一种高性能水性环氧丙烯酸外墙涂料的研究

沈志明，杨亚萍，李　晴，李安宁

（1.江苏丰彩新型建材有限公司，江苏 南京210046；2.江苏省既有建筑绿色化改造工程技术研究中心，江苏 南京 210046）

一种高性能水性环氧丙烯酸外墙涂料的研究

沈志明1，2，杨亚萍1，李晴1，2，李安宁1

（1.江苏丰彩新型建材有限公司，江苏 南京210046；2.江苏省既有建筑绿色化改造工程技术研究中心，江苏 南京 210046）

为获得一种具有较好耐候性及耐沾污性能的外墙涂料，研究开发了一种环氧丙烯酸外墙涂料，该外墙涂料采用的环氧丙烯酸乳液由核壳乳液聚合法制得，解决了传统纯环氧涂料耐候性差，不能作为外墙涂料使用的问题，又把环氧树脂硬度高，附着力好的优点与丙烯酸酯光泽度高、玻璃化温度可调的优点结合在一起。重点探讨了该外墙涂料的耐候性及耐沾污性能，又将由化学接枝共聚制得的环丙乳液的成膜过程与由物理共混制得的环丙乳液的成膜过程进行了比较。得出的结论是采用由核壳乳液聚合法制得的环氧丙烯酸乳液制备的环氧丙烯酸外墙涂料不仅耐候性好，还能提供优异于纯丙烯酸体系与苯丙体系的硬度与附着力，其清漆膜硬度为4H，附着力为1级，耐水168h无问题。该外墙涂料的PVC为45%时，其漆膜孔隙率低与反射率下降值低，说明此时漆膜具有较好的耐沾污性能，同时漆膜又较为致密。

环丙乳液；耐候性；颜料体积浓度；耐沾污性；外墙涂料

前言

水性涂料以水为溶剂，因其无毒、无味的特性而越来越受到人们的喜爱。采用水性乳液制备的涂料近年来成为研究热点，纯环氧乳液制备的环氧系列涂料由于其优异的附着力和耐化学药品性能，有着广泛的应用前景和市场价值。但环氧系列的涂料一直存在耐候性差的问题，限制了其在外墙涂料中的应用。为解决这一问题，本研究用核壳乳液聚合法制备的环氧丙烯酸乳液［1］制备了一种外墙涂料，环氧丙烯酸系列涂料通过环氧树脂与丙烯酸酯化学键的结合，既增加了两者的相容性，又把丙烯酸酯耐候性好，光泽度高，玻璃化温度可调的优点与环氧树脂的优点相结合，充分发挥了二者的优势，具有重要的现实意义和研究价值［2］。

1　实验部分

1.1原料

主要原料见表1，主要设备仪器见表2。

表1　环氧丙烯酸外墙涂料主要实验原材料Table 1　The key raw materials for synthesizing epoxy acrylic exterior paint

表2 实验设备与仪器Table 2　The laboratory equipment and instruments

1.2涂料配方

表3　环氧丙烯酸外墙涂料配方Table 3　The formulations of epoxy acrylic exterior paint

1.3涂料制备

将不同功能的助剂依次加入塑料烧杯中，以200～300r/min的转速搅拌5～10min，使其分布均匀；向体系中加入粉料，并在1500～2000r/min的转速下分散20～30min，此时制得分散体系。调节转速为800～1000/min，向上述制得的分散体系中加入自制的环氧丙烯酸乳液，搅拌时间为15～20min，即得环氧丙烯酸外墙涂料。

1.4性能检测

1.4.1漆膜的制备

按照GB/T 1727-92《漆膜一般制备法》制备漆膜。

1.4.2漆膜光泽度的测定

采用型号为KGZ-60的光泽度仪测量漆膜光泽度。

1.4.3漆膜色差值的测定

采用型号为CM-2300d的分光测色计测量漆膜色差值。

1.4.4漆膜综合性能评价

参照GB/T 9755-2001《合成树脂乳液外墙涂料》对漆膜综合性能进行评价。

2　结果与讨论

2.1不同体系纯乳液加钛白粉制备漆膜的定量紫外光耐候性测试

一直以来，纯环氧体系涂料的耐候性较差［4］，一般不能用作外墙漆，为解决纯环氧体系涂料的这一使用缺陷，本研究以环氧丙烯酸体系为主要研究对象，开发了一种适用于室外的墙面乳胶漆。本试验对纯丙烯酸体系、苯丙体系、环氧丙烯酸体系、纯环氧体系四个不同体系的纯乳液加钛白粉制备的漆膜进行了紫外光耐候性实验，漆膜在常温下干燥24h后置于紫外光照箱中，每隔24h观察漆膜颜色变化，并用光泽度仪和色差仪测量漆膜光泽度和色差值。具体测量结果见表4。

表4　不同时间下漆膜的光泽度和色差值Table 4　The glossiness and values of chromatism of the film at 4 different times

