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外墙涂料要求具有较高的强度、弹性和附着力及装饰性, 并且要具有十分突出的耐候性、耐沾污性、耐水性、耐化学性能. 外墙涂料的研究随着我国建筑业的发展将越来越成为一个重要的内容. 本文就建筑涂料特别是外墙涂料的发展状况及新型外墙涂料及涂料助剂或添加剂的发展做一些探索及论述[ 1] .
1 建筑外墙涂料的国内外现状
饰业的迅速发展, 各种建筑装饰材料也随之而生, 产品的质量也在不断地提高, 在与墙面砖、玻璃幕墙等材料激烈竞争中, 建筑外墙涂料以其色彩鲜艳、花色品种多、质轻、施工方便、易于翻新及成本适中等优势逐渐处于重要的地位. 我国目前建筑涂料年产量已达3~ 4 万吨, 虽然数量的增长速度是比较快的, 但是人均消费与世界发达国家相比仅有十几分之一, 仍处于较低消费水平,在建筑涂料的总产量中低档经济型产品仍占有相当的比重. 建筑涂料总的趋势是向高质量发展的,低档产品的比重将逐年下降. 现在我国大城市正在研究出台以外墙涂料代替马赛克、玻璃幕墙的装饰, 限制马赛克、烧结砖面作为外墙装饰等一系列政策措施, 这将有力的推动建筑涂料在我国的发展[ 2~ 5] .近年来国外建筑外墙涂料已成为外墙装饰的主流. 如美国、德国、瑞士等国家的建筑外墙以涂料装饰的已达80%, 而且多以中高档涂料为主.涂料的生产和施工已形成了专业化和规模化. 在新型涂料的开发和研究方面发展也比较快, 如: 高性能有机硅改性涂料的开发研制获得了一定的成功, 常温固化的氟碳建筑外墙涂料已用于国外的高层建筑物的外墙. 水性含氟涂料也处于研究开发阶段. 另外一些功能性特种涂料也在不断地研制和开发中, 各种性能的功能性涂料不断出现进入市场. 由于涂料品种及性能的要求, 各种涂料助剂、新工艺及新型填充剂也在不断地发展, 如: 反光发光及纳米技术的应用都促进了涂料的发展和更新[ 6~ 8] .
2 新型建筑外墙涂料
由于新技术及新产品的出现, 新型建筑涂料每年都有许多品种进入市场, 但是主要的是新型树脂的开发和生产工艺的进步, 其比较先进的是氟碳树脂、含硅涂料及改性聚氨酯涂料为代表的系列产品的开发, 还有一些用于特殊场合的功能性涂料的开发.
2. 1 氟碳树脂及含氟涂料
常温固化的氟碳涂料中F C 键能大( 约485kJ/ mol) , 能抵抗紫外线的降解作用, 特别适于户外长期使用. 氟碳涂料作为一种全新的表面装饰材料, 几乎涵盖或者说超越了传统涂料的所有优异性能. 如它具有超强的耐候性、优良的耐化学品以及良好的机械性能, 并具有极小的摩擦系数和良好的装饰性能[ 10] . 氟碳树脂的特点与分子中氟原子的含量与分布关系极大. 其中含氟单体的比例越大其特性越显著.氟碳涂料可分为热塑型和热固型两大类, 热塑性涂料又分为水分散型和有机溶剂分散型和粉末涂料等三种. 热塑性的氟碳树脂涂料的制备一般是含氟单体在一定条件下与含双键的物质进行乳液聚合, 如用乙酸乙烯