氙燈和自然氣候老化對水性多彩仿石涂料性能的影響

王燕，朱宇宏，曹麗芬，陳韶，余輝，郭靜卓

（江蘇省產品質量監督檢驗研究院，江蘇南京 210007）

水性多彩仿石涂料具有良好的仿真性、美觀性，因此可以用于代替價格昂貴的稀有石材，并且有效降低石材用于外墻裝飾的公共危險性；其價格僅為天然石材的1/10～1/5，可以有效節約工程成本[1]。它還擁有壽命長，附著力強，質地輕，抗污性好，耐水、耐堿、耐鹽霧和耐洗刷性能超群的優點，并可用于內外墻和地坪，因此成為未來極具應用前景的新型建筑裝飾材料。目前，國內對多彩仿石涂料的檢測方法主要是根據行業標準HG/T 4343—2013《水性多彩建筑涂料》、JC/T 24—2000《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》和 GB/T 9755—2014《合成樹脂乳液外墻涂料》標準檢測，相對于橡膠、金屬等已具有經驗公式計算使用年限的材料，涂料由于其多樣性尚未有通用的經驗公式。國內外目前也還未有關于涂料老化機理及壽命評估方面全面而詳實的研究、總結。本文主要研究水性多彩仿石涂料在氙燈老化下和自然氣候老化的壽命及其相關性。

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

水性多彩仿石涂料底漆、中涂漆和罩面漆：南京龍虎涂料有限公司。

體式顯微鏡（SZX16）：奧林巴斯（中國）有限公司；臺式分光測色儀（650）：美國datacolor公司；紅外光譜測定儀（IS10）：美國Thermo公司；熱重分析儀（209F3A）：德國NETZSCH公司；接觸角測量儀（DSA100）：德國Kruss公司；氙燈老化箱（XE-3HS）：美國Q-LAB；光澤度儀（MN60）：天津市其立科技有限公司。

1.2 試樣的制備

試驗用樣板的常規性能檢測均為無石棉水泥板，規格150 mm×70 mm× 5 mm，其表面處理按GB/T 9271—2008[2]中10.2的規定進行。試板的制備按GB/T 9755—2014[3]進行，涂刷后養護7天。制備了兩種涂料板，包括龍虎涂料涂有罩面漆（1-1）、龍虎涂料未涂罩面漆（1-2）。其中每種涂料板均放入氙燈老化箱3塊，45°和90°暴露在自然氣候中老化各3塊，另外每種保留3塊在干燥、黑暗的干燥皿中作為空白樣。

1.3 氙燈老化試驗

人工氣候老化按照GB/T 1865—2009[4]進行輻照，并定期取樣跟蹤老化結果，結合色差儀、體式顯微鏡監測涂層的外觀變化。采用TGA對涂層的熱降解穩定性進行分析，全反射紅外跟蹤測試不同老化時間下基團吸收峰的變化。

1.4 日照老化試驗

自然氣候老化按照GB/T 3681—2011[5]中的方法A進行老化。

1.5 測試表征

本實驗使用體式顯微鏡觀察經過不同時間老化的水性多彩仿石涂料板表面的變化，觀察裂紋出現，放大倍率在20×～116×。

使用FT-IR紅外光譜儀對制得的水性多彩仿石涂料板進行表征，測試時掃描范圍為400～4 000 cm-1。

使用臺式分光測色儀對不同時間老化的水性多彩仿石涂料板顏色的變化進行表征，通過與未老化時樣品的顏色進行對比，得到色差值。

采用熱重分析儀表征老化前后樣品的耐熱性能。采用氮氣保護，溫度范圍為 40～700℃，升溫速率為10 ℃ /min，空氣流為 50 mL/min。

使用接觸角測量儀對老化前后的水性多彩仿石涂料的表面上、中、下3個位置進行接觸角測試，并使用3次的平均值表征耐水性能。

使用光澤度儀（60°）對老化前后的水性多彩仿石涂料的表面上、中、下3個位置進行光澤度測試，并使用3次的平均值表征光澤度，計算出光澤度的變化值。

2 結果與分析

2.1 形貌表征

不同老化方式和老化時間的顯微結構如圖1所示。其中，a、b均為氙燈老化開始出現裂紋圖，其中a涂有罩面漆，老化時間982 h，b無罩面漆，老化時間557 h；c、d、e、f均為自然氣候老化開始出現裂紋圖，其中c、d涂有罩面漆，c為45°暴露，老化時間為9個月；d為90°暴露，老化時間為9個月；e為日照老化，無罩面漆，45°暴露，1個月；f為無罩面漆，90°暴露，3個月。

