高耐候自清洁水性多彩涂料制备及配套研究

高耐候自清洁水性多彩涂料制备及配套研究
刘晓静，安文栋，凌　 芹，赵常永，张晓蔓，邢 笑
(石家庄市油漆厂，石家庄　050051)

0　前　言
水性多彩涂料是一种新型的装饰型涂料，与花岗岩大理石和真石漆相比，它具有逼真的仿真度、优异的性能、简单的施工工艺、相对低的成本等众多优点，能代替花岗岩等石材，减少对天然石材的开采。随着环保法律法规的日益严格和人们环保意识的逐渐提高，环境友好型产品已经开始占据主导地位。另外，由于北方地区干燥少雨、风大多尘、阳光紫外线相对较强的环境特点，为了提高外墙产品的使用寿命，减少翻新频率，节约资源，外墙涂料的性能要求也要相应的提高。尤其是在墙体的自清洁和耐紫外线老化方面，需更应符合北方环境特点要求。
本实验依据T/CPCIF 0001—2017《绿色设计产品评价技术规范　水性建筑涂料》、DB13/3005—2017《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准》、HJ 2537—2014《环境标志产品技术要求　水性涂料》、GB 24408—2009《建筑用外墙涂料中有害物质限量》和HJ/T 4343—2012《水性多彩建筑涂料》的标准要求，研制出一种适合北方环境、满足人们对墙体的装饰效果追求、符合绿色环保要求的高耐候自清洁水性多彩涂料产品。

1　实验部分
1.1　主要实验原料
保护胶，工业级，进口；羟乙基纤维素，工业级，亚什兰；硅丙乳胶，工业级，国产；纯丙乳胶，工业级，国产；钛白粉，R706，杜邦；水性色浆(氧化铁黑、氧化铁红、氧化铁黄)：工业级，国产；防腐剂，工业级，进口。

1.2　实验仪器
接触角测定仪(CA-100D)：上海盈诺精密仪器有限公司；高速分散机(WJ-1.1)、热贮存干燥箱(TIK)、耐洗刷仪(PS2730)：上海普申化工机械有限公司；氙灯老化测试仪(Q-LAB)：进口；斯托默黏度计(STM-2)：标格达精密仪器有限公司；造粒机(JD-2.1)：佛山捷鼎机械设备有限公司；多彩喷枪(TT-871)：浙江城宇；电热鼓风干燥箱(101-1AD)：上海坤天实验室仪器有限公司。

1.3　高耐候自清洁水性多彩涂料的制备
1.3.1　保护胶溶液的制备
保护胶溶液的基础配方见表1。

称取一定量的去离子水倒入搅拌罐中，将分散机的转速调至800～1 200 r/min，再将称量好的保护胶缓慢加入(以免发生结块)，分散20～30 min即得保护胶溶液。

1.3.2　调色基础涂料的制备
调色基础涂料的配方见表2。

按配比在200～300 r/min的搅拌速率下将羟乙基纤维素加入水中，分散2～3 min后依次加入分散剂、润湿剂、消泡剂、颜填料、多功能助剂，将搅拌速率提高到1 200～1 500 r/min，搅拌20～30 min至完全溶解，在600～800 r/min依次加入保护胶溶液、乳胶、成膜助剂、丙二醇、消泡剂、防腐剂、保护胶溶液，继续分散5～10 min，即得调色基础涂料。

1.3.3　连续相的制备
连续相基础配方见表3。

称取一定量的去离子水倒入搅拌罐中，在低速600～800 r/min搅拌下依次加入乳胶、多功能助剂、成膜助剂、丙二醇、消泡剂、防腐剂、增稠剂，搅拌10～20min至均匀。

1.3.4　高耐候自清洁水性多彩涂料的制备
高耐候自清洁水性多彩涂料的制备见表4。

称取一定量的保护胶液倒入搅拌罐中，将基础涂料按一定比例分为几份，分别调色；调色完成后按比例将各色基础涂料加入到保护胶溶液中，低速分散后制成鸡蛋大小的色块；然后用造粒机造粒，根据粒子大小选择合适的筛网及转速；最后将一定量的连续相加入到彩粒中，混合均匀，检测黏度。即制得最终的水性多彩涂料成品。

1.4　高耐候自清洁水性多彩涂料制备生产工艺
高耐候自清洁水性多彩涂料制备生产工艺见图1。

1.5　高耐候自清洁水性多彩涂料罩光清漆的制备
高耐候自清洁水性多彩涂料罩光清漆基础配方见表5。

高耐候自清洁水性多彩涂料产品，从产品的资源属性、能源属性、环境属性、产品属性等4大属性全生命周期进行绿色环保设计。形成了真正意义上的绿色环境友好、高耐候、自清洁产品。基于以上4大属性的要求，在制备高耐候自清洁水性多彩涂料产品过程中，所用原材料均符合绿色环境友好型涂料用原材料的要求。

