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建筑外墙底漆产品性能研究及新技术进展
建筑外墙底漆产品性能研究及新技术进展
文:胡月晗，王毓江，刘涵.董祥亭（陶氏涂料材料技术部）
背景
标准的建筑外墙涂层体系的施工程序，第一步是底漆，第二步是面漆，第三步是罩面清漆。随着市场上对外墙涂料装饰性能耍求的提高，人们把越来越多的目光投向了面漆和罩面清漆，而忽略了底漆在整个涂层体系中所起到的至关重要的作用。外墙涂层休系中的面漆和罩面消漆，不仅要经受外界自然环境中风吹雨淋，阳光暴晒的考验.而且还会受到来自建筑基材内部的一些碱类和盐类物质的侵蚀。底漆，作为整个涂层体系的第一层，直接与基材表面相接触.为建筑基材提供保护作用，同时也为面漆提供坚实的保障。
底漆，应用于建筑基材与面漆涂层之间，对基材和面漆都具有重要的作用。首先，对于建筑基材而言，在中国市场上，主要的建筑基材是水泥和钢筋混凝土，外界的水气和二氧化碳，会不断的缓慢的渗透到基材内部.对水泥以及内部钢筋都会有破坏作用。二氧化碳溶于潮湿的水气中，生成碳酸，对钢筋有极强的腐蚀作用，使钢筋的强度急剧下降，最终失去对整个建筑物的支撑作用，为建筑的安全带来很大的隐患。其次，对于面漆涂层，水泥基材内部在水泥固化的过程中，带来了大量的碱类和盐类物质，如NaOH, CaCl2, Ca(OH)2等。这些物质会伴随着水泥内部的水分的蒸发，不断迁移运动到基材表面，进而对面漆带来伤害.在漆膜表面析出大片的白色固体.也就是我们常说的泛碱盐析的现象。底漆产品的使用.可以有效的抵抗来自基材内部的威胁，为面漆的涂刷提供稳固的基础。此外.底漆还可以对基材的表面进行重新修饰，从而提高面漆对基材的附着力，减少面漆漆膜剥落现象的发生。因此，底漆是整个涂层体系中不可缺少的重要一层，是提高建筑物安全质量和面漆涂层装饰性能的保障。
建筑外墙用底漆产品一般按以下的几种方法进行分类，(1)根据溶剂的不同，可以分为溶剂型底漆和水性底漆。这里我们主要涉及的均是更加环保的水性底漆;(2)根据漆膜的透明性.可以分为透明底漆和不透明底漆;透明底漆.也被成为密封剂.其渗透和封闭性能极为突出.而添加了钛白粉和填料的不透明底漆可以增加面漆的遮盖效果，受到客户的青睐;(3)根据封闭机理，可以分为封闭型底漆和反应型底漆。反应型底漆，多为阳离子型聚合物.可以与基材中的碱类物质发生电荷反应，从而达到很好的抗泛碱的性能。
底漆性能的检测方法
目前，中国市场上对于底漆性能的要求主要集中在封闭性能和附着力性能上。国家建设部的建筑工业行业标准JG/T 210-2007中对底漆的性能有比较全面的规定，表1中列出了具体性能的要求。
在封闭性能方面，行业标准JG/T210-2007对底漆的抗泛碱性.抗盐析性和透水性有了明确的规定。在附着力方面，行业标准JG汀210-2007中采用的是划格法来进行测试。根据我们对底漆性能测试的经验来上看.行业标准中规定的抗泛碱盐析的测试与实际应用中的真实情况还是有一些差距的。我们对此也进行了检测方法的研究，开发了更贴近实际应用情况的新鲜水泥柱浸泡的测试方法。
底漆产品技术要求
在这个测试方法中使用的水泥柱是新鲜制备的，使用的腻子是含天坝TM 2000的水泥基腻子。具体的测试步骤是:1.在新鲜制备的水泥柱上涂刮水泥基腻子，然后打磨平整。2.在腻子上涂刷底漆，漆膜干燥时间为24小时，养护条件为恒温恒湿室。然后将水泥柱下端的四个面用蜡液进行封边。3.将水泥柱浸泡在含有盐和碱的混合溶液中。如图1所示，观察底漆对于碱液和盐液的封闭性能。在这种方法中我们采用的是新鲜制备的水泥，这样的水泥含有更多的碱类和盐类物质，使测试条件变得更为苛刻。在实际的工程项目中.经常会遇到雨天雪天这样相对比较恶劣的天气.甚至有时还会有追赶工期的情况，导致水泥养护时间不够，或者养护不充分。对于这样的实际应用情况，新鲜水泥柱浸泡的测试方法则更为合适。
