超耐候型水性涂料乳液在幕墙铝材表面的应用

1. 前言

    阿科玛公司以Kynar500^?命名的树脂作为超耐候性树脂，在酒店等大型建筑物金属幕墙涂装上被广泛使用。Kynar^?独特的聚合方法，使其产品由极为细小均匀的粒子构成，优良的溶解性和便于施工成为产品的显著特征。Kynar500^?四十年来受到世界各地设计师和业主的高度评价。该产品在北美地区占有着很高的市场份额，近年来以中国为中心的亚洲地区的需求也在不断攀升。

近年来，随着对材料的环保要求越来越高，降低涂料中的挥发性有机化合物（VOC）含量成为当务之急。阿科玛早在十多前年已经关注这一课题，以位于美国宾夕法尼亚州的研发中心为主，一直着力于非溶剂型Kynar^?涂料新技术的研发。尤其是以“超耐候性”为特征的新产品的开发，不仅加快了试验的进度，还需要在实际环境下对树脂以及涂料进行长期的评估。在经过这样包括严格的评估内容在内的研发，阿科玛公司于日前推出了水分散系PVDF乳液Kynar Aquatec^?产品。本文将主要介绍采用这种材料的评估案例以及实施案例。

2. 技术介绍

构成PVDF的“碳-氟键（C-F）”的结合力可以抵抗太阳光中紫外线，具有优越的耐候性。因此，PVDF等含氟树脂的涂料通常都用于室外。Kynar500^?等传统的含氟涂料一般在分散于溶剂之后和与溶解于溶剂的丙烯酸等混合制成涂料。此类涂料需要高温烘烤，烘烤过程中溶剂会挥发，有机化合物的排放问题一直得不到解决。

阿科玛研发团队针对这个问题从10年前开始就建立了项目小组，致力于开发低VOC排放量的用于涂料的PVDF。终于，我们采用了不拘泥于现有常识的全新的方法，开发出一种全新的用于涂料的水性PVDF乳液，这就是Kynar Aquatec^?。

Kynar Aquatec^?采用专利技术制造，经过特殊的聚合工艺，丙烯酸分子均匀地渗透入PVDF分子结构内（主要是非结晶区域），形成聚合物互穿网络结构(IPN： Interpenetrating network)

乳液中的PVDF和丙烯酸树脂主要可分为“混合型”、“核壳型”和“网络型”（IPN）3种。图1显示的是各种类型的溶液（涂料）状态和固化后的状态。

如图1所示，“混合型”和“核壳型”在固化后乳胶颗粒不均匀地分散在丙烯酸树脂连续相中。图2显示了对“核壳型”的涂料涂层使用了加速老化试验连续8500小时（约1年）紫外线照射后的SEM图像。产生裂缝的部位是丙烯酸树脂集中的地方，该部位是产生涂层粉化等现象的原因，特别显著地反映在光泽的变化上。但是，使用了“网络（IPN）型” Kynar Aquatec?的涂料，由于丙烯酸树脂和PVDF是在分子的水平上形成网状结构的，没有丙烯酸树脂集中、连续存在的部位，在同等条件下经紫外线照射也不会产生裂缝（图3）。

这一现象也可以从涂料光泽的变化上得到证明，“网络（IPN）型”的涂料本身和其他状态相比是一种极为稳定的材料。图4显示的是“网络（IPN）型”涂料、“核壳型”和单纯的丙烯酸树脂的光泽变化的比较结果。不仅如此，将用于该暴露试验的样品用精密天平称量，计算其涂料表面的侵蚀（分解）速度，可以得出含有IPN结构的涂料的分解速度与其他类型相比极为缓慢（表1）。

Kynar Aquatec?无论从无需烘干还是降低环保负荷的角度看都是非常好的材料。因此，其可以在实地运用，可以期待其操作性会得到大幅度地提高。涂料的固化成膜过程已如图1所示，水分蒸发后，粒子界面开始缓慢地变形塌陷（collapse），与接触到的粒子开始融合最后成膜。粒子界面的变形塌陷是涂料中微量添加的成膜助剂（coalescent）的作用。

在Kynar Aquatec?基础上制造的涂料的一般特性如表2所示。Kynar Aquatec?和其他代表性的涂料相比，有VOC含量低、耐候性、耐污染性、耐酸性高等特点（VOC含量是制成涂料之后的数值，Kynar Aquatec?本身几乎不含VOC）。含氟树脂和其他树脂相比价格虽然更高，但是可以大大降低维护的频率，考虑到这一点，使用超耐候性的涂料从长期来讲反而是比较经济的选择。

3. 实际环境中的评估实例

我们作为以“超耐候性”为特征的涂料原材料提供厂商，始终坚持必须在实际环境下进行充分的耐候性试验的原则。实际环境中风雨和剧烈的温度变化、与粉尘和微量的化学物质的接触等，存在着加速试验无法预测的众多复杂因素。我们将涂有Kynar Aquatec?的金属板在美国佛罗里达州进行了长达6年的室外曝晒试验，这里我们以该试验的结果为中心介绍一下本材料的耐候性评估的结果（佛罗里达室外试验，是美国的涂料、建筑厂商执行的标准的试验方法之一）。