1.6　性能检测
根据上述基础配方及制备工艺，制备的高耐候自清洁水性多彩涂料按照T/CPCIF 0001—2017《绿色设计产品评价技术规范　水性建筑涂料》、DB13/3005—2017《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准》、HJ 2537—2014《环境标志产品技术要求　水性涂料》、GB 24408—2009《建筑用外墙涂料中有害物质限量》这4项标椎中要求最高的一项标椎对产品的有害物质含量进行检测，检测指标、检测结果和检测依据如表6所示。

涂料的涂膜性能检测依据HJ/T 4343—2012《水性多彩建筑涂料》标准要求进行检测，涂膜性能测试为复合涂层(底涂＋水性多彩涂料＋罩光清漆)，具体检测指标、检测结果及检测依据如表7所示。

2　结果与讨论
2.1　水性多彩连续相乳胶种类对涂膜性能的影响
结合水性多彩涂料调色基础涂料的特点，本实验选用国内一款硅丙乳胶作为调色基础涂料的成膜物质。因乳胶中的乳化剂或者乳液结构中的官能团会与保护胶发生反应，引起色粒膨胀变形，破坏成品后的稳定性，导致乳胶与保护胶兼容性变差，致使涂膜遇水起泡发白，影响装饰效果，破坏柔性保护膜。而硅丙乳胶与目前市场上各主流保护胶体系均有较好的相容性，有广泛的应用前景，本实验对此不做详细讨论。
水性多彩涂料连续相乳胶对最终涂膜的性能至关重要，其作用是使多彩涂料牢固地黏结到建筑物墙面，对建筑物外表起到美化和保护作用。其对人工老化性的影响尤为突出，目前高耐候是水性多彩涂料发展的趋势之一，因此在制备过程中应考虑以下几个因素：(1)连续相乳胶与所选保护胶溶液有较好的相容性，即与保护胶保持“相对惰性”，以防止贮存过程中出现黏度猛增甚至凝胶的现象。(2)优异的耐候性，提高产品的使用寿命，减少翻新频率，节约资源。(3)合适的成膜温度、较小的粒径，在保证成膜良好的前提下保证涂膜的致密性和耐沾污性。(4)良好的物理机械性能和耐化学品性以满足标准要求。本实验选取市面上常用的5种多彩连续相乳胶做对比测试，测试结果如表8所示。

表8选取的连续相乳胶包括3种硅丙乳胶和2种纯丙乳胶。从表8可以看出其性能有明显差异，W3基本满足产品性能要求，但与保护胶溶液有反应，容易后增稠；W2和W4与保护胶相容性较好，但耐人工老化性不能满足标准要求，且W2成膜性较差；W5与保护胶的相容性及人工老化性均不能满足要求。从表8还可以看出，W1、W2、W3的耐人工老化性能明显优于W4和W5，这是因为W1、W2、W3的Si—O的键能远大于C—C键和C—O键，这使得硅丙乳胶的耐热性、耐候性、抗氧能力明显增强，可有效延长水性多彩涂料的使用寿命，尤其是W1更能体现产品的高耐候特性。且W1与保护胶有很好的相容性，物化性能指标均满足标准要求，因此本实验最终选用W1作为制备水性多彩连续相的乳液。

2.2　颜填料种类对涂膜性能的影响
按照化学组成，颜料分为有机颜料和无机颜料两大类，而决定颜料耐光性和耐候性的主要因素是颜料的化学组成和结构，还与周围介质以及颜料粒径等有关。一般来说，无机颜料耐光性和耐候性比有机颜料好，而且有机颜料的粒径偏小会影响水性多彩涂料的后期贮存稳定性，造成渗色、后增稠等问题。以炭黑与铁黑色浆为例：选用相同颜色的炭黑色浆和铁黑色浆，采用相同配方进行研磨，测试颜料种类对彩粒渗色性能的影响，结果见图2。

本实验选用无机颜料为氧化铁红色浆、氧化铁黄色浆及氧化铁黑色浆3类色浆，可提高产品的耐候性，避免渗色、后增稠等问题的出现。但不同厂家的色浆与多彩涂料的相容性也有明显差异，本实验选用4个不同厂家的氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁黑色浆进行实验，实验结果见表9。

由图2可见，采用铁黑色浆着色的基础涂料，造粒后分散介质的吸光度小，抗渗色性能更好；而采用炭黑色浆着色的基础涂料，造粒后分散介质的吸光度偏大，渗色较为严重。这是由于炭黑色浆的粒径较小，更容易从柔性膜中渗透出来，导致基础涂料的渗色；相反铁黑色浆的粒径较大，在基础涂料中较为稳定，不易穿透柔性膜，抗渗色性能较好。
由表9可以看出，不同厂家的色浆对产品的渗色性、后增稠及贮存稳定性有一定的影响，这是因为不同厂家在色浆制备过程中，使用的分散润湿剂的种类及用量有所不同，而分散润湿剂种类及用量对多彩涂料的渗色、后增稠影响较大。因此本实验选用方案X2中的3种色浆制备高耐候自清洁水性多彩涂料。

