親水型自清潔氟碳涂料的制備及其性能研究
鄭欣，張鵬飛，李江萍( 赫普( 廣州) 涂料有限公司，廣州511356)
摘要: 通過特殊技術(shù)改進(jìn)常規(guī)氟碳涂料，研制了自清潔、耐沾污氟碳涂料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該涂料具有良好的雨水自清潔效果和優(yōu)異的涂膜綜合性能。
關(guān)鍵詞: 親水型; 自清潔; 耐沾污; 氟碳涂料
中圖分類號(hào): TQ 637 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 0253 － 4312( 2013) 01 － 0059 － 04
氟碳涂料作為具有優(yōu)異耐候性和防腐蝕性的高性能涂料，廣泛應(yīng)用于橋梁、機(jī)場等耐候性要求高的領(lǐng)域，然而涂膜在實(shí)際使用過程中，會(huì)受到使用環(huán)境中各種物質(zhì)的污染，包括空氣中的粉塵、油性煙霧、工業(yè)廢氣、汽車尾氣、酸雨等，這些污染物會(huì)粘附在涂膜表面并不斷積累，從而使涂膜在短期內(nèi)失去鮮艷的色彩，變黑變灰，嚴(yán)重影響涂膜的裝飾效果和保護(hù)功能。因此改善目前常用的PVDF 和FEVE 氟碳涂料的耐沾污性是氟碳涂料發(fā)展的一個(gè)新方向。
為了解決氟碳涂料的耐沾污性問題，本研究研制出一種自清潔氟碳涂料55GCN，該涂料采用最新的親水自清潔技術(shù)，能長期有效抵抗各種污染物對(duì)涂膜的污染，使得涂膜持久如新。
1· 涂膜的耐沾污自清潔理論
涂膜的沾污污染可以分為吸入性污染和附著性污染兩大類。因此提高涂膜的耐沾污性主要通過改善涂膜的表面性質(zhì)使污染物難以吸附并容易除去，或通過提高涂膜的致密性使污染物不易滲入。
在提高涂層的致密性方面，三聚交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比普通的線型結(jié)構(gòu)和二聚結(jié)構(gòu)( 縮二脲) 更加致密，大大提高了涂膜的硬度，污染物很難滲入涂層表面，同時(shí)污染物也不易粘附［2］。在改善涂膜表面性能方面，通過增大或減小涂膜表面的水接觸角，從而使涂膜表面具有疏水性或親水性是實(shí)現(xiàn)涂膜耐沾污、自清潔功能的兩大方向。
具有很大水接觸角和超強(qiáng)疏水性的涂膜表面就如荷葉表面，這種表面所具有的特性稱為荷葉效應(yīng)。荷葉效應(yīng)是使涂膜表面具有很大的水接觸角和超強(qiáng)的疏水能力，從而使涂膜表面具有類似荷葉表面的耐沾污性能。荷葉疏水自清潔機(jī)理是水滴落在荷葉表面，會(huì)變成一個(gè)個(gè)自由滾動(dòng)的水珠，水珠在滾動(dòng)中能帶走荷葉表面的塵土。采用疏水技術(shù)制備的涂膜表面具有較大的接觸角，而雨水在這類涂膜上有較低的滾動(dòng)角，容易將污染物沖走。雖然采用疏水技術(shù)制備的涂膜對(duì)親水性污染物的清除效果不錯(cuò)，但也存在很多缺陷。由于疏水技術(shù)制備的涂膜具有憎水親油的性質(zhì)，所以容易吸附空氣中親油性污染物，而且難以除去，被雨水沖刷后很容易產(chǎn)生雨痕。而且要達(dá)到有效的荷葉效應(yīng)，要求涂膜的接觸角大于150°，技術(shù)上較難實(shí)現(xiàn)。