新鲜水泥柱基材底漆封闭性能测试
行业标准中规定的划格法测试附着力，所选用的基材是水泥板。实际情况中.大多数的底漆不是直接应用在水泥基材，而是应用在腻子上。腻子一般可分为水泥基腻子和石膏基腻子.外墙中普遍使用的是水泥基腻子。水泥基材表面涂刮腻子层，主要用于对基材凹坑.缩孔和裂纹等缺陷的修补，使基材表面平整能够满足装饰涂层丰满度，平滑性和鲜映性等外观装饰性的要求。我们曾经试过在腻子这样的基材中使用划格法来进行附着力的测试，但是由于腻子的强度较低.在划格的过程中.很容易就对腻子层造成了破坏，导致测试结果不准确。因此.我们采用的是胶带法在腻子这样的基材中来进行测试。采用胶带法来测试时还有一个优势，就是不仅能够测试底漆和腻子基材之间的附着力，同时还能够测量面漆与底漆之间附着力的好坏。
具体的测试步骤是:1.在水泥板上涂刮腻子，待完全干燥后打磨平整。2.在腻子板表面依次涂刷底漆1道，面漆2道.分别为普通外墙平涂涂料.白色弹性涂料，深色弹性涂料，然后室温养护过夜。3.在面漆表面贴上3M美纹胶带.室温粘附4小时后，按照图2所示的方向将胶带撕下.观察面漆表面是否发生起皱，剥落的情况.以及涂层剥落的位置，以此来判断底漆对腻子和面漆的附着力。
胶带法附着力测试
划格法和胶带法测试的都是漆膜在完全干透状态下的附着力。而在实际的应用中，漆膜在受到雨水浸润或者潮湿的空气影响时。漆膜所处的状态是湿态。漆膜一旦受到水分的浸润后，对于不同成分的漆膜其附着力的变化会有很大的区别。首先，我们需要分析漆膜是通过什么样的作用力粘附在基材表面的。漆膜附着在基材表面主要通过两个方面的作用，一方面是化学作用.包括范德华力，氢键作用和共价键的作用等;另一方面是物理作用，这里主要是漆膜与界面基材表面之间的机械咬合作用。对于氢键作用，水分对其破坏作用最大。漆膜一旦变为湿态，其与基材之间的附着力也就随之消失。因此，为了能够测量漆膜在干态和湿态两种状态下的附着力情况，陶氏涂料技术服务部采用纱布法来检测附着力。
具体测试步骤是:1.在水泥板上用刷子涂刷2.5g涂料;2.立即在水泥板上用纱布覆盖;3.将纱布固定在涂有涂料的水泥板上.然后在用刷子涂刷7.5g涂料;3.将水泥板置于恒温恒湿室养护7天;4.在拉伸仪中测试纱布剥离时的强度，如图3所示。5.湿态附着力的测试方法是在室温养护7天后，将测试板置于喷雾箱中接受水雾的喷淋，然后再进行纱布剥离强度的测试。
纱布剥离法测试底漆附着力
我们在开发底漆乳液产品时发现，除了封闭性能和附着力性能的测试之外，底漆的渗透性能也是一个非常关键的因素。与底漆直接接触的基材是腻子，我们在分析了腻子的结构特征后发现，腻子的结构疏松多孔，强度较低。图4展示了腻子表面和内部的结构特征。腻子中的这些毛细管状的孔洞正是水泥基材中的那些碱类和盐类物质向表面迁移的通道。图5所示，如果能够将这些毛细管状的通道全部封堵住，将迁移的通道阻断，就能够很好地实现底漆的封闭性能。对于这样的情况，渗透性能好的底漆就有很大的优势。底漆只有渗透到腻子的内部，才能对这些通道实现很好的封闭。并且渗透的深度越深，对这些通道封闭得也就越完整越全面。这样，就能从根本上解决水泥基材泛碱和盐析的问题。那怎么去表征底漆的渗透性能呢?我们做了大量的实验来检测底漆的渗透性能。最终.我们找到了一个比较合理客观的评价方法。
涂刷底漆前后腻子表面和内部结构的光学显微表征
渗透底漆的封闭性能
如图6所示，具体的测试步骤是:1.将腻子粉与水混合，比例控制在3:1.待搅拌均匀后将其制作成小块，尺寸为40mm*20mm*6mm，放入50° C烘箱(12小时)至完全干燥;2用刷子在腻子块表面刷上透明底漆(0.35g)，涂刷方法是少量多次，然后室温放置，过夜;3.完全干燥后，在腻子块涂刷底漆的背面，用刀片划一道浅痕，将其断开，在截面上未涂刷底漆的一侧滴上2-3滴亚甲基蓝染液(浓度为0.1%);4.未被染液染色的部分就是底漆渗透的部分.测量这部分的厚度。
