罩光清漆的标准介绍及性能的比较研究

2019-07-16姜广明马海旭肖凯巍

工程质量 2019年6期

姜广明，马海旭，梁杨，肖凯巍，胡水

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.北京化工大学，北京 100029）

0 引言

建筑涂料用的罩光清漆（也叫罩面漆）具有很好的耐水性、耐碱性、耐洗刷性、耐候性等优点，能够保护基材和下层涂料［1］。常见的罩光清漆的浮液成分种类很多，有（改性）丙烯酸树脂、水性聚氨酯［2］、硅树脂［3］、氟碳清漆［4］、有机氟硅材料［5］等。

耐沾污性也是罩光清漆的一个重要指标，优异的耐沾污性可以延长重涂的时间间隔，节约成本与人力，减少环境污染。耐沾污性同时也是我国罩光清漆检测标准的重要控制项目，是区别优良产品与不合格产品的一项重要指标。罩光清漆乳液的玻璃化温度越高，漆膜的硬度就越高，黏性就越低，测试耐沾污性时粉煤灰越容易被冲走，耐沾污性越好。罩光清漆的耐沾污性还与成膜物质的表面能有关，超疏水的表面可以通过粗糙构造或者使用低表面能的乳液都可以实现自清洁［6］；或者加入光触媒物质等使罩光清漆获得超亲水自洁性，也可以提高罩光清漆的耐沾污性［7］。

本文首先介绍了中国的罩光清漆的检测标准体系，然后用红外光谱和 DSC 分析方法（差示扫描量热法）对罩光清漆的乳液种类、组成成分以及玻璃化温度Tg 进行了解析，最后比较了不同罩光清漆的物理性能并从微观角度解释了各性能差异产生的原因。

1 实验原料及设备

1.1 实验原料

选取不同厂家生产的 8 个罩光清漆，编号 ZM-2、ZM-3、ZM-4，ZM-7、ZM-8、ZM-9、ZM-10、ZM-11。

1.2 实验设备及方法

傅里叶变换红外光谱仪，采用衰减全反射式红外光谱仪，探头为金刚石晶体。扫描范围为 4000～525cm-1，扫描次数 32 次，分辨率 8cm-1。采用 ATR 方式测试涂层的红外光谱。

DSC 分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司产品 TGA/DSC1 同步热分析仪（型号 STARe system）测试；扫描范围 -60～200℃，升/降温速度为 20℃/min。预扫描一次，消除材料的热历史。

物理性能的检测依据为 HG/T 5065-2016《建筑涂料用罩光清漆》；耐水白性的检测依据为 GB/T 9779-2015《复层建筑涂料》。

接触角测量采用视频光学接触角测量仪。

2 结果与讨论

2.1 标准体系介绍

HG/T 5065-2016《建筑涂料用罩光清漆》是我国第一本专门的罩光清漆标准，适用于以丙烯酸树脂、硅改性丙烯酸树脂、聚氨基甲酸酯树脂等为主要成膜物的罩光清漆。罩光清漆要求检测在容器中状态、低温稳定性（3 次循环）、施工性、干燥时间（表干、实干）、涂膜外观、光泽、透光率、雾度、耐碱性、耐洗刷性、与下层涂料的适应性等 11 个项目，内用类还需检测耐污渍性、耐黄变性等 2 个方面（共 13 个项目），外用类还需要检测耐水性、耐酸雨性、涂层耐温变性、耐沾污性、耐人工气候老化性等 5 个方面（共 16 个项目）。

GB/T 9779-2015《复层建筑涂料》要求透明面漆检测容器中状态、施工性、干燥时间、耐水白性等 4 个项目，外墙透明面漆还要求检测耐沾污性和最小接触角（仅针对自洁性功能面漆）等。

JG/T 24-2018《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》要求对透明型面涂料检测容器中状态、施工性、干燥时间（表干）、涂膜外观、低温稳定性（3 次循环）、耐碱性、涂层耐温变性（5 次循环）、耐沾污性、耐水泛白性（以白度值表示）、自洁性能/最小水接触角（仅针对光催化自洁型面涂料）。

2.2 红外测试

罩光清漆的成分通常不太复杂，只是由乳液和少量助剂组成。罩光清漆的性能是由其乳液种类及各组成成分的特性决定的。为了研究罩光清漆的种类及成分，首先对 8 个样品进行了红外测试，红外光谱图如图1 所示。