一般來說，疏水效果只能對(duì)親水污染物有良好的防吸附作用，而親油性污染物非常容易吸附在樹脂涂膜表面，疏水性涂料很難被雨水潤濕，從而雨水從親油性污染物表面滾過時(shí)很難將污染物帶走，這使得疏水性涂料的雨痕問題更為嚴(yán)重。據(jù)相關(guān)部門分析，我國空氣污染物中90% 的污染物均為有機(jī)物，有機(jī)物親油的特性決定了親水涂膜在我國比疏水涂膜具有更好的自清潔效果。
通過減小涂膜表面的水接觸角，可以制備具有自清潔功能的親水涂膜。親水涂膜使得雨水很容易潤濕涂膜，使污染物只能松散地吸附在涂膜表面，不但可以避免雨水流下帶來的雨痕問題，也可以對(duì)灰塵進(jìn)行良好的潤濕而使灰塵容易被雨水沖洗掉［3］。親水涂料的自清潔去污機(jī)理如圖1 所示。
通常涂膜對(duì)水的接觸角越小涂膜親水效果越好，涂膜的耐沾污、自清潔效果也越好，通常涂膜的親水接觸角小于60°，涂膜表面具有良好的自清潔效果。親水涂膜水接觸角與耐沾污性的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2 所示。
親水自清潔涂料需要很小的水接觸角，但過小的接觸角會(huì)導(dǎo)致涂膜十分親水，影響涂膜的耐水性，導(dǎo)致涂膜遇水發(fā)白。涂膜重涂后，遇到下雨，雨水將滲透到舊涂層表面，在舊涂層表面積累，從而使新涂層脫落。此外，過小的接觸角使得涂膜長期吸水處于潮濕狀態(tài)，容易滋生霉菌，反而會(huì)影響涂膜的耐沾污性。
為了實(shí)現(xiàn)氟碳涂料的耐沾污、自清潔功能，又不影響氟碳涂料耐水性等其他性能，本研究采用特殊技術(shù)，使普通氟碳涂料涂膜表面產(chǎn)生親水性基團(tuán)，降低涂膜與水的接觸角，使得油性污染物附著不牢，容易被雨水沖刷走［4］。該技術(shù)制備的氟碳涂膜對(duì)親水性和親油性的污染物都具有很好的清潔效果。
2· 實(shí)驗(yàn)部分
2. 1 自清潔氟碳涂料制備原理
通過在常規(guī)氟碳涂料甲組分中添加含氟烷基硅酸鹽材料，配合乙組分三聚體結(jié)構(gòu)的異氰酸酯固化劑交聯(lián)成膜后，可以實(shí)現(xiàn)氟碳涂料的表面親水化。
烷基硅酸鹽材料中含氟烷基硅酸鹽表面自由能低，具有極低的表面張力，含氟烷基硅酸鹽在氟碳涂料表面的移動(dòng)性很大，氟碳涂料施工后涂膜表面的氟烷基硅酸鹽含量迅速升高，涂膜表面形成濃縮層的氟烷基硅酸鹽可以進(jìn)行加水分解，實(shí)現(xiàn)了涂膜表面親水化。而且含氟烷基硅酸鹽材料可以單獨(dú)在氟碳樹脂和異氰酸酯固化劑中穩(wěn)定存在，不存在貯放時(shí)間久或交聯(lián)反應(yīng)而使含氟烷基硅酸鹽材料失去表面遷移效果。
2. 2 涂膜的制備
甲乙組分按照特定的配比混合攪拌均勻后，加入一定量的稀釋劑，采用有氣噴涂的方法，分別在馬口鐵板，噴砂鋼板，鋁板上噴涂制成適當(dāng)厚度的涂膜。
2. 3 接觸角的測試
用JC － 2000C1 靜滴接觸角、界面張力測量儀測定涂膜與水的接觸角。
2. 4 耐沾污性測試
評(píng)價(jià)涂膜的耐沾污性能主要是按ASTM D3719 － 00 的標(biāo)準(zhǔn)來測定涂膜的耐沾污指數(shù)( DC) 。按標(biāo)準(zhǔn)制備樣板養(yǎng)護(hù)7 d后測定其L1值，然后將樣板45°角正面向上在戶外放置61 d，取下樣板測定其L2值。通過式( 1) 計(jì)算樣板的耐沾污指數(shù)。
DC = L2 /L1 × 100 式( 1)
2. 5 涂膜性能測試
