耐候耐腐蚀的FEVE粉末涂料技术

作者：Kristen Blankenship，业务开发经理，AGC Chemicals Americas公司，宾夕法尼亚州，Exton

FEVE含氟聚合物涂料在建筑和工业涂料中的应用已有近40年的历史。用氟乙烯乙烯基醚（FEVE）树脂配制的涂料具有优异的耐腐蚀性和耐候性，可防止紫外线、风、降水、污垢和化学品的侵蚀。这种涂层技术还可提供30年或更长时间的长期光泽和保色性。由于其使用寿命长，基于FEVE的涂层体系降低了涂层的生命周期成本，无需进行多次喷漆，提高了资产利用率。

随着涂料工业希望在保持性能和成本控制的同时，寻求采用更环保的技术，对FEVE粉末树脂的兴趣也越来越大。当用于室外建筑涂料时，它们可以提供优异的耐候性、耐腐蚀性，并具有环境效益。这些树脂不需要使用溶剂（零VOC），具有很高的可回收性性。FEVE粉末树脂用于配方中，达到美国建筑制造商协会（AAMA）2605规范（FGIA），该规范是建筑铝型材和面板上有机涂层的最高标准。

本文采用电化学阻抗谱法，对铝材上的FEVE粉末基面漆的耐候性和耐腐蚀性进行了研究。

FEVE的化学性

FEVE树脂是非晶态A-B型共聚物，具有氟乙烯和取代乙烯基醚的重复单元（图1）。与纯氟聚合物不同，由于乙烯醚基团，FEVE树脂可溶于溶剂。溶剂溶解性使FEVE树脂从高性能聚合物转变为高性能涂料树脂。

FEVE树脂兼有含氟聚合物和碳氢化合物的特性。氟乙烯基团赋予FEVE树脂强度。正是这些基团使得这类聚合物具有抗紫外线降解的能力。C-F键很强，该键的能量为486kJ/mol，1而300nm处的紫外辐射能量为399 kJ/mol。这种交替模式对极端的抗紫外线性能至关重要。化学稳定性和抗紫外线的氟乙烯单元在空间和化学上保护着相邻的乙烯醚单元。

乙烯醚基团使FEVE聚合物可用作涂料树脂。没有乙烯醚基团，FEVE树脂无法溶于溶剂。这种溶解性使FEVE树脂能够广泛应用于各种涂料配方中，并可应用于工厂或现场环境。乙烯醚基团也有助于高光泽度，并允许官能团（如羟基）纳入结构中。

FEVE树脂是涂料配方的极佳选择，因为它们具有不同等级的不同性质，如分子量、羟基值和Tg（表1）等。FEVE树脂在性质上倾向于玻璃化，但当需要更大的柔韧性时，也很容易与其他树脂混合。

常规的FEVE老化试验

多年的耐候性试验表明，以FEVE树脂为基料的涂料具有优异的性能。这些数据在早期的研究中得到了广泛的讨论。1在日本对两种白色2K聚氨酯涂料进行了长达15年的室外暴露研究（图2）。一个体系基于传统的丙烯酸多元醇聚氨酯，另一个基于FEVE的多元醇聚氨酯体系。每个样板的一部分都用一条红色的、封光胶带所覆盖，该区域被视为未暴露区域。后面的试验结果表明，15年后，使用FEVE基体系进行保护的样板在腐蚀和老化方面具有显著的保护作用。

图3显示了老化试验研究的亮点。

可见光显微照片

图3显示，与聚氨酯基白色涂层相比，FEVE基白色涂层的腐蚀性明显更少。

QUV-A老化

QUV?加速老化试验表明，随着时间推移，FEVE基涂层在光泽保持性方面，明显优于聚氨酯和丙烯酸聚氨酯涂层（图4）。

EMMAQUA测试

EMMAQUA（带水的镜反光加速）测试表明，FEVE基涂层的光泽度保持与PVDF涂层相似，明显优于丙烯酸聚氨酯涂层（图5）。

佛罗里达老化

佛罗里达州的老化试验表明，基于FEVE的涂层在暴露10年后，性能优于仅暴露了3年的高性能聚酯涂层（图6）。10年后，FEVE基涂层和PVDF涂层表现出相似的性能，两者的颜色和光泽的保持性上都比聚酯涂层好得多。

一项为期10年的佛罗里达老化试验，比较了FEVE黄色涂层和FEVE透明涂层的光泽保持度（图7）。四年后，FEVE黄色涂层仍保持100%的光泽，10年后仍能保持70%。而FEVE透明涂层在三年后可以保持80%以上的光泽度，10年后仍可保持70%的光泽度。

海洋平台的实时老化

FEVE基氟聚氨酯面漆与丙烯酸聚氨酯面漆一起在海洋平台试验站进行了试验（图8）。每个涂层体系由3 mil富锌底漆、6 mil中涂和25微米（1 mil）的面漆组成。13年后，丙烯酸聚氨酯面漆已经完全破坏。16年后，FEVE面漆的漆膜厚度仍为21微米。

粉末涂料用的FEVE树脂

目前对FEVE基涂料性能的研究主要集中在溶剂型涂料上。这些数据可作为FEVE基涂料常规性能的参考和指示。然而，随着涂料行业逐渐远离溶剂，我们进行了以下研究，以收集FEVE基粉末涂料的性能数据。
FEVE粉末树脂用于热固性粉末涂料的交联，并通过静电喷涂进行涂覆，这是传统粉末涂料的典型应用。基于FEVE粉末树脂的粉末涂料用于达到AAMA 2605标准要求的长寿命涂料。图9显示了FEVE粉末树脂的性能。

