水性城市高架桥梁漆的开发

左柒零,蓝茂仁,朱超 巴德富集团建涂事业部

高架桥漆不仅极大提高了城市高架桥的使用寿命,更是提高了其装饰效果,美化了城市环境。以往高架桥的维护和装饰通常是采用油性的热塑性丙烯酸氯化橡胶丙烯酸聚氨酯或FEVE氟涂料,这类涂料虽然具有优异的装饰性和保护性,但同时也会带来大量的VOC,对生产者、施工人和环境都会造成一定程度的危害。上海化学建材协会于2021年9月30日发布T/SHHJ000034-2021团体标准《城市高架道路(桥)用合成树脂外用涂料》,开启了城市高架桥漆水性化的新篇章。

关键词:高架桥、水性化、乳液、耐沾污性、光泽、固体含量、分散润湿剂  

01、前言概述

随着我国城市化快速发展,人流相对集中、车流相对密集,交通设施将是城市化发展必须优先考虑的重中之重,特别是特大型城市的构建。一条条快速高架路连接南北贯通东西,不只是拓宽了城市版图,更是缓解了城市的交通堵塞,充分展示了一个新型城市的韵味和格局。

在城市现代化的进程中,高架桥不仅是一个城市的大动脉,更是一个智慧城市靓丽的风景线。高架桥漆不仅极大提高了高架桥的使用寿命,更是提高了其装饰效果,美化了城市环境。过去高架桥的维护和装饰通常是采用油性的热塑性丙烯酸、氯化橡胶、丙烯酸聚氨酯或FEVE氟碳涂料。这一类涂料虽然对高架桥具有优异的保护和装饰性,但同时也会带来大量的VOC,对生产者、施工人和环境都会造成一定程度的危害。后来以PPG和亚士等涂料企业相继开发出水性化城市高架桥专用涂料,并制定了相应的企业标准,要求固体含量不小于60%、光泽不低于70%、耐沾污下降率不高于15%。上海化学建材协会于2021年9月30日发布T/SHHJ000034-2021团体标准《城市高架道路(桥)用合成树脂外用涂料》。对三者的要求是涂料固体含量不小于60%、60°光泽不低于60%、耐沾污下降率不高于10%,对光泽略做了降低的处理,但对耐沾污提出更高的要求。

在我们常识中建筑涂料做到高固含是很容易的,但要实现高固含、高光泽和高耐沾污这三高性能同步实现是有一定的技术门槛,因为要做到高光泽,配方中的PVC(一般为15-18%)必须要设计足够低,通常情况下低PVC丙烯酸乳胶涂料耐沾污都是非常差的。要实现这三高性能同步首先成膜物乳液的选择是至关重要的,其乳液本身不光要做到高固含,高耐沾污和低透水率,还必须做到优异的耐老化性。其次是分散润湿剂、消泡剂和颜填料的选择也非常重要。分散润湿剂不仅要做到对金红石型钛白粉有很好的分散性,防止浮色发花,更要做到对漆膜的光泽和透水率要影响小;在消泡剂的选择上原则是对体系有很好消泡的作用,不能产生缩孔和对漆膜光泽产生雾影的负面影响;在颜填料选择上也是要做到易分散,高耐候性,同时对漆膜的光泽影响也要足够小,如钛白粉要选择金红石型,表面需经过锆铝等包膜的有机处理后的;填料通常对漆膜的光泽影响比较大,在高光体系一般不用和少用,为了降低配方成本可以适当少加一些填料,但该填料表面也最好是经过有机处理的,对光泽和物化性能影响比较小的。本文中只着重讨论乳液和分散剂对水性城市高架桥粱漆的影响,其他的助剂和填料的影响因素这里不作探讨和论述。

02、应用实验

2、1、试验和检测设备(见表格一)

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2、2、测试配方

2、2、1、乳液对涂料性能的影响:

在上海化建协会发布的团体标准T/SHHJ000034-2021《城市高架道路(桥)用合成树脂外用涂料》中要求:固体含量≥60%、60°光泽≥60%、耐沾污≤10%、透水率≤0.5ml。这些指标相比GB/T9755-2014《合成树脂乳液外墙涂料》中单独某一指标如固体含量≥60%或60°光泽≥60%或耐沾污≤10%或透水率≤0.5ml都比较容易实现,配方设计和选材上也没有那么难,但如果把这四个指标集中在一个配方中体现就不那么容易。从两者对耐沾污技术指标来看,城市高架漆的耐沾污比外墙优等品的耐沾污要求都要高很多。

a、耐沾污:高耐沾污是外用涂料永恒不变的主旋律,也是使装饰面持久靓丽最主要指标之一,目前外用建筑涂料市场应用高耐沾技术原理通常采用以下四种技术路径来实现:

1)   超疏水低表面张力原理;

2)   超亲水(表面亲水内核疏水)原理;

3)   纳米光触媒自粉化原理;

4)   自交联高致密原理。

具体用哪种技术路径来达到外用建筑涂料高耐沾污的要求,还要根据具体涂料的技术要求来确定。水性城市高架桥漆不仅要满足高耐沾污的要求,还需要具有高固含、高光泽和低透水率的要求。

b、光泽和固体含量:高固体含量在水性建筑涂料中是最容易实现的,只要我们加入大量的填充料,就可以达到,同时还可以有效降低配方成本。在传统的建筑外墙涂料的配方设计中,我们会选择颜填料占比40-50%,乳液用量为20-45%。根据水性城市高架桥的团体标准中的技术要求有两个硬性指标,固体含量要≥60%、60°光泽要≥60%,在配方设计上首先确认一下配方中颜料和乳液的添加量。在保障光泽、对比率和耐老化的情况下,首先只选择金红石型钛白粉,根据钛白粉单纯在涂料中最佳添加量的原理取钛白粉用量为27%左右;颜料含量确定,为了满足固体含量60%,配方中还需要33%的固体成分(先不考虑助剂的所形成的固体含量),市面上大部分乳液的固体含量通常为45-50%,假设取市面上建筑外墙平涂用的乳液固体含量最高的50%,则该配方中需要该乳液占比66%,按照这个配方设计的逻辑关系就没有多余的水来分散钛白粉。

通过对水性城市高架桥漆的团体标准的解读,乳液的选择是重中之重,乳液初步要具备:

1)   固体含量要55%或以上,满足标准中固体含量的要求;

2)   纯丙或硅丙满足耐老化1000h以上的黄变和变色要求;

3)   粒径分布要窄满足光泽和透水率的要求;

4)   适度的玻璃化温度,合适的结构,表层的亲疏水基团合理分布以及一定的自交联能力满足高耐沾污和透水率的要求。

测试配方见表格二:

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备注:钛白粉含量27.15%,乳液含量56.25%。

2、2、2、不同分散剂对透水率和光泽的影响:

分散剂的作用是指使进入水相体系后的颜填料粒子在水相中稳定且以小颗粒形式(原始粒径)存在,彼此之间能够产生空间位阻或电离排斥,形成均匀分布相,而不再重新聚集;润湿剂的作用是指使液体在颜填料表面上的快速铺展,在涂料生产过程中,为了使颜填料粒子表面的空气被水快速取代,使颜填料粒子快速进入水相中。两者配合使用,既能起到协同作用,又能使颜填料粒子以更细腻的形式稳定地分散于涂料中;并在生产过程中有效提高分散的效率,缩短研磨分散时间,极大的提高了颜填料粒子的着色强度、遮盖力;对涂料的透明度、粘度、流动性、机械强度、稳定性等都有不同程度的影响(这里不予论述验证其逻辑关系)。

现如今水性涂料实际应用中通常选用的分散剂的分子量相对较大,分子量大的能够提供更好的空间位阻效应,防止颜料絮凝,使整个分散体系处于更稳定状态;润湿剂分子量相对较小,分子量小的使其更容易迁移,有效降低颜填料的表面张力。本试验方案分别选择市面上通用的两款丙烯酸共聚物、一款羧酸盐均聚物和一款高分子分散剂同润湿剂搭配的方案来做对比测试对水性城市高架桥漆的透水率和光泽的影响。

测试配方见表格三:

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2、3、测试内容

2、3、1、乳液对涂料性能的影响测试结果见表格四:

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备注:

滞刷性测试方法:在规格150mm*100mm*6mm无处理的无石棉水泥板上,取3g涂料,不开稀,用羊毛刷均匀刷涂刷涂,刷涂到刷不动为止,计算刷涂次数。

消泡性测试方法:在430mm*150mm*6mm规格的无石棉水泥板上,涂料兑水10%,,按250g/㎡的涂布量用中毛辊筒辊涂10个来回,记录泡消所用时间。

其它性能测试效果见下图示:

5.png6.png

小结:之所以选用RS-2808A、RS-2808和市面产品7XXX这三款乳液来做水性城市高架桥漆,是因为这三款乳液其固体含量(RS-2808A固体含量是58%、RS-2808固体含量是60%、市面产品7XXX固体含量是55%)满足其标准中高固体含量大于或等于60%的技术要求,其次是巴德富RS-2808和市面7XXX本来就是商业化产品。按照T/SHHJ000034-2021《城市高架道路(桥)用合成树脂乳液外用涂料》标准进行测试,用RS-2808A制备的涂料性能完全能通过上海水性城市高架桥的团体标准。通过以上试验数据对比RS-2808A的耐沾污具有非常明显的优势,相比RS-2808和市面7XXX明显好很多,其次在光泽上RS-2808A也略高于RS-2808和市面7XXX。虽然RS-2808和市面7XXX除了耐沾污不能够满足标准的要求,其他性能都表现优异,但作为外装饰面的材料,显然这两支乳液综合性能表现是不够的、欠缺的。用RS-2808A做成的水性城市高架桥漆具有突出的耐沾污,比T/SHHJ000034-2021标准中耐沾污小于10%的要求小很多(耐沾污测试结果为5.1%)。让装饰面保持持久靓丽,不光美化了环境,减少了重涂,同时也极大的节约了人力成本和资源,减少少对当下环境的破坏,也是符合习主席提出的3060双碳政策的。

2、3、2、分散剂对涂料光泽和透水率的影响以及其他性能测试结果见表格五:

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其它性能测试效果见下图示:

8.png

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小结:分散剂是解决水性建筑涂料中的颜填料的稳定性防止絮凝;润湿剂是调整配方中的HLB值,改善复色涂料的浮色发花的问题,浮白说明涂料的浆料(Base)做得偏亲油,需要偏亲水的润湿剂来调整,浮黑或其他有机色,说明涂料的浆料做得偏亲水,需要偏亲油的润湿剂来调整平衡。RS-2808A在不同分散体系(XM-125、BYK-190、SN-5027、SN-5040)下的涂料性能按照T/SHHJ000034-2021《城市高架道路(桥)用合成树脂乳液外用涂料》标准进行测试,用XM-125分散剂体系、BYK-190分散剂体系、SN-5027分散剂体系的涂料性能都能通过其标准要求,用SN-5040分散体系制备的涂料除透水性不过标准外,其他性能都能过标准。BYK-190分散体系的涂料展色色差略差,其他性能良好;SN-5027分散体系的涂料透水率较好,对比率、光泽、热储存稳定性略差;SN-5040分散体系的涂料对比率较好,透水率较差;四个分散剂相比XM-125体系综合性能相对较好。分散润湿剂除了对涂料的稳定性有着举足轻重的作用,实际对涂料的光泽和透水率的影响,因成分和品种不一样,影响的差异也是不尽相同的。在分散润湿剂的选择上尽量做到相似相溶,不光要做到满足其性能技术要求,还要考虑其性价比高和就地取材的原则。

03、总结

3、1、RS-2808A是一种自交联改性纯丙烯酸共聚物乳液,采用巴德富耐沾污和高固体含量的乳液合成技术平台,独特的交联体系配合结构阶梯分布技术,使得乳胶粒子内部交联密度更高,且以里到外的极性基团逐步增加,里疏外亲,赋予了产品优异的耐沾污性及低透水率。同时通过粒径控制技术并搭配特种功能单体,赋予乳液高固体含量(乳液含量58%)从而使乳液成膜后具备良好的丰满度和光泽度并保证了突出的耐老化性。RS-2808A是一支真正实现和满足水性城市高架桥标准的自交联纯丙烯酸合成乳液,在保证高固体含量、高光泽、低透水率的情况下,具有更突出的耐沾污性,从而充分保证了涂装好的水性城市高架桥梁漆持久靓丽。在上海化建协会水性城市高架桥漆的团体标准中要求VOC含量不大于70g/L,在乳液合成包括产品应用开发其VOC都远远低于其标准,碳、环保是巴德富可持续发展的主旋律。

3、2、随着国家八纵八横高铁网络的落地、十四五规划的二小时经济都市圈以及各城市现代化交通设施的建构,未来市场空间必将有无限可能。为了进一步节约土地利用率和提高城市空间,缓解城市或城市间交通压力,轻轨和高架桥必将是现代化城市的龙脉。一座座设计独特、建造精良的高架桥,像东方的巨龙直冲云霄。巴德富作为推动全球水性化的倡导者,通过不断实现自主研发以及技术创新突破来助力城市高架桥水性化的涂装升级,极大地提高水性城市高架桥的装饰性和使用寿命,必成为现代化城市的一道道靓丽的风景线。



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