底漆渗透性能测试
陶氏化学不同类型的高性能底漆产品
近几年来，陶氏化学建立起来了一套比较完整的底漆产品线，在渗透型清漆.配方型底漆以及特殊功能底漆方面都有很好的产品服务于我们的客户。下面分别介绍这三种类型底漆中相应的产品。
1,渗透型清漆产品PRIMAL(百历摩TM) R-64N乳液
百历摩TM R-64N是我们新开发的一种具有纳米级小粒径(直径为50nm)的苯丙底漆乳液。这款乳液直接作为清漆使用，具有优异的渗透性能。如图7所示，相对于大粒径的乳液而言.具有纳米级小粒径的乳液更容易渗透到基材的毛细管道中。并且乳液的粒径越小，在堆积时所产生的空隙也就越小.因此在完全干燥后所形成的清漆膜也就越致密.封闭性能也就越好。
不同粒径的底漆乳液在腻子中的渗透情况
清漆底漆的渗透性能测试
在渗透性能的测试中，我们可以看到，跟市场的其他同类产品相比，小粒径的底漆乳液具有非常高的渗透能力。图8中白色区域为底漆渗透并且达到很好的封闭效果的部分。由于底漆很好的封闭性能，所以染液很难渗透到腻子的表面。因此，渗透型的底漆在封闭性能上有很大的优势。同时，我们在用行业标准JG/T210-2007的测试方法做泛碱和盐析的实验中，高渗透性能的百历摩 R-64N也表现出了很好的封闭效果。在水泥柱的泛碱盐析实验中，如图9所示，对于新鲜的水泥基材.百历摩 R-64N也表现出了很好的封闭性能，有效的抑制了碱和盐的析出。
清漆底漆产品在新鲜水泥柱上的封闭性能测试
高渗透性能底漆百历摩 R-64N在附着力方面也有优异的表现。这里我们采用胶带法测试其附着力的性能。在腻子板上均匀涂上底漆清漆后.在其表面依次涂上普通外墙平涂涂料，白色弹性涂料和深色弹性涂料。在实际应用中.弹性涂料作为面漆使用时，如果底漆与面漆之间的附着力不好时.比较容易出现问题，如起泡甚至大片剥落的情况。因此，这里我们特别选用不同颜色的弹性涂料来测试底漆对面漆的附着力的性能。如图10所示，与市场上同类产品相比，百历摩 R-64N对不同的外墙面漆都有比较好的附着性能.在剥离胶带的过程中，没有产生起皱或者剥落的现象。
清漆底漆产品胶带法附着力测试
2、具有AVANSE 技术的封闭型底漆产品百历摩 DC-420
AVANSE 技术是Rohm&Haas具有的一个特殊的技术。这个技术主要用于提高乳液与颜填料之间的相互作用力。如图11所示，与普通乳液相比.AVANSE 乳液粒子与颜填料可以紧密的结合在一起，乳液粒子对颜填料形成非常紧密的包裹，最终可以形成致密的漆膜。对于添加有颜填料的底漆而言.漆膜致密的程度与乳液和颜填料之间相互作用的强弱有很大关系。乳液的作用就是对颜填料实现很好的包裹。乳液与颜填料之间的相互作用越大，这种包裹作用也就越充分，相应的，漆膜的致密程度也就越高。应用这种乳液制备的底漆产品，其封闭性能能够达到一个很高的水平。在国标测试中.可以看到与市场上的同类外墙底漆产品相比，具有AVANSETM乳液的底漆产品表现出了优异的封闭性能，具体测试结果如图12所示。
3、具有特殊功能的底漆产品百历摩TM PR-73乳液
百历摩 PR-73是一种具有特殊应用性能的产品，对新鲜的水泥有非常出色的封闭性能。考虑到在实际的工程中，经常会遇到雨天或者其他种种原因导致水泥养护不充分的情况.这时，百历摩 PR-73中的特殊组分能够对新鲜水泥中的碱类和盐类物质起到很好的屏障作用，从而提供很好的封闭性能。图13展示的是在新鲜制备的水泥基材中对底漆封闭性能的检测结果。
总结
在整个外墙涂层体系中.底漆作为最基础的第一层涂层.对面漆涂层以及整个外墙涂层体系都具有至为重要的作用。本文中，陶氏化学建筑涂料业务部门以底漆的实际应用为指导，不断的优化底漆性能的测试方法，采用更先进的技术开发应用于底漆的乳液产品。我们开发的一系列特殊设计的具有不同性能优势的底漆乳液产品.能够对基材和面漆涂层进行很好的保护，是实现高质量外墙涂层体系最佳的选择。