我们采用了FEVE片状树脂、B-1530、安息香、流平剂和颜料（图10）的粉末配方进行加速老化试验。QUV-B测试表明，在10000小时后，光泽保持度可达100%至90%。EMMAQUA测试结果显示，3000兆焦耳/平方米时，光泽保持度为80%。作为参考，3000兆焦耳/平方米的辐照度类似于太阳在10年期间的输出量。

对棕色FEVE粉末基涂层进行了10年的自然暴露试验（图11）。佛罗里达暴露试验表明，10年的光泽保持度为79%，而冲绳岛的试验显示，在相同的时间内，光泽保持度为60%。

南佛罗里达州的天气测试显示，透明FEVE粉末涂料和白色特种颜料FEVE粉末涂料在9年内的光泽保持度超过了90%（图12）。

在腐蚀环境中的FEVE树脂

腐蚀对钢和铝基材都会产生影响，造成损坏并增加生命周期成本。最易受腐蚀影响的是一些结构设施，如微咸或咸水上的钢桥、海岸附近的铝型材以及北部大都市气候中因道路盐而恶化的铝幕墙等。钢材上的液体涂层通常使用两层或三层体系，并使用富锌底漆。由于铝材的腐蚀性不同于钢，所以通常用铬对其进行预处理，尽管目前正在研究不含铬的处理方法。

FEVE基涂层能抵抗紫外线和腐蚀性物质的降解，能起到阻隔或减缓湿气和盐侵入的作用。液态FEVE涂层已经在海水桥梁上使用了35年。分析和加速老化试验表明，FEVE树脂具有优良的阻隔性能，可使涂层持续数十年。

图13显示了我们在标准ASTM B117盐雾试验中，对液态FEVE基面漆与目前用于钢结构的其他常见面漆化学成分的比较。结果表明，与行业的标准技术相比，FEVE面漆提供了类似或更好的屏障保护。

电化学阻抗谱测试

在电化学阻抗谱（EIS）测试中，交流电压以不同的频率施加在样品上，并测量电流。评估包括将原始数据拟合到电路模型中。可以确定各种频率相关元件的贡献，如电容器、恒相位元件（CPE）和Warburg扩散元件。

对FEVE涂层的早期EIS研究表明，尽管FEVE的初始阻抗与其他涂料化学物质性质相似，但FEVE涂层在老化和暴露于元素后，仍能保持较高的原始阻抗百分比。由于FEVE树脂具有优异的耐候性，因此，与传统涂层相比，FEVE涂层能够在老化过程中保持很强的屏障保护（图14）。

我们用EIS测试比较了几种涂层类型。EIS能够在短时间内检测到涂层行为的微小变化，并可以在不影响涂层的情况下定量测定涂层性能。有机涂层最初具有很高的电阻，但随着涂层的老化，紫外光会引起涂层产生微裂纹和腐蚀。然后涂层中的孔隙逐渐被水、氯化物、氧和其他引发剂填满，最终使金属表面暴露于腐蚀之中。

在表2所示条件下，将FEVE液体涂料的EIS测试与聚硅氧烷和聚氨酯进行了比较。

如之前的测试所示，三种涂层类型之间的初始阻抗通常是相似的。经350小时的QUV-A老化后，再进行盐浸，FEVE涂层可以保持其80%的阻抗，而聚硅氧烷只能保持35%。初始阻抗明显低于聚硅氧烷的聚氨酯，可以保持67%的抗阻，但仍不能达到FEVE涂层的水平。总的来说，FEVE涂层老化后的绝对阻抗要高于聚硅氧烷和聚氨酯涂层（表3和图15）。

耐腐蚀用FEVE粉末树脂

大部分腐蚀数据都集中在更传统的液态FEVE涂料上。有关于FEVE粉末涂料及其在耐腐蚀测试中的具体表现的新研究正在进行着。结果表明，FEVE粉末涂料可以在无底漆的情况下，保持较好的耐盐雾腐蚀性能。应注意的是，在大多数海岸环境中，由于考量到涂层损坏和丝状腐蚀，底漆仍应是首选。

图16显示了盐雾4000小时后，单涂层FEVE粉末涂层铝板的耐腐蚀情况。在酸蚀和碱蚀两种情况下，均未观察到明显的腐蚀现象。

FEVE粉末涂层的初始EIS测试表明，在暴露于QUV-A2400小时，然后进行36小时的盐浸后，阻抗仍能保持75%（图17）。

当前和以后的测试

根据本研究获得的信息，下一步将继续用ASTM D5894Cyclic Prohesion标准测试各种着色FEVE粉末涂料配方。以后的测试将通过Prohesion和EIS测试，在底漆上研究这些配方。

FEVE粉末涂料的应用

FEVE粉末涂料在建筑上的应用包括铝窗（AAMA2605）、幕墙（AAMA 2605）、灯杆、栏杆、旗杆和体育场座椅等。图18中滚动的图片组显示了一些当前的案例。

结论

历史研究和实际应用都表明，FEVE树脂基涂料具有优异的抗紫外光降解、耐候性和耐腐蚀性等性能。然而，多年来，测试主要集中在FEVE溶剂型涂料上，随着涂料向环保方向的快速转变，我们需要对FEVE粉末涂料进行更多测试。本文的研究表明，FEVE粉末面漆应用于建筑外墙时，可以提供耐候性、耐腐蚀性，并具有环境效益。

参考资料

1 Munekata,S.;Miyazaki,N.;Kaya,S.;Takayanagi,T.Characteristic Properties of LUMIFLON? as a Coating Material.Reports Res.Lab.Asahi Glass Co.Ltd.1984,34,207.

作者感谢她在AGC的同事Donald Lawson (Don.Law-son@us.agc.com)和Connie Przeslawski(Connie.Prezeslawski@us.agc.com)，感谢他们对本文作出的贡献。

本文收录在《PCI中文版》杂志2020年11月刊中