内墙涂料耐污渍测试方法的研究进展

2022-10-26胡晓珍李剑峰徐宴华

涂料工业 2022年9期

胡晓珍，李剑峰，徐宴华

（上海建科检验有限公司，国家建筑工程材料质量检验检测中心，上海 201108）

建筑内墙涂层在实际生活过程中难免会沾染到各种生活污渍，如墨水、油脂、茶水等，日积月累会影响室内美观，需要一定的抵抗污渍的能力，在沾染污渍后能够通过洗刷除去表面污染物，保持洁净外观。因此，耐污渍性能是内墙涂料的一项重要指标。目前针对涂料的耐污渍性已有不少标准，如GB/T 9780—2013、HG/T 4756—2014、ASTM D4828-94

（2020）、ISO 11998：2006等。随着人们生活品质的提高和内墙涂料品种的不断丰富，现有的测试方法已经不能满足实际需求，因此本文在总结国内外的测试方法后，提出耐污渍性能试验可能的改进思路。

1 不同标准耐污渍方法的对比

国际国内常用的不同标准耐污渍方法的对比如表1所示。

表1 不同耐污渍方法的对比Table 1 Comparison of different stain resistance methods

ASTM D3450-15（2020）提供了一种标准污渍（矿物油+炭黑的混合物）用于测试，采用湿摩擦后涂层表面反射系数的变化来反应涂层的耐污渍性能；ASTM D4828-94（2020）建议了多种污渍，包括铅笔、圆珠笔、水性记号笔、红药水、蜡笔、口红、矿物油+炭黑混合物等，湿摩擦后观察涂层表面污渍的去除情况，颜色和光泽的变化来判定等级；ASTM D6578/D65 78M-13（2018）建议了4种污渍：油性记号笔、油性喷涂漆、蜡笔、水性记号笔，采用从干海绵到甲乙酮等5种不同擦洗介质对涂层能否彻底去除污渍进行评级；JG/T 304—2011采用3种污渍：墨汁、红色记号笔、黑色丙烯酸喷漆，用可完全除去污渍的不同强度的清洗剂来进行分级判定；ISO 11998：2006没有规定污渍来源，采用目视描述测试结果，无法给出定量测试数据，难以进行不同产品的对比测试；GB/T 9780—2013规定了6种污渍，滴加清洗液体，在湿摩擦后用反射系数变化来表示涂料的耐污渍性能；HG/T 4756—2014在耐污渍测试方法上引用了GB/T 9780—2013，但额外增加了光泽变化的指标和耐污渍持久性的测试项目，能更好地评价涂层在经历沾污、洗刷后表面观感的变化；ASTM D7089-06（2021）使用溶剂型油漆和墨水作为污渍来源，使用商业涂鸦清洁剂进行不同压力的水冲洗，根据能够将污渍全部清除的水压或更强的清洁剂来进行分级判定；ASTM C756-87（2021）在涂层表面施加精确量的荧光水溶性污渍剂，湿摩擦后将残留在试样上的污渍用水溶剂萃取，并测量溶液的荧光强度，通过与标准参考表面荧光强度的比值来判定涂料的清洁指数。而其余一些标准，如JIS K 5600-5-11-2014 Testing methods for paints—Part 5：Mechanical property of film—Section11：Washability、CNS 15200-5-11：2010 Methods of test for paints—Part 5-11：Mechanical property of film—Wet-Scrub resistance and cleanability、NF T30-303-2006 Paints and varnishes—Determination of wet—scrub resistance and cleanability of coatings、SS 5 Part F6：2014 Methods of test for paints，varnishes and related materials—Part F6：Determination of wetscrub resistance等完全等效采用ISO 11998：2006标准或使用类似的方法，不再讨论。

除了上述标准外，也有一些针对涂料的研究在进行耐污渍测试时会适当扩大污渍来源范围，或提出利用色差等数值对耐污渍性能进行判定。这些方法可能也拥有较好的定量表征的效果，但目前尚无全面系统的研究。

2 现有测试方法的局限

现有耐污渍测试几乎都按照图1所示的流程进行，区别在于污渍来源、去除污渍的实验方法和最后污渍残留的判定依据。本文将从这3个方面来探讨现有测试方法的局限性。

图1 耐污渍测试流程Fig.1 Stain resistance test process

2.1 污渍来源

尽管目前市面上耐污渍涂料产品五花八门，但消费者对内墙涂料的印象仍是不耐脏。参照国内外标准中的污渍来源，主要问题是污渍来源单一，仅能对产品进行横向对比，不能代表消费者实际生活中的需求[1]。尽管GB/T 9780—2013中已选取了典型的生活污渍和标准污渍，但相对于较纯粹的实验室污染源，实际发生的污染来源可能是一个混合的复杂系统，导致实验室的测试结果不能满足消费者的实际需求。

2.2 测试方法

现有标准更多考虑到涂层在沾染污渍后经过洗刷去除污渍的能力，但于实际场景而言，不沾染污渍的能力也应作为涂料耐污渍能力的考量，并直接体现在最终的测试结果上。目前所有标准的测试方法都是将涂层平铺，污渍平面涂覆在涂层表面，去除污渍的手段是清洗介质擦洗或水压冲洗。此时，根据涂层表面能和微观结构的不同，如图2所示，污渍在涂层表面的形态满足Wenzel模型或Cassie-Baxter模型，显然当污渍在涂层表面符合Cassie-Baxter模型时耐污渍测试更容易得到更好的结果。