图1 罩光清漆的红外光谱图

从图1 可以看出，8 个罩光清漆的乳液都含有丙烯酸酯的成分。因为 Si-C 的红外峰强度不高以及硅丙乳液中 Si-C 的浓度不是特别高，所以不太容易从红外光谱上判定出该乳液是纯丙乳液或者是硅丙乳液。

ZM-10 在 3 428 cm-1处有 O-H 振动峰，并且在1 000～1 100 cm-1有一个较强的峰，这是 Si-O 的伸缩振动峰。这说明 ZM-10 中含有 SiO2的成分（消光粉的成分）。

有别于其他 7 个产品的红外光谱，ZM-7 在1 536 cm-1有明显的一个峰，这是典型的 O=C-N 的红外峰。因此可以判定 ZM-7 的乳液不是单纯的丙烯酸酯乳液，而是 PUA 乳液（聚氨酯丙烯酸乳液）［6］。

2.3 DSC 分析

乳液的 Tg 对物理性能的影响比较大，Tg 高，耐水性和耐沾污性等都好。利用 DSC 测试了这 8 个罩光清漆的 Tg，曲线如图2 所示。

从图2 可以看出，升温过程中，罩光清漆大都表现出了玻璃化转变，转变范围都在 -25～50℃。这说明，丙烯酸酯类的 Tg 都比较接近。

不管是哪一类的罩光清漆，优异的耐沾污性都是必不可少的。适当地提高乳液的 Tg 可以使涂膜硬，耐沾污性提高［7］；但是过高的 Tg 又会导致涂膜成膜困难，需加入较多的助剂使挥发性有机化合物（VOC）含量増多。

2.4 物理性能

首先测试 8 个罩光清漆的颜色与状态、60°光泽、透光率、雾度等外观性能。结果如表1 所示。

图2 罩光清漆的 DSC 曲线

表1 罩光清漆的外观性能

从表1 可以看出，大部分产品都是高光透亮的，这与市场上高光产品居多，亚光产品较少是一致的。而且不同产品的光泽、透光率和雾度基本没有什么差别。

唯一不同的是 ZM-10 是亚光的（不仅是亚光的，还有磨砂效果）。这可能是因为 ZM-10 中加入了 SiO2消光粉，也因此能从红外光谱中看出 Si-O 的峰。

在平常的检测工作中发现，罩光清漆的耐水性、耐碱性、耐洗刷性、耐老化性等项目的合格率非常高；耐沾污性和耐水白性比较容易不达标。耐沾污性和耐水白性与罩光清漆的 Tg 有比较强的相关性，因此对样品进行重新排序。按照 Tg 从低到高的顺序，列出了罩光清漆的耐沾污性和耐水白性。为了表征罩光清漆的疏水性，还测试了接触角。测试结果如表2 所示。

从表2 中可以看出，Tg最低的两个产品 ZM-3 和ZM-11 的 Tg 低于14 ℃，漆膜较软，导致这两个产品的耐沾污性和耐水白性都不合格。已知 ZM-11 是硅丙乳液，所以其接触角较高。

表2 罩光清漆的物理性能

ZM-2 产品是著名大厂的产品，非常特别。它的 Tg 仅有 17.5 ℃，不算很高；接触角也只有 70 ℃，是8 个产品中最低。但是它却能做到耐沾污优良（9 %），并且耐水白性 72 h 无异常。

剩下的 5 个产品的 Tg 达到 30 ℃ 以上时，耐沾污性已不成问题。有两个产品 ZM-9 和 ZM-10 的耐水白性却不如 ZM-8、ZM-4、ZM-7 等，仅能做到 24 h 和 48 h 不变白，达不到 72 h 无异常。这可能是因为配方中加入了的增稠剂和消光粉等亲水成分造成的。

ZM-7 的性能是这 8 个产品中表现最优异的，也说明了罩光清漆的性能最主要还是由乳液的类型和亲疏水性决定［8］。

罩光清漆的耐沾污性还与成膜物质的表面能有关，超疏水的表面可以实现自清洁［9］，或者加入光触媒等使罩光清漆获得超亲水自洁性［10］。由于乳液的类型不同，以及各成分对亲疏水性的影响，单测试罩光清漆的接触角基本反映不出来罩光清漆的性能好坏。仅仅可以说，接触角达到 80°以上时，耐沾污性基本合格；耐沾污性小于 80 ℃ 时无法从接触角来判定罩光清漆的耐沾污性的好坏。