按GB/T 1865—1997 的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂膜人工加速老化實(shí)驗(yàn)。按照HG/T 3792—2005 交聯(lián)型氟樹脂涂料( Ⅱ型) 、HG/T 3792—2005 交聯(lián)型氟樹脂涂料( Ⅰ型) 的技術(shù)要求，測試涂膜的各項(xiàng)基本性能。
3· 結(jié)果與討論
3. 1 涂膜與水的接觸角
涂膜養(yǎng)護(hù)15 d 后，測定普通氟碳涂料和普通聚氨酯涂料的水接觸角以及經(jīng)過特殊技術(shù)處理后的氟碳涂料和聚氨酯涂膜的水接觸角。測試接觸角結(jié)果如圖3 所示。
從圖3 可知，親水化技術(shù)處理后的聚氨酯涂料和氟碳涂料的水接觸角均比未處理過的減小。親水化處理過的氟碳涂料55GCN 涂膜的水接觸角降低到56°，具有很好的親水性能，從理論上證明了該涂料制備的涂膜具有良好的耐沾污、自清潔的效果。
3. 2 自清潔氟碳涂料的耐沾污性能
耐沾污指數(shù)按式( 1) 計(jì)算。耐沾污指數(shù)越高，則涂膜的耐污染性能越好。普通氟碳涂料與自清潔氟碳涂料55GCN 的耐沾污指數(shù)對(duì)比如圖4 所示。
經(jīng)過12 個(gè)月的戶外曝曬，自清潔氟碳涂料55GCN 與普通氟碳涂料的耐污染自清潔效果如圖5 所示。從圖5 可以看出，與普通氟碳涂料相比， 55GCN 的自清潔效果十分明顯。
3. 3 自清潔氟碳涂料55GCN 的耐老化性能
為驗(yàn)證自清潔氟碳涂料55GCN 的耐老化性能，按照GB/T1865—1997 的測試方法，對(duì)55GCN 與普通氟碳涂料的保光性和耐候性進(jìn)行了5 000 h的Q － UVB 人工加速老化對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測試結(jié)果如圖6、圖7 所示。
從圖6 和圖7 可以看出，經(jīng)過5 000 h的Q － UVB 人工加速老化實(shí)驗(yàn)，普通氟碳涂料和自清潔氟碳涂料55GCN 涂層的保光率基本接近，涂層的色差ΔE 基本接近，說明本研究采用的親水化處理技術(shù)不會(huì)對(duì)氟碳涂膜的保光率和色差產(chǎn)生不良影響。
為了驗(yàn)證自清潔氟碳涂料55GCN 耐老化后自清潔效果的持續(xù)性，本研究測試了涂膜經(jīng)過1 500 h的Q － UVB 人工加速老化后的親水接觸角。測試結(jié)果如圖8。
從圖8 可以看出，經(jīng)過1 500 h的Q － UVB 人工加速老化后，涂膜的接觸角為68°，涂膜仍然保持較低的水接觸角，說明涂膜的自清潔效果長期有效。
3. 4 自清潔氟碳涂料55GCN 的基本性能
按照HG/T 3792—2005 交聯(lián)型氟樹脂涂料( Ⅱ型) 、HG/T3792—2005 交聯(lián)型氟樹脂涂料( Ⅰ型) 的技術(shù)要求，測試自清潔氟碳涂料55GCN 的各項(xiàng)基本性能，檢測結(jié)果如表1所示。
4 ·結(jié)語
本研究制備的自清潔氟碳涂料55GCN 作為新一代的防腐蝕自清潔涂料產(chǎn)品，采用特殊的親水化技術(shù)，使涂膜保持長期的耐沾污和耐候性能，適用于對(duì)防護(hù)和裝飾性都有較高要求的橋梁、建筑等工業(yè)領(lǐng)域，可以長期保持使用區(qū)域的清潔外觀，延緩各種污染物的腐蝕，能有效地降低清潔維護(hù)成本。
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