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水性底漆 优质面漆的基础

水性底漆 优质面漆的基础

时 间: 2019-10-17

访 问:110 次

摘 要:作者:JocelynM.Gruver,副技术销售经理;PaulDoll,首席…

作者: Jocelyn M.Gruver,副技术销售经理;Paul Doll,首席技术经理,陶氏化学公司,宾夕法尼亚州科利奇维尔

通用型建筑底漆一般具有两大功能。一方面是提高面漆装饰基材的美感。可以通过隐藏基材表面不平整以及减少漆膜光泽缺陷达到目的。另一方面主要是增加涂膜耐久性,延长面漆的使用寿命。其原理主要是通过提高附着力,使涂膜具备更好的抗裂性和抗起泡性。此外,底漆还可以通过形成阻隔层来改善耐腐蚀性、(钢钉)抗锈蚀和抗闪锈性,从而提高漆膜的耐久性。

尽管在某种程度上底漆需要成为通用型产品,但实际上底漆(根据不同的性能)可分为不同的应用市场。关键的性能需求包括:隐藏基材的不平整性,封闭多孔型基材,防止基材颜色渗出面漆,阻隔气味,为基材和面漆提供很好的过渡层,延长面漆的耐久性,以及减少污渍从基材迁移至面漆。气味阻隔型底漆通常主要是阻隔来自香烟烟雾、宠物和食物的持久性气味。底漆广泛应用于各种基材,例如有光滑的醇酸基材、钢材、铝材和木材,因此它们必须在所有的基材表面均具有优异的附着力。底漆还可以提高面漆的耐久性,因此它们表现出的优异的抗裂性、耐腐蚀性和附着力具有十分重要的意义。水性底漆难以阻隔的常见污渍包括木材单宁酸、记号笔标记污渍、食物污渍、水渍以及香烟中的尼古丁。从以上描述不难看出,为什么每个大型涂料制造商至少有10条底漆产品线,而且每条产品线都会针对特定的性能需求。而且除了这些性能需求外,还会根据各种产品性能标签进一步细分市场,包括快干型、通用型、去污型、杀菌和净味,这些仅仅是其中的一小部分产品。

近年来,底漆的发展除了从溶剂型持续向更低挥发性有机化合物(VOC)含量的水性技术转变之外,新的开发却并不多。在加州空气资源委员会的一份报告中,R.Fernando发现“溶剂型涂料的性能明显优于水性涂料”[封闭污渍性能] 1。然而,溶剂型底漆却普遍存在VOC含量高、气味大且难清理的等问题。这些原因间接推动了水性底漆的发展,同时尽可能保持溶剂型底漆的封闭污渍性能。随着底漆由溶剂型变为水性,封闭污渍的机理也发生了改变—与溶剂型底漆封闭污渍的机理不同,水性底漆却能锁住污渍。本文将重点介绍封闭污渍机理和锁定污渍机理,以及新一代底漆的封锁污渍能力,并将讨论使用底漆与面漆搭配后在户外耐候性测试数据中的优势。

封闭污渍机理和锁定污渍机理

底漆封闭污渍的机理取决于它们是水性底漆还是油性底漆,不同类型底漆,其封闭污渍机理不同。当我们将油性底漆涂布污渍上面后,它可以在不需要面漆的情况下即可阻隔住污渍,我们称之为污渍阻隔(封闭污渍)。水性底漆会将污渍束缚在漆膜中,而且只有在涂上面漆后,我们才可以看不到污渍。图1显示了常见的食物污渍和油墨色素以及单宁酸污渍。

将醇酸树脂溶解于溶剂中即可制备油性底漆。它们可以很好地封闭非常亲水的污渍。液体状态的油漆以及干膜油漆都是非常疏水的,所以常见的水溶性污渍都不能溶解于油漆的漆膜,因此也就阻碍了污渍迁移进入底漆。其结果是,油性底漆在基材和底漆界面提供了一层阻隔污渍的薄膜,也就达到了封闭污渍的目的。缺点是气味大、VOC高(通常在300g/L以上)和难清理。此外,在清理油性底漆时还需要用到易燃的溶剂。监管机构、商家和消费者都希望尽可能避免使用这些危险的易燃溶剂。