首先，将Kynar Aquatec?为树脂乳液的白色涂料涂在金属板上，在室外曝晒6年后，总日光反射值（TSR）的评估结果如表3所示。我们使用了有代表性的5种二氧化钛颜料，曝晒前获得了0.808~0.830的范围内的稳定的TSR的数值。该样本经过了6年实际环境下（南佛罗里达曝晒试验）的处理后，测出TSR为0.798~0.820，与曝晒前比较变化量非常小。这一结果表明，以Kynar Aquatec?为主要成分的白色涂料不仅具有优越的耐候性，而且可以长期稳定地反射红外线，可以作为未来“冷屋顶”（cool roof）涂层的理想材料。（已经证明，使用冷屋顶的结构材料可使夏季的电力消费量降低约20%左右。）

然后，用调配涂料（tint,经TiO₂稀释的色漆）涂在金属板后暴露在室外5年后，其TSR评估的结果如表4所示。使用调配涂料时的起始TSR为0.5~0.6与白色涂料相比相对降低了，但是在暴露5年后数值基本没有发生变化，表明其可以维持稳定的红外线反射率。

另外，经Kynar Aquatec?涂层的金属板在室外曝晒5年，清洗后的光泽度和传统的耐候性丙烯酸树脂涂料比较的结果如图5所示。传统型的耐候性丙烯酸树脂涂料的光泽度有明显的减弱，尤其是在曝晒了20个月后数值就显著下降。而Kynar Aquatec?在经过5年曝晒后光泽度没有发生变化，表明其可以维持稳定的光泽度。

在现有的建筑物上频繁的涂料重涂从成本上来说效率很低，而且，使用传统型的涂料VOC的排放从环保的角度看也是一个需要解决的问题。Kynar Aquatec?不仅针对新建的建筑物，在维护现有建筑物时的重涂上也可以发挥功用。使用Kynar Aquatec?时，不仅可减少涂刷时VOC的排放量，而且一次涂刷后可以获得长期稳定的性能，对提高维护的效率也可以作出贡献。图6是我们在丙烯酸涂层和Kynar Aquatec?涂层表面进行耐玷污性测试的情况（碳黑、氧化铁红）。可以看到，与丙烯酸涂料相比，Kynar Aquatec?涂层明显更易于清洗，拥有更卓越的抗玷污性能。

4. 使用实例

下面介绍一下两个使用Kynar Aquatec?的涂料的实际室外涂刷的应用实例。

第一例是使用在拉斯维加斯的米高梅酒店屋顶。当地的日照非常强烈，酒店屋顶的吸热影响最高层的客房的室温，经常发生投诉，问题很严重。而且，用了传统型的丙烯酸树脂，老化很快，每几年就要重涂一次，使部分客房的停止营业等，成为经营效率低下的原因。

为了克服这个问题，使用了耐候性和红外线反射性（冷屋顶性能）优越的Kynar Aquatec?白色涂料涂刷在屋顶上。（图7）在一层约0.3mm厚的发泡聚氨酯上，涂刷同样0.3mm厚的弹性丙烯酸树脂，最表面涂刷0.06mm厚的Kynar Aquatec?的涂层（参见图8）。涂刷后，我们获得报告，屋面对太阳光的反射性显著提高了，因此，最高层的客房因日照发生的温度变化也大幅度地减小了。酒店经理称： “在进行了屋面的修复后，在高温季节我们基本没有收到过来自于高层客房关于房间温度的投诉。”

图1．PVDF和丙烯酸树脂的状态和固化后的状态模式图（混合型和核壳型PVDF乳胶颗粒不均匀地分散在丙烯酸树脂连续相中，网络（IPN）型PVDF和丙烯酸树脂在分子水平保持网状结构。）
○：乳胶粒子；●：PVDF粒子；：IPN粒子

图2．使用加速试验器进行8500小时的UV照射后的“核壳型（PVDF-丙烯酸树脂结构）”表面的SEM图像（丙烯酸树脂连续的部分由于分解产生了裂缝）。

图3．使用加速试验器，进行8500小时UV照射后的“网络（IPN）型（Kynar Aquatec?）”表面的AFM图像（没有产生因UV分解的裂缝,图像强调厚度方向的变化。）

， 图4．Kynar Aquatec?、核壳型PVDF-丙烯酸树脂乳胶、耐候性丙烯酸树脂乳胶的光泽度的变化的比较（表明网络（IPN）型结构的Kynar Aquatec?的光泽变化率极低）。

表1．表面侵蚀（分解）速度根据长时间UV照射后重量的变化换算。表明Kynar Aquatec?的分解速度极慢。

表2．Kynar Aquatec?与其他各种树脂涂料一般特性的比较

表3．采用Kynar Aquatec?为主要原料调制的白色涂料涂刷后，实施6年“南佛罗里达曝晒试验”后总日光反射值的变化

表4．采用Kynar Aquatec?为主要原料调制的浅色漆涂刷后，实施5年“南佛罗里达暴露试验”后总日光反射值的变化

图5．室外曝晒试验（佛罗里达曝晒试验）中Kynar Aquatec?和丙烯酸树脂涂料的60°光泽的变化。

图6.使用碳黑和氧化铁红对丙烯酸树脂涂层（照片左侧）和Kynar Aquatec?涂料的涂层（照片右侧）玷污性测试的对比。（涂层均经过清水冲洗）

图7.拉斯维加斯的米高梅酒店使用Kynar? Aquatec涂料涂刷前后的屋顶外观。（照片由美国联合涂料公司提供）

图8．实例1在发泡聚氨酯层上，涂刷弹性丙烯酸树脂，最表面涂刷Kynar Aquatec^?时的各层示意图