候老化一方面引入杂质导致表面平整度下降，另一方面自然气候老化对涂料板的降解较快。

表1 不同老化方式对涂与未涂罩面漆板子的接触角的影响

图5 未涂罩面漆的涂料在不同老化方式下的热重谱图

2.5 色差表征

2.6 光泽度表征

从表2可以看出，涂有罩面漆的漆板光泽度比较高，氙灯老化1 300 h的光泽度与自然气候老化90°暴露的漆板老化1年的光泽较为接近。自然气候老化45°暴露的光泽最低。通过对比可以看出涂罩面漆的漆板光泽度变化略高于无罩面漆的漆板。

图6 自然气候老化对涂与未涂罩面漆漆板色差的变化图

图7 氙灯老化方式对涂与未涂罩面漆涂层板子色差的变化图

表2 不同老化方式对涂与未涂罩面漆板子的光泽度的影响

3 结论

（1）罩面漆能增加涂层的抗开裂能力，以产生裂缝为主，无罩面漆的涂料开裂以表面大面积掉落为主。从裂纹判断表面涂有罩面漆的漆板在氙灯老化982 h的裂纹程度与自然气候老化45°暴露的漆板老化9个月相近；未涂罩面漆的漆板在氙灯老化557 h的裂纹程度与自然气候老化45°暴露的漆板老化1个月相近。

（2）对裂纹相似的老化漆板进行ATR-FTIR图谱分析，表明罩面漆为硅丙树脂，峰高为c＜b＜d＜a，即45°暴露的漆板经过日照老化，降解的最快，其次是氙灯老化。

（3）老化后漆板的最大降解速率温度要高于未老化的漆板温度，且失重量最大。

（4）接触角测试表明自然气候老化对接触角的影响要高于氙灯老化，罩面漆能够增强漆板的抗污能力。

（5）老化后的色差最大值为3.0，涂有罩面漆的漆板氙灯老化和自然气候老化1～4个月较为接近，未涂罩面漆的板子氙灯老化和自然气候老化90°暴露的漆板色差变化接近。

（6）自然气候老化对光泽的影响较大，其中氙灯老化1 300 h与90°暴露的漆板老化1年的光泽度接近。