从表4中数据可以看出，随着紫外光照时间的延长，涂膜光泽度下降，涂膜相对于标准板的色差值越来越大，纯丙烯酸体系、苯丙体系和环氧丙烯酸体系的涂膜色差值虽然有所变化，但变化不大，涂膜没有呈现出较为明显的颜色变化。而纯环氧体系由于环氧树脂的耐候性差，在长时间紫外光照下，涂膜发黄，不适宜用作外墙涂料的制备。因此，可选用环氧丙烯酸体系开发外墙涂料，不仅耐候性好，还能提供优异于纯丙烯酸体系与苯丙体系的硬度与附着力，达到外墙涂料的使用要求。

2.2不同方式得到的环丙乳液制备清漆性能比较

一般来说，环氧丙烯酸乳液有2种制备方法，本文选用的环氧丙烯酸乳液由水性化后的环氧树脂与丙烯酸酯接枝共聚制得，是一种核为丙烯酸酯，壳为环氧树脂的核壳乳液，也有人提出，是否可简化实验方法，直接将市场上现有的纯环氧乳液与纯丙烯酸乳液进行物理共混，这样也能制得一种环氧丙烯酸乳液［5］。为了验证此种方法是否可行，进行了以下试验。表5为不同丙烯酸乳液与同一纯环氧乳液（本实验室自制）按质量比1∶1物理共混后加固化剂制备清漆配方及漆膜性能。

表5　不同种类乳液清漆涂膜性能Table 5　The varnish coating performance of different types of emulsions

从表5中数据可以看出将两种乳液物理共混后得到的环氧丙烯酸乳液制备的清漆表干时间较长，而且清漆膜发白，硬度及附着力尚可，耐水性能不佳。造成清漆表干时间过长的原因可能是共混后的环氧乳液与丙烯酸乳液并不能很好地相容，这就导致乳胶粒子容易发生聚集，环氧乳液的乳胶粒子与丙烯酸乳液的乳胶粒子不能均匀分散在环氧乳液与丙烯酸乳液共混后形成的连续相中，因此会出现涂膜不干的现象。而采用核壳乳液聚合法制得的环丙乳液适用期及表干时间适中，硬度能够达到4H，附着力为1级，最重要的是通过化学接枝共聚制得的环丙乳液耐水7d没有问题，这主要是因为化学接枝共聚制得的环丙乳液在成膜过程中，随着水分的挥发，乳胶粒子紧密堆挤，壳层乳胶粒子受挤压变形，与核层乳胶粒子相互融合形成连续相，从而清漆膜透明，漆膜性能佳。

2.3颜基比对外墙涂料耐沾污性能的影响

本文主要解决的是传统纯环氧涂料耐候性差的问题，通过以上实验已证实可采用核壳乳液聚合制得的环氧丙烯酸乳液制备外墙涂料。同时，外墙涂料的PVC也是影响漆膜耐沾污性的重要因素。

颜基比即颜料体积浓度（Pigment Volume Concentration，简称PVC），是指颜料在干膜中所占的体积百分数，而临界颜料体积浓度（CPVC）则是指基料刚好完全包覆住颜填料颗粒表面时的PVC。对于涂料来说，PVC是一个重要的指标。当PVC小于CPVC时，涂膜中空隙率低，涂膜致密，空气中的灰层等难以吸附在涂料表面，漆膜耐沾污性较好；而当PVC大于CPVC时，此时体系中的树脂不能完全包裹颜料粒子，从而导致涂膜的致密性下降，漆膜耐沾污性也随之下降。一般来说，选择涂料的PVC接近其CPVC，PVC不宜太高也不宜太低。为了确定合适的PVC，做了以下实验。

2.3.1PVC对漆膜致密性的影响

采用ASTM-D6583-2010（用矿物油吸收法测定漆膜孔隙度的试验方法）测试了不同PVC含量的9组环丙外墙涂料的孔隙率值，如图1所示。

图1　PVC对漆膜孔隙率的影响Fig.1　The effect of PVC on the porosity of film

从图1中可以看出，随着PVC的不断增大，漆膜的孔隙率逐渐增大，在PVC达到45%时，漆膜的孔隙率发生突变，之后继续增加PVC，漆膜孔隙率急剧增加。这是因为在PVC达到CPVC之前，涂料体系中的颜填料粒子均有足够的乳胶粒子包裹，在理想的均匀分散状态和均匀成膜状态，漆膜基本是没有孔隙率的，一旦PVC超过CPVC，越来越多的颜填料粒子无乳胶粒子包裹，导致大量空气和不够用的乳胶粒子共同占据了颜填料之间的空隙。

从以上分析可以初步判定，本实验环丙外墙涂料的CPVC大约为45%。

2.3.2PVC对漆膜耐沾污性的影响

测试不同PVC样品漆膜的反射率下降值来表征漆膜的耐沾污性能［6］，漆膜的反射率下降值越大，耐沾污性越差，反之，耐沾污性则越好［7］。PVC对漆膜耐沾污性能的影响见图2