圖1 不同老化方式和老化時間的顯微圖

罩面漆能增加涂料的抗開裂能力，開裂方式以產生裂縫為主，未涂罩面漆的涂料開裂以表面脫落為主。從裂紋判斷表面涂有罩面漆的漆板在氙燈老化982 h的裂紋程度與自然氣候老化45°暴露的漆板老化9個月相近；未涂罩面漆的漆板在氙燈老化557 h的裂紋程度與自然氣候老化45°暴露的漆板老化1個月相近。從圖1中可以看出，裂紋主要出現在彩色顆粒上。

2.2 紅外表征

從圖2中的2 869.3 cm-1、1 729.2 cm-1、1 456.5 cm-1、1 385.7 cm-1、1 231.8 cm-1、1 116.6cm-1等吸收峰和圖3中的 2 926.0 cm-1、2 869.3 cm-1、1 731.3cm-1、1 456.5 cm-1、1 379.8 cm-1、1 229.9 cm-1、1 134.9cm-1等吸收峰在老化的過程中變小，且c＜b＜d＜a，由此可以看出，漆板在45°暴露進行自然氣候老化下表面的漆降解的最快。圖3與圖2比較，少了1 268 cm-1處的Si-(CH3)2的特征吸收峰，其表面未涂硅丙清漆[6]。

圖2 涂有罩面漆的涂料在不同老化方式下的紅外譜圖

圖 未涂罩面漆的涂料在不同老化方式下的紅外譜圖

2.3 熱重表征

從圖4和圖5可以看出，未經老化的涂料失重最多，主要因為其表面未有無機物的污染，且涂料未經過自然氣候老化中雨水沖刷和氙燈內漆板的潤濕，失重部分為涂料的分解。c、d漆板表面有無機物的污染，且c漆板污染的較為嚴重，其失重較少。老化后漆板的最大降解速率溫度要高于未老化的漆板溫度。

圖4 涂有罩面漆的涂料在不同老化方式下的熱重譜圖

2.4 接觸角表征

接觸角可反映涂料的抗沾污性，接觸角越大，抗沾污性能越好。從表1可以看出，在經過老化后，涂料表面的接觸角都減小，其中在氙燈人工老化后，接觸角減小較少，自然氣候老化引起的接觸角變化最大，且45°暴露的漆板接觸角減少的最多，抗沾污性最差。涂有罩面漆的板子接觸角較大，且數值變化較小。自然氣候老化一方面引入雜質導致表面平整度下降，另一方面自然氣候老化對涂料板的降解較快。

表1 不同老化方式對涂與未涂罩面漆板子的接觸角的影響

圖5 未涂罩面漆的涂料在不同老化方式下的熱重譜圖

2.5 色差表征

2.6 光澤度表征

從表2可以看出，涂有罩面漆的漆板光澤度比較高，氙燈老化1 300 h的光澤度與自然氣候老化90°暴露的漆板老化1年的光澤較為接近。自然氣候老化45°暴露的光澤最低。通過對比可以看出涂罩面漆的漆板光澤度變化略高于無罩面漆的漆板。

圖6 自然氣候老化對涂與未涂罩面漆漆板色差的變化圖

圖7 氙燈老化方式對涂與未涂罩面漆涂層板子色差的變化圖

表2 不同老化方式對涂與未涂罩面漆板子的光澤度的影響

3 結論

（1）罩面漆能增加涂層的抗開裂能力，以產生裂縫為主，無罩面漆的涂料開裂以表面大面積掉落為主。從裂紋判斷表面涂有罩面漆的漆板在氙燈老化982 h的裂紋程度與自然氣候老化45°暴露的漆板老化9個月相近；未涂罩面漆的漆板在氙燈老化557 h的裂紋程度與自然氣候老化45°暴露的漆板老化1個月相近。

（2）對裂紋相似的老化漆板進行ATR-FTIR圖譜分析，表明罩面漆為硅丙樹脂，峰高為c＜b＜d＜a，即45°暴露的漆板經過日照老化，降解的最快，其次是氙燈老化。

（3）老化后漆板的最大降解速率溫度要高于未老化的漆板溫度，且失重量最大。

（4）接觸角測試表明自然氣候老化對接觸角的影響要高于氙燈老化，罩面漆能夠增強漆板的抗污能力。

（5）老化后的色差最大值為3.0，涂有罩面漆的漆板氙燈老化和自然氣候老化1～4個月較為接近，未涂罩面漆的板子氙燈老化和自然氣候老化90°暴露的漆板色差變化接近。

（6）自然氣候老化對光澤的影響較大，其中氙燈老化1 300 h與90°暴露的漆板老化1年的光澤度接近。