摘要:通过特殊技术改进常规氟碳涂料，研制了自清洁、耐沾污氟碳涂料，实验结果表明该涂料具有良好的雨水自清洁效果和优异的涂膜综合性能。
关键词:亲水型;自清洁;耐沾污;氟碳涂料
中图分类号:TQ637 文献标识码:A 文章编号:0253－4312(2013)01－0059－04
氟碳涂料作为具有优异耐候性和防腐蚀性的高性能涂料，广泛应用于桥梁、机场等耐候性要求高的领域，然而涂膜在实际使用过程中，会受到使用环境中各种物质的污染，包括空气中的粉尘、油性烟雾、工业废气、汽车尾气、酸雨等，这些污染物会粘附在涂膜表面并不断积累，从而使涂膜在短期内失去鲜艳的色彩，变黑变灰，严重影响涂膜的装饰效果和保护功能。因此改善目前常用的PVDF和FEVE氟碳涂料的耐沾污性是氟碳涂料发展的一个新方向。
为了解决氟碳涂料的耐沾污性问题，本研究研制出一种自清洁氟碳涂料55GCN，该涂料采用最新的亲水自清洁技术，能长期有效抵抗各种污染物对涂膜的污染，使得涂膜持久如新。
1·涂膜的耐沾污自清洁理论
涂膜的沾污污染可以分为吸入性污染和附着性污染两大类。因此提高涂膜的耐沾污性主要通过改善涂膜的表面性质使污染物难以吸附并容易除去，或通过提高涂膜的致密性使污染物不易渗入。
在提高涂层的致密性方面，三聚交联网状结构比普通的线型结构和二聚结构(缩二脲)更加致密，大大提高了涂膜的硬度，污染物很难渗入涂层表面，同时污染物也不易粘附［2］。在改善涂膜表面性能方面，通过增大或减小涂膜表面的水接触角，从而使涂膜表面具有疏水性或亲水性是实现涂膜耐沾污、自清洁功能的两大方向。
具有很大水接触角和超强疏水性的涂膜表面就如荷叶表面，这种表面所具有的特性称为荷叶效应。荷叶效应是使涂膜表面具有很大的水接触角和超强的疏水能力，从而使涂膜表面具有类似荷叶表面的耐沾污性能。荷叶疏水自清洁机理是水滴落在荷叶表面，会变成一个个自由滚动的水珠，水珠在滚动中能带走荷叶表面的尘土。采用疏水技术制备的涂膜表面具有较大的接触角，而雨水在这类涂膜上有较低的滚动角，容易将污染物冲走。虽然采用疏水技术制备的涂膜对亲水性污染物的清除效果不错，但也存在很多缺陷。由于疏水技术制备的涂膜具有憎水亲油的性质，所以容易吸附空气中亲油性污染物，而且难以除去，被雨水冲刷后很容易产生雨痕。而且要达到有效的荷叶效应，要求涂膜的接触角大于150°，技术上较难实现。
一般来说，疏水效果只能对亲水污染物有良好的防吸附作用，而亲油性污染物非常容易吸附在树脂涂膜表面，疏水性涂料很难被雨水润湿，从而雨水从亲油性污染物表面滚过时很难将污染物带走，这使得疏水性涂料的雨痕问题更为严重。据相关部门分析，我国空气污染物中90%的污染物均为有机物，有机物亲油的特性决定了亲水涂膜在我国比疏水涂膜具有更好的自清洁效果。
通过减小涂膜表面的水接触角，可以制备具有自清洁功能的亲水涂膜。亲水涂膜使得雨水很容易润湿涂膜，使污染物只能松散地吸附在涂膜表面，不但可以避免雨水流下带来的雨痕问题，也可以对灰尘进行良好的润湿而使灰尘容易被雨水冲洗掉［3］。亲水涂料的自清洁去污机理如图1所示。
图1 亲水涂料的自清洁去污机理
通常涂膜对水的接触角越小涂膜亲水效果越好，涂膜的耐沾污、自清洁效果也越好，通常涂膜的亲水接触角小于60°，涂膜表面具有良好的自清洁效果。亲水涂膜水接触角与耐沾污性的对应关系如图2所示。
图2 亲水涂膜水接触角与耐沾污性的对应关系
亲水自清洁涂料需要很小的水接触角，但过小的接触角会导致涂膜十分亲水，影响涂膜的耐水性，导致涂膜遇水发白。涂膜重涂后，遇到下雨，雨水将渗透到旧涂层表面，在旧涂层表面积累，从而使新涂层脱落。此外，过小的接触角使得涂膜长期吸水处于潮湿状态，容易滋生霉菌，反而会影响涂膜的耐沾污性。
为了实现氟碳涂料的耐沾污、自清洁功能，又不影响氟碳涂料耐水性等其他性能，本研究采用特殊技术，使普通氟碳涂料涂膜表面产生亲水性基团，降低涂膜与水的接触角，使得油性污染物附着不牢，容易被雨水冲刷走［4］。该技术制备的氟碳涂膜对亲水性和亲油性的污染物都具有很好的清洁效果。
2·实验部分
2.1 自清洁氟碳涂料制备原理
通过在常规氟碳涂料甲组分中添加含氟烷基硅酸盐材料，配合乙组分三聚体结构的异氰酸酯固化剂交联成膜后，可以实现氟碳涂料的表面亲水化。
烷基硅酸盐材料中含氟烷基硅酸盐表面自由能低，具有极低的表面张力，含氟烷基硅酸盐在氟碳涂料表面的移动性很大，氟碳涂料施工后涂膜表面的氟烷基硅酸盐含量迅速升高，涂膜表面形成浓缩层的氟烷基硅酸盐可以进行加水分解，实现了涂膜表面亲水化。而且含氟烷基硅酸盐材料可以单独在氟碳树脂和异氰酸酯固化剂中稳定存在，不存在贮放时间久或交联反应而使含氟烷基硅酸盐材料失去表面迁移效果。
