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FEVE氟树脂配方技术应用于水性和高固体份涂料

作者:Kristen L. Blankenship,技术服务和研发化学家;Robert J. Parker,技术服务和研发化学家 | AGC Chemicals Americas, Inc(旭硝子的美洲子公司),美国宾夕法尼亚州埃克斯顿   |  发表于:2016-02-24   |  关键词:水性涂料,成膜助剂,丙烯酸树脂,树脂,防霉剂,   | 摘自: 2015年美国PCI中文版电子杂志9月刊

氟乙烯乙烯基醚(FEVE)树脂是20世纪70年代末在日本开发的,在1982年进入商业市场。FEVE氟树脂是无定形的A-B型共聚物,其重复单元是氟乙烯和取代的乙烯基醚。不像纯的氟聚合物,FEVE氟树脂可溶于溶剂,这是由于乙烯基醚基团。在溶剂中的溶解度使FEVE氟树脂从高性能聚合物转变为高性能涂料用树脂。

FEVE氟树脂具有含氟聚合物和烃类化合物特征。氟乙烯基团决定FEVE氟树脂的强度。这些基团使得这类聚合物能耐紫外光降解。C-F键是强键,这个键的键能为〜486千焦/摩尔1,而在300nm处的紫外线的能量为〜399千焦/摩尔。其交替模式见图1,对于极好的耐紫外光性能非常关键2。化学性能稳定,并且耐紫外光的氟乙烯单元在空间位阻上和化学性能方面保护了相邻的乙烯基醚单元3

图1 » FEVE氟树脂的交替结构

乙烯基醚基团使FEVE聚合物可用于涂料树脂。没有乙烯基醚基团,这些树脂不能溶解于溶剂中。可溶解性使FEVE氟树脂应用于各种涂料配方,这些涂料配方可在工厂施工或现场涂装4。乙烯基醚基团对高光泽也有贡献,可以在结构中引入官能团,如羟基。表1显示了FEVE氟树脂的典型特性。

表1 » FEVE氟树脂的典型特性3

环境友好型涂料中的FEVE氟树脂

多年的耐候性试验表明,采用FEVE氟树脂的涂料性能优异。这些数据在过去的论文中已经进行了广泛的讨论3;图2~4对这些数据进行了回顾。

图2 » FEVE氟碳涂层的QUV曝晒

图3 » FEVE氟碳涂层的EMMAQUA曝晒

图4 » FEVE氟碳涂层的南佛罗里达曝晒

涂料行业从溶剂型涂料进行的转型已经有几十年了。因此迄今收集的大部分数据是用溶剂型FEVE涂料测试的结果。这些数据用作参考是有用的,代表了FEVE氟碳涂料的一般性能特征,但它不能替代水性和高固体份FEVE氟碳涂料的性能。

在美国,过去几年中对高固体份和水性FEVE氟碳涂料的测试还在持续进行。以前的论文记录了单组份FEVE氟碳配方的性能3。单组份和双组份水性FEVE氟碳涂料的近期耐候性试验测试结果见图5。

图5 » 水性FEVE氟碳涂料的氙弧灯曝晒

表2 » 基于FEVE氟树脂分散体的水性白色配方

配制FEVE水性氟碳涂料

配制水性涂料需细致周到地考虑所有组分。不像溶剂型配方实质上是树脂和添加剂在溶剂中的溶液,水性配方是胶体体系,存在众多的相互作用。与溶剂型涂料相比,添加剂对水性涂料配方更加关键,在溶剂型涂料中添加剂往往是最后加入来优化施工时涂层的外观。

分散剂用于涂料主要是为了提供颜料之间空间和静电排斥,在最终的涂膜中形成空间位阻和提供最高的遮盖性能。分散剂本身可能与涂料中的这些树脂相互作用,所以筛选分散剂对系统性能和兼容性来说都是非常重要的。

对使用三种不同分散剂的FEVE氟树脂分散体的白色涂层进行测试。所述配方见表2。

表2 » 基于FEVE氟树脂分散体的水性白色配方

表3 » 对分散剂研究的结果

结果表明(见表3),与其它两种分散剂相比,疏水性聚电解质类分散剂确实能显著降低吸水性能,但似乎略微不够兼容。从初始较低的光泽度可以看出。盐雾结果以及早期氙弧灯试验结果表明,这种不兼容性可能会降低涂层的整体耐候性能。

分散剂对于色漆来说是重要的添加剂,但所有水性涂料可能需要使用成膜助剂来改善流动性和流平性并帮助成膜,这取决于树脂的Tg。FEVE氟树脂的Tg均等于或高于室温,如果它们被用作唯一漆基的话,经常需要使用成膜助剂。表4列出了使用的成膜助剂,以帮助较高Tg(Tg=56℃)的FEVE氟树脂乳液成膜。

表4 » 使用不同成膜助剂的高Tg的FEVE氟树脂的最低成膜温度(MFFT)