水性底漆与溶剂型底漆相比,的确存在一些优势,包括低VOC、低气味,且更容易清理,这对装修承包商和DIY用户都具有很大的吸引力。水性底漆也会使面漆表现出更好的耐久性,因为油性底漆会随着时间的推移不断地发生交联反应,从而导致产生更多的脆化和开裂的涂膜缺陷。水性底漆最大的缺点是某些污渍会很难被封闭遮盖。这是因为一旦涂上底漆后水性污渍会立即在湿膜中溶解,就需要干膜将污渍锁闭涂层中水性底漆无法封闭污渍,只能通过涂覆面漆才可能会遮盖住污渍。此外,当我们涂覆面漆时,污渍又可以重新溶解进入面漆。当然,可以采取一些措施避免此类现象的发生,例如添加功能性的颜料。该部分内容后续会详细探讨。

而且,水性底漆都是通过乳胶粒子在干燥过程中发生形变融合形成的漆膜,如图2(未按比例画出)。阶段A,颜料和乳液粒子分散在水相中。当漆膜干燥时,水分会逐渐挥发(阶段B),粒子会慢慢堆积在一起。在C阶段时,乳胶粒子融合形成连续膜,并且这些漆膜会将颜料粒子包裹其中。这种聚结过程会在成膜过程中相比油性的醇酸类底漆形成更多的间隙,但油性底漆的优势在于,其疏水性漆膜会最大限度地减少水性污渍的迁移。颜料体积浓度(PVC)越高,颜料越容易影响成膜过程,高PVC形成的间隙使得污渍更易发生迁移。因此,对于高PVC底漆来说,锁闭污渍要求更难达到转而导致水性底漆锁闭污渍性能低劣。

正如前文中提到,一些功能型颜料和助剂可以提升水性底漆的锁闭污渍性能。文献中提出了几种技术,但最常用的技术之一是使用氧化锌(ZnO)。锌离子可以与阴离子的污渍发生反应,从而降低污渍渗入面漆的可能性。图3显示了这种技术的常见机理图。其它可以提高锁闭污渍性能的技术包括使用单宁螯合剂的水分散型醇酸树脂2,使用聚乙烯吡咯烷酮3和阳离子树脂4

即使ZnO常被用于水性底漆中提升锁闭污渍性能,但对于实验人员来说,在设计配方时氧化锌却是一种需要谨慎处理的材料。由于氧化锌的阳离子性质,它可以与乳胶漆中许多含有阴离子的物料发生反应,导致产生凝胶,粘度不稳或其它问题。因此,通常需要添加一些分散剂和/或润湿剂来稳定氧化锌,但这种做法常常影响底漆十分关注的耐水性能,使其耐水性变差。此外,氧化锌也并非环境友好物质。陶氏化学公司(DOW)已经合成出新一代的可以提高锁闭污渍性能,且不含氧化锌的水性底漆乳液。除此之外还具有优良的锁闭单宁酸类污渍和记号笔标记污渍的性能,新一代底漆乳液在各种基材上都具有良好的附着力,优异的打磨性能以及超低VOC含量。

新一代底漆锁闭污渍性能

在实验室评估底漆性能时,两种主要的锁闭污渍测试分别是:单宁酸类污渍测试和记号笔标记类污渍。对于单宁酸类污渍测试,使用杉木板或红木板板材,最好是在测试板上涂上一条连续的污渍。然后按照450平方英尺/加仑的比例涂覆一系列底漆,干燥2小时后,再在整个测试板上涂上一层优质的面漆5。由于板与板的差异,每个系列的底漆必须包含一个性能合格的对比样(油性)底漆和性能较差的对比样(用平涂面漆做底漆)底漆。然后立即将测试样板漆面朝上放置在一个高湿度雾气盒中养护一晚。取出样板后,在不同的干燥时间间隔内用分光计进行定量测量。图4显示了不含氧化锌的新一代陶氏底漆与各种市面上的涂料和陶氏涂料作对比,它们均不含氧化锌。测试结果清楚地显示出,在不使用ZnO的情况下,使用水性技术可以获得优良的锁闭单宁酸类污渍性能。该水性底漆的锁闭单宁酸类污渍性能甚至可与具有最佳封闭污渍性能的油性对比样底漆相媲美。