2.2 涂膜的制备
甲乙组分按照特定的配比混合搅拌均匀后，加入一定量的稀释剂，采用有气喷涂的方法，分别在马口铁板，喷砂钢板，铝板上喷涂制成适当厚度的涂膜。
2.3 接触角的测试
用JC－2000C1静滴接触角、界面张力测量仪测定涂膜与水的接触角。
2.4 耐沾污性测试
评价涂膜的耐沾污性能主要是按ASTMD3719－00的标准来测定涂膜的耐沾污指数(DC)。按标准制备样板养护7d后测定其L1值，然后将样板45°角正面向上在户外放置61d，取下样板测定其L2值。通过式(1)计算样板的耐沾污指数。
DC=L2/L1×100式(1)
2.5 涂膜性能测试
按GB/T1865—1997的测试标准进行涂膜人工加速老化实验。按照HG/T3792—2005交联型氟树脂涂料(Ⅱ型)、HG/T3792—2005交联型氟树脂涂料(Ⅰ型)的技术要求，测试涂膜的各项基本性能。
3·结果与讨论
3.1 涂膜与水的接触角
涂膜养护15d后，测定普通氟碳涂料和普通聚氨酯涂料的水接触角以及经过特殊技术处理后的氟碳涂料和聚氨酯涂膜的水接触角。测试接触角结果如图3所示。
图3 聚氨酯涂料与氟碳涂料亲水化处理前后接触角对比
从图3可知，亲水化技术处理后的聚氨酯涂料和氟碳涂料的水接触角均比未处理过的减小。亲水化处理过的氟碳涂料55GCN涂膜的水接触角降低到56°，具有很好的亲水性能，从理论上证明了该涂料制备的涂膜具有良好的耐沾污、自清洁的效果。
3.2 自清洁氟碳涂料的耐沾污性能
耐沾污指数按式(1)计算。耐沾污指数越高，则涂膜的耐污染性能越好。普通氟碳涂料与自清洁氟碳涂料55GCN的耐沾污指数对比如图4所示。
图4 普通氟碳涂料与自清洁氟碳涂料耐沾污性对比
经过12个月的户外曝晒，自清洁氟碳涂料55GCN与普通氟碳涂料的耐污染自清洁效果如图5所示。从图5可以看出，与普通氟碳涂料相比，55GCN的自清洁效果十分明显。
图5 自清洁氟碳涂料55GCN 与普通氟碳涂料曝晒前后表面效果对比
3.3 自清洁氟碳涂料55GCN的耐老化性能
为验证自清洁氟碳涂料55GCN的耐老化性能，按照GB/T1865—1997的测试方法，对55GCN与普通氟碳涂料的保光性和耐候性进行了5000h的Q－UVB人工加速老化对比实验。测试结果如图6、图7所示。
图6 人工加速老化涂膜保光率对比
图7 人工加速老化涂膜色差变化对比
从图6和图7可以看出，经过5000h的Q－UVB人工加速老化实验，普通氟碳涂料和自清洁氟碳涂料55GCN涂层的保光率基本接近，涂层的色差ΔE基本接近，说明本研究采用的亲水化处理技术不会对氟碳涂膜的保光率和色差产生不良影响。
为了验证自清洁氟碳涂料55GCN耐老化后自清洁效果的持续性，本研究测试了涂膜经过1500h的Q－UVB人工加速老化后的亲水接触角。测试结果如图8。
图8 人工加速老化前后55GCN的亲水接触对比
从图8可以看出，经过1500h的Q－UVB人工加速老化后，涂膜的接触角为68°，涂膜仍然保持较低的水接触角，说明涂膜的自清洁效果长期有效。
3.4 自清洁氟碳涂料55GCN的基本性能
按照HG/T3792—2005交联型氟树脂涂料(Ⅱ型)、HG/T3792—2005交联型氟树脂涂料(Ⅰ型)的技术要求，测试自清洁氟碳涂料55GCN的各项基本性能，检测结果如表1所示。
表1 自清洁氟碳涂料55GCN产品性能
4·结语
本研究制备的自清洁氟碳涂料55GCN作为新一代的防腐蚀自清洁涂料产品，采用特殊的亲水化技术，使涂膜保持长期的耐沾污和耐候性能，适用于对防护和装饰性都有较高要求的桥梁、建筑等工业领域，可以长期保持使用区域的清洁外观，延缓各种污染物的腐蚀，能有效地降低清洁维护成本。
参考文献
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［2］江洪申．耐沾污自洁净防腐蚀涂料［J］．腐蚀与防护，2008，29(10):611－613．
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［4］李运德，徐永祥，师华，等．常温固化FEVE氟碳涂料表面亲水性研究［J］．涂料工业，2009，39(2):46－47
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