通常,水性涂料的性能可能依赖于一种树脂。然而,这不是一个规则。成功的配方设计师对涂料进行调整,期望在最低的原材料成本时获得最佳性能。FEVE氟树脂经常是成本较高的漆基,但长期耐候性和耐化学品性的优点是可以通过混合配方来实现。

迫切需要极具价格竞争力的高性能涂料市场是冷屋顶涂料。目前,这些配方中往往使用软的、或低Tg的丙烯酸树脂,因为它们能提供柔韧性、与各种基材间具有良好的附着力,并且往往是“可呼吸的”或透气的。不幸的是,这些丙烯酸类树脂的低玻璃化转变温度可能会沾染灰尘并具有高吸水性。将FEVE氟树脂与冷屋顶涂料中使用的两种丙烯酸树脂共混的研究已经进行。

太阳光反射指数是考虑作为冷屋顶涂料的主要标准。用不同的标准来定义冷屋顶涂料,其中一个示例是Ashrae 标准90.1。它将非居住型建筑的冷屋顶定义为具有0.70的最低太阳光反射系数,或0.75的最低热辐射率,或82的最低太阳光反射指数。表5显示了按照ASTM E1980进行的SRI测试结果。

表5 » SRI测试结果 表6 » 使用FEVE/丙烯酸混合物的水性冷屋顶涂料的QUV-A老 化试验

很显然,将FEVE氟树脂与丙烯酸树脂共混,对涂层的太阳光反射性能没有显著影响。

抗霉菌试验(试验800.2)和抗藻类试验(试验850.2)也已完成。将由托尔提供的AMME™防霉剂按照供应商推荐量添加到配方中。在这些试验中,这些配方的干膜显示零增长。

冷屋顶涂料需要透气但耐吸水性。将FEVE氟树脂乳液与丙烯酸树脂混合确实显著降低了吸水率,但同时能保持透气性。图6显示出这种吸水率的显著降低。

图6 » 吸水性测试

最后,与FEVE氟树脂共混能显著提高冷屋顶涂料的耐候性,如表6所示。

配制高固体份FEVE氟树脂涂料

FEVE氟树脂固含量范围在40%~70%(质量比)之间。较高固含量的树脂可配制成高固体份涂料。高固体份涂料通常是具有较低VOC含量的溶剂型涂料,这是由于它们的高固含量和使用豁免溶剂。在许多工业维修应用中,高固体份涂料仍然受到青睐,胜过水性涂料。这些应用中所希望的固含量达到80%(质量比)或者更高。

为了达到更高的固含量,可使用无机填料。表7给出了添加各种无机填料的FEVE氟树脂进行的一些初步测试结果。

在许多情况下采用的另一种使用聚酯多元醇来增加固含量、同时降低VOC和成本的方法的研究已经完成。添加高固体的FEVE溶剂型树脂和KFLEX188(King工业公司)聚酯多元醇的配方已经制成。加入聚酯多元醇能提高柔韧性和光泽度,但不会显著降低人工加速老化性能(图7)。

图7 » 使用聚酯多元醇的高固体份FEVE氟涂料的QUV-A老化试验

FEVE氟树脂的耐化学品性

FEVE氟树脂是已知的在户外曝晒时使用的长期耐候性树脂。CF键的强度和惰性也很强,能耐化学品的侵蚀。浸渍试验和点滴试验已经完成。表8给出了各种酸、碱、溶剂和食品的点滴试验结果。

表8 » FEVE氟树脂的耐化学品性

总结

FEVE氟树脂是含氟聚合物树脂,具有氟乙烯单元和乙烯基醚单元的交替的共聚物结构。乙烯基醚单元能提供在溶剂中的溶解性。研究表明,FEVE氟树脂具有优异的耐紫外光性能。随着涂料行业在持续向环境友好型涂料方面转变,对水性和高固体份涂料中的FEVE氟树脂进行了新的测试。结果表明,FEVE氟树脂能为水性和高固体份涂料提供优异耐紫外光性能。FEVE氟树脂可以应用于水性建筑涂料(VOC<50克/升)、工业维护应用的高固体份、低VOC涂料。美国的科学家们正在进行研究,涂料行业会继续推出节能与绿色涂料解决方案的标准。

参考文献

Ameduri, B.; Boutevin, B. Well Architectured Fluoropolymers: Synthesis, Properties, and Applications, p. 17, 2004.

Blankenship, K.; Parker, R. VOC Compliance and Ultra-Weatherability: Using FEVE Resins to Use Both Targets, Presented at The Waterborne Symposium, New Orleans, LA, 2014.

Munekata, S.; Miyazaki, N.; Kaya, S.; Takayanagi, T. Characteristic Properties of LUMIFLON® as a Coating Material, Reports Res. Lab. Asahi Glass Co., Ltd., Vol. 34, p207, 1984.

Takayanagi, T.; Yamabe, M. Progress of Fluoropolymers on Coatings Applications Development of Mineral Spirit Soluble Polymer and Aqueous Dispersion. Progress in Organic Coatings 2000, 40, 185-190.



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