图2 污渍在涂层表面浸润状态Fig.2 Wetting state of stain on coating surface

已经有不少研究人员注意到了涂料成膜的致密性和体系的亲水亲油平衡性对现有标准中污染源侵染的影响[2]。平铺污渍的测试方法可能对固态污渍影响较小，但对于液体污渍（如食用醋、红茶等）影响较大。由于在实际中，涂层是垂直于水平面的，因此需要考虑到涂层和污渍的亲和性。垂直施加污渍的方式能够让双疏的涂料得到更好的测试结果，也更符合实际场景。

2.3 判定依据

总体来说，除去污渍的选择不同外，上述所有标准都采取了2种路线来判断耐污渍性能：一种是用能够完全去除污渍的清洁强度（包括不同等级的清洁剂、擦洗介质或水压等）来衡量耐污渍性能；另一种是通过洗刷后污渍在涂层表面的残留程度，包括污渍残留的定量分析或污渍残留对涂层外观变化的影响（反射系数、色差等）。第1种方法的局限性在于，从原理上讲，不同污渍存在更适合的专用清洁剂，因此不同强度的清洁强度难以定义，在测试结果上容易引起偏差。第2种方法则对洗刷介质没有特殊要求，但ASTM D3450-15（2020）、GB/T 9780—2013等通过污渍残留导致涂层反射系数变化来表征耐污渍性能，由于反射系数是以着色组分对底材的遮盖力来衡量，特别是针对本身拥有一定颜色的涂料，测试结果的体系偏差较大。从微观角度，涂层表面凹凸不平，污渍涂覆后溶剂蒸发，具有着色性的物质进入涂层毛细孔，沉积在涂层表面且难以被洗刷除去，从而对涂层造成污染。因此通过判定污渍在涂层表面洗刷后的定量残留，更能准确地鉴别涂料产品的耐污渍性能，而忽略涂料本身的颜色的影响。ASTM C756-87（2021）中利用荧光来表征污渍残留，虽然定量性好，但限定了污渍来源，未考虑生活中油性污渍的情况，不能反映实际应用中的情况。除了上述标准外，也有公司利用污渍在涂层表面的渗透深度来进行判定，如立邦在CN106932322A[3]中描述了涂层在浸染污渍后，利用电子显微镜拍摄污染区域横截面计算污渍渗透率来判断涂料产品耐污渍能力。该方法可以一定程度上对涂层的耐污渍能力进行定量表征，但测试时需要对污染后的涂层样品进行切片处理，实施起来较为困难，且设备成本要求较高。

3 耐污渍测试方法的改进建议

耐污渍测试方法应能让实验室测试结果与实际场景有更高的匹配性，即消费者通过测试结果即可明确了解涂料在实际使用场景中的耐污渍水平。除了洗刷方式外，污渍来源和涂覆方式也应更贴近实际场景。因此，结合现有标准的局限，耐污渍性能测试可能的改进方向如下。

3.1 污渍来源

无限制地扩大污渍来源是不可行的，更应深入地研究污渍在涂层表面的界面原理和污渍残留的定量表征方法。可以从涂层本身的特性（如表面粗糙度、孔隙率）和与污渍的亲和性（如液体污渍在涂层表面的接触角）出发，探索不同污渍在具有同一表面特性涂层表面的残留特征，从而挖掘不同污渍浸染涂层的通用特点，用更少的污渍说明涂料产品的耐污渍性能。现有GB/T 9780—2013选择的6种污渍亲水亲油性各不相同，已经具有一定的代表性，在尚未更深入地研究出涂层表面与污渍残留的对应关系前，沿用现有的6种污渍进行测试仍是有意义的。

3.2 测试方法

在实验方式上，可以考虑涂层垂直水平面放置，定量的污渍以从上方淋下，或从涂层前面以平射的方式浸染涂层。在洗刷方式上也应考虑垂直方向上的洗刷方式，例如CN111855462A[4]公开了一种立式洗刷仪（图3），清洁液体从上方淋下，毛刷以滚筒式进行洗刷。显而易见，立式的污渍浸染和洗刷方式更能贴近实际场景。

图3 CN111855 462 A中公开的一种立式洗刷仪Fig.3 CN111855 462 A discloses wet abrasion scrub tester

3.3 判定依据

如果从污渍侵染洗刷后涂层外观变化角度考量，可能色差和光泽变化就能较好地反应人眼在观察室内墙面遭受污渍后的真实场景。这种方法在应用上能较好地进行平行比较，但当涂料本身的颜色不是白色或浅色时，由于涂料颜色的影响，测试结果会出现较大的偏差。如果以污渍残留量作为判定依据，那么就可以排除污渍颜色和涂料颜色对测试的干扰，并在此基础上研究污渍在涂层表面的界面原理。因此有必要研究污渍在涂层表面洗刷后残留的定量化表征方式。可以在洗刷后，针对现有污渍，利用分光光度法定量测量残留，或在污渍中加入合适的标定物，通过测定标定物的残留来判断污渍的残留。