图2PVC对漆膜耐沾污性的影响Fig.2　The effect of PVC on the stain resistance of film

从图2中可以看出，漆膜的反射率下降值随着PVC的增大先逐渐减小，当PVC增加至45%时，漆膜反射率下降值达到最小值，继续增加PVC，漆膜反射率下降值急剧增加。这一过程说明耐沾污性随着PVC的增加逐渐得到提高，提高到一定程度后，耐沾污性急剧下降。这就充分说明了PVC是影响环丙外墙涂料耐沾污性的重要因素。

综上所述，选择该外墙涂料的PVC为45%是合适的。

3　性能表征

3.1物理共混环丙乳液与化学接枝共聚环丙乳液红外谱图比较

图3　物理共混环丙乳液红外光谱图Fig.3　The FT-IR spectrum of epoxy acrylic emulsion prepared by physical blending

图4　化学接枝环丙乳液红外光谱图Fig.4　The FT-IR spectrum of epoxy acrylic emulsion prepared by chemical grafting

从图3与图4中可以看出与物理共混的环丙乳液的红外光谱图相比，化学接枝的环丙乳液在1729.79cm-1处的C=O吸收峰增强，这是由于乳液聚合过程中环氧单体与丙烯酸类单体发生自由基聚合反应导致的。2种不同制备方法的乳液在1243.39cm-1，916.11cm-1，767.48cm-1处的环氧基团特征吸收峰都存在，而物理共混的环丙乳液在1636.07cm-1处存在C=C的吸收峰，化学接枝的环丙乳液在1636.07cm-1处的C=C的吸收峰消失，进一步说明了物理共混的环丙乳液环氧基团与丙烯酸单体的双键未发生自由基聚合反应，只是单纯的物理共混。

3.2环丙外墙涂料的TG分析

图5是在优化配方及优化工艺条件下制备的外墙涂料成膜后的TG曲线图。由此曲线图可知在200℃时，涂料质量开始发生损失，失重率为3.29%，之后随着温度的增加，涂料质量还在不断发生损失，当温度达到365.14℃时，涂料失重率达到最大值，此时的失重率为25.65%，继续增加温度，涂料失重率变化不明显，因此该外墙涂料热稳定性好。

4小结

本文研究开发了一种由环氧丙烯酸酯复合乳液制备的外墙涂料，该外墙涂料结合了环氧树脂与丙烯酸酯的优点，又着重解决了纯环氧外墙涂料耐候性差的问题。其中四个不同体系乳液加钛白制备的漆膜的定量紫外光试验证实了环丙体系确实具有较好的耐候性，适合用于制备外墙涂料，而通过物理共混乳液制得的环丙乳液表干时间长，涂膜发白，不具有实用性。2种不同方式制备的环丙乳液的红外光谱图的比较也证实了通过化学接枝共聚制得的环丙乳液环氧基团与丙烯酸单体的双键确实发生了自由基聚合，涂膜致密，漆膜性能佳。当该外墙涂料的PVC为45%时，其耐沾污性能最好。该外墙涂料的TG曲线图证实了其具有较好的热稳定性。

［1]杨亚萍，孟婷婷，陈永康，等.一种无APEO的含磷环氧丙烯酸酯防锈乳液的制备与性能［J］.涂料工业，2015（7）：40～46.

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Study on a High Performance Waterborne Epoxy Acrylic Exterior Paint

SHEN Zhi-ming1，2，YANG Ya-ping1，LI Qing1，2and LI An-ning1
（1.Jiangsu Colorful New Building Material Industry Co.，Ltd.，Nanjing 210046，China；2.Green Transformation of Existing Buildings Engineering Technology Research Center of Jiangsu Province，Nanjing 210046，China）

In order to obtain an external coating having a good weather and stain resistance，an epoxy acrylic exterior paint was developed.The epoxy acrylic emulsion was employed in this exterior paint which was prepared by core-shell emulsion polymerization method.It solved the problem that the traditional pure epoxy coating could not be used as an exterior paint for its poor weatherability.And it combined high hardness and good adhesion of epoxy resin with good glossiness and adjustable glass transition temperature of acrylate.The weather and stain resistance of this exterior paint were discussed.The comparison between two film forming processes was carried out，one epoxy acrylic emulsion was obtained by chemical grafting copolymerization and the other one was got by physical blending.It was concluded that the epoxy acrylic exterior paint would have a good weather resistance prepared with the epoxy acrylic emulsion which was synthesized by the core-shell emulsion polymerization，and it could provide a more excellent hardness and adhesion than the pure acrylic and styrene-acrylic system provided.Its varnish film hardness was 4H，adhesion was level 1 and the waterproof ability was about 168h.When the PVC content of this exterior paint was 45%，the film had low porosity and low decline of reflectance，which meant that at this point the film had a good stain resistance and a dense film.

Epoxy acrylic emulsion；weatherability；pigment volume concentration；stain resistance；exterior paint

TQ635.51

A

1001-0017（2016）02-0116-05

2015-11-04

沈志明（1975-），男，江苏南京人，高级工程师，硕士，主要从事绿色节能及绿色建筑领域研究。