当测试底漆对于标记类污渍耐污性能时,需要用到各种水性和油性的记号笔。首先在Leneta黑白格纸(遮盖力测试纸)上用优质平涂涂料(测试用的同种颜料体积浓度46%/体积固含37%的平涂面漆)制备漆膜,干燥养护一周后,用记号笔涂布污渍,然后置于无光照的抽屉中养护一段时间。在测试纸上的标示线内用线棒依次刮不同的底漆。干燥4小时后,用线棒再在底漆上面刮宽度稍窄的优质面漆。最后,再涂上一层宽度更窄的面漆。该方法可以通过测试纸最厚的涂层部分直观地观察到还有多少标记污渍,另外还可以使用图像捕获软件在指定的区域内定量每种污渍的标准偏差。总而言之,新一代底漆技术显示出在锁闭污渍性能方面具有重大的提升,展示结果见图5。

底漆提升面漆性能 

正如前面提到的,底漆的作用是通过增加耐久性来提高面漆的性能,如美化基材和延长面漆的生命周期。下面将展示底漆在实际测试中的曝晒耐候性能,将会提供最令人信服的外墙面漆性能数据。与此同时,陶氏化学在全球有许多可进行外墙涂料耐候性曝晒测试的基地,宾夕法尼亚州的斯普林豪斯测试基地则由于其季节气候的多变性,每年冬天都会经历多次寒冷/暖和的循环。然而,在新英格兰和中西部地区冬季可能会持续较长时间的寒冷气温,而斯普林豪斯测试基地的温度在整个冬季则多次跌至零度和零度以下,这对漆膜来说非常具有挑战性。在耐候性测试基地我们可以看到各种各样的基材,包括许多不同类型的木材、砖石、混凝土、复合板和金属基材。乳胶漆被置于不同方向进行测试,包括南垂直(SV)、北垂直(NV)和南45˚(S45),每个方向都会使漆膜弊端更快地显现出来。例如,漆膜被置于北垂直方向测试时,由于水分的残留将会加速霉菌的生长。

松木由于其固有尺寸不稳定性而成为抗开裂的最具挑战性的基材之一。图6展示了测试时长为24个月后在白松木基材上先涂底漆后涂面漆的明显优势。图6中测试涂料分为三组。每组第一种涂料包含两种不同的面漆,每组第二种涂料包含底漆和一层面漆。面漆包括一种市面上的三元聚合物平涂面漆(涂料1),一种以聚乙烯醇(PVA)树脂为基础的较好质量平涂面漆(涂料3),以丙烯酸酯树脂为基础的中等质量实验室配方涂料(涂料7)。底漆是一种耐用的丙烯酸酯涂料(油漆5)。涂料编号可以在每组涂料的顶部看到,用1I1表示两层涂料1,用1I5表示一层涂料5(底漆)和一层涂料1。当不使用底漆的时候,测试样品(市面上的涂料)性能都很差,三组实验均表现出非常严重的漆膜开裂和脱落现象。尽管使用的是中等质量测试配方,但丙烯酸酯乳胶漆在没有底漆的情况下,相比其它商业涂料具有更好的性能。然而,从测试结果中也可以很清晰地看出,底漆可以提高面漆的抗开裂性能。经过24个月的曝晒耐候性测试后,每组样板中第二种涂料(使用底漆)只有很少的开裂和漆膜脱落。

7和图8显示了测试时间内真实的曝晒耐候性测试数据。正如此前谈到,松木基材由于其尺寸不稳定性,在这种基材上测试抗开裂和抗脱落性能,对于涂料来说性能很难通过。更具有挑战性的是风干后的松木基材,它在用于测试前已经暴露在自然元素(水、紫外线、温度波动)中三个月了。在几十年的耐候性数据中,已经确定一旦裂纹或脱落率降到80以下,涂膜弊端在视觉上变得非常明显。图7中,没有底漆的涂层极限值(未出现大量开裂和脱落)可达20个月,而含有底漆的涂层却可以在5年甚至更长时间依然正常。同样,不含底漆的涂料在大约35个月的时候,脱落率降至80以下,而其它两种面漆+底漆的涂层在超过60个月的时候依然正常。图9显示的是与图7和8相同的面漆在风干的黄松木基材上涂底漆和不涂底漆,测试时长为58个月的耐候性测试结果。以上结果可以清晰地看出,使用底漆可以保护面漆并延长涂膜的生命周期。