2.3　助剂种类的筛选
本实验主要对多彩涂料用防腐剂进行筛选，因为在水性多彩涂料制备过程中会大量使用纤维素及保护胶，这就为微生物提供了大量的养分。微生物的存在会给产品带来各种问题，例如：黏度下降、发臭、乳胶破乳等，最终导致产品报废。因此防腐剂的正确选择，能有效避免以上情况的发生，保证产品质量，提高生产效率和产品的贮存稳定性。而本实验研究的是满足全生命周期的绿色环境友好型产品，那么产品必须符合T/CPCIF 0001—2017《绿色设计产品评价技术规范　水性建筑涂料》标准要求，所以防腐剂的筛选应符合绿色环境友好型涂料用原材料的要求，实验选用3种防腐剂进行检测，测试结果见表10。

从表10可以看出，随着防腐剂添加量的增加，产品的贮存性能随之提升，但T/CPCIF 0001—2017《绿色设计产品评价技术规范　水性建筑涂料》标准中对产品的重金属含量及生物杀伤剂含量均有严格要求，防腐剂的使用量直接影响产品中重金属含量及生物杀伤剂的含量是否满足标准要求。通过表10可以看出，方案Y2和Y3的贮存稳定性无明显差异，但是GB/T35602—2017《绿色产品评价　涂料》标准要求氯甲基异噻唑啉酮/甲基异噻唑啉酮含量小于15 mg/kg，而防腐剂C中异噻唑啉酮含量为0.6%，方案Y3中异噻唑啉酮含量超出标准要求，因此本实验选用防腐剂B制备高耐候自清洁水性多彩涂料。

2.4　罩光清漆对涂膜性能的影响
水性多彩涂料自身具有一定的耐候性和自清洁能力，但是不足以满足阳光中紫外线相对较强且风大多尘的北方环境的要求，因此就需要在水性多彩涂料的涂层上覆盖一层更加致密的保护膜来提高涂层的使用寿命和自清洁能力，这层致密的保护膜就是罩光清漆。罩光清漆的引入主要是为了提高涂层的耐候性和自清洁能力，但是在满足高耐候自清洁的前提下，产品的其他理化性能也要兼顾。本实验选用3种乳胶制备罩光清漆，将制备的罩光清漆与水性多彩涂料复涂，测试产品性能，检测结果见表11。

由表11可以看出，实验方案Z1的综合性能优于实验方案Z2和Z3，这是因为Z1选用的乳胶是一种利用化学共聚法将有不饱和键的有机硅氧烷单体和丙烯酸酯类单体共聚，在聚合物主链上引入硅氧烷的改性硅丙乳胶。它在干燥成膜时，硅氧烷水解、缩聚，可在聚合物分子之间以及聚合物与基材之间形成牢固交联的立体网络(—Si—O—Si—)结构，使涂膜具有很强的耐水性和附着力。而且，聚硅氧烷分子呈螺旋结构，甲基向外排列并绕Si—O链旋转，分子体积大，内聚能密度低，从而使乳胶有很强的耐候性、憎水性和防尘性。
将实验方案Z1的测试结果与表8对比，产品的耐人工老化性能明显提升，耐沾污性达到0级，由此可以看出罩光清漆的引入更加突出了高耐候自清洁的设计理念。

3　配套应用
任何产品的应用，都要有合适的配套来体现其本身的价值，所以，配套性的综合性能才是涂膜的完整体现。经过1 a多时间的模拟实验和实际应用，得出高耐候自清洁水性多彩涂料的最佳配套体系，见表12。

此配套体系中柔性腻子的选择可一定程度上弥补墙体裂纹带来的弊病，抗碱封闭底漆和配套底色的选择有效提高了涂层的层间附着力，使多彩面漆花纹和质感融于一体，相互融合，最终罩光清漆的搭配使产品在耐候性和自清洁能力方面有了显著的提升。此配套已批量应用于用各类商业、公共建筑及住宅等高档别墅、小区，见图3。

4　结　语
高耐候自清洁水性多彩涂料，从产品的资源属性、能源属性、环境属性、产品属性等4大属性全生命周期进行绿色环保设计，形成了真正意义上的绿色产品，产品符合T/CPCIF 0001—2017《绿色设计产品评价技术规范　水性建筑涂料》、DB13/3005—2017《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准》、HJ 2537—2014《环境标志产品技术要求　水性涂料》、GB 24408—2009《建筑用外墙涂料中有害物质限量》和HJ/T 4343—2012《水性多彩建筑涂料》的标
准要求。同时对高耐候自清洁水性多彩涂料的配套应用技术进行了有益探索，确定了同时具有环境友好型和自清洁涂层配套体系，为外墙用产品的配套体系提供了重要参考。