2010年年初,一种新的底漆技术进入了市场,这种技术是非常流行的底面合一产品线,即自己动手的DIY涂料。涂料生产商声称这些涂料无需底漆涂层,也就可以为户主节省刷涂墙面的时间。另一些涂料厂商为吸引眼球标榜这些涂料为一道涂,自身含有底漆的涂料,具有良好遮盖力的底面合一涂料,再次瞄准消费者,试图节省时间和金钱。陶氏在斯普林豪斯测试基地进行了一系列耐候性测试实验,其中包括顶级的市面上的底面合一涂料,以及实验室制作的底漆,再在外面涂上面漆的涂料。与图7和图8所示的涂料性能相似的是,涂有底漆的面漆样板比市面底面合一涂料样板具有更好的抗开裂和抗脱落性能。图10显示了这些涂料在已经风干3个月的黄松木基材上的测试性能。涂料6-9是两层市面上的底面合一涂料,而涂料10是实验室制备的面漆搭配底漆(涂料21)。正如此前提到,一旦脱落率降到80以下,涂膜弊端在视觉上会变得非常显眼。实验室制备的底漆和面漆涂料体系的抗脱落性能会超过5年临界值,而市面涂料在2-3年内脱落率就会降到80以下。

另一种在斯普林豪斯测试基地常用的基材是钉头板,在每个面板上钉有20个钉子的栅格。这些基材被用来附带评估金属抗锈蚀性能。图11显示的是钉头板耐候性测试结果。板材上每部分都涂有不同的底漆,以及相同的市面上的面漆,在最初曝晒时,没有观察到任何一种涂层会出现闪锈现象。图中右边垂直的红框部分是涂布有两层面漆且不含底漆。经过四年多的测试结果,明显看出第二栏使用的底漆有助于提高抗锈蚀性能。此外,同样明显的是,并非所有的底漆测试结果都是相同的,一些底漆表现出几乎没有生锈和良好的耐沾污性能,而另一些则不如两层面漆所表现出的性能。

本文第一部分内容主要探讨了油性底漆与水性底漆相比的性能优势。虽然油性底漆已被证实具有更好的锁闭污渍性能,但相比于水性底漆,它们在其它某些性能方面则存在劣势。图12显示在宾夕法尼亚州的斯普林豪斯测试基地,仅仅经过3个月的曝晒测试时间,油性底漆比水性底漆的抗腐蚀性更差。此次研究中的板材是由冷轧钢制成,每个样板上涂有两层不同的底漆。左边的两个样板显示的是溶剂型底漆样板的初始情况和仅3个月曝晒后的情况,而右边的水性底漆在3个月后仍然没有腐蚀现象。

结论

  底漆在涂料行业占有重要的地位,因为它有助于提高面漆的美化和保护功能。底漆的主要作用之一是锁闭污渍性,包括一些顽固污渍,如单宁酸类污渍、水渍、烟渍和宠物所造成的污渍。由于油性底漆在基材/底漆界面可以很好地屏蔽污渍,所以在封闭性底漆市场上一直占据主导地位。然而,它们一般都有VOC含量高、气味大、难清理和某些性能较差,如抗锈蚀性不好等缺点。

目前,底漆市场已经转向可以媲美油性体系锁闭污渍性能的水性底漆市场。与油性底漆不同的是,水性底漆锁闭污渍的机理是当污渍溶解在底漆漆膜后,污渍会被束缚在漆膜中。然后再涂布一层或两层面漆即可遮盖污渍。在水性底漆配方中加入ZnO可以提高锁闭污渍性能,但是需要权衡锁闭污渍性和稳定性,其次,ZnO也不是一种环保的原材料。Dow已经研发出一种新型的水性底漆乳液,在无需添加ZnO的情况下依然具有优异的锁闭污渍性能。

  正如本文所展示的实际耐候性测试结果,即使是在最具挑战性的基材(风干的黄松木基材)上,底漆的使用具有非常大的优势。在某些情况下,使用底漆可以使面漆的生命周期延长超过三年。遗憾的是,户主并不总是想在他们的装修工作中额外增加时间来刷涂底漆,但刷底漆所带来的效益却超过了在涂装前花额外的时间作准备工作(换言之,与其在涂装前花时间准备,不如额外增加时间刷涂底漆)。

参考文献

1 www.arb.ca.gov/coatings/arch/spsu_final_report_may_2012.pdf
2 US 8691907 by Gebhard; Waterborne Primer.
3 US 20100047598 by Sullivan; Coating Compositions and Blocking Tannin Migration and Coated Substrate.
4 EP 407085 by Van Rheenen; Cationic Latex Compositions as Substitutes for Solvent-Based Alkyd Primers.
5 46 Pigment Volume Concentration (PVC)/37 Volume Solids(VS), ~50 g/L VOC. 

本论文曾在2018年新奥尔良水性研讨会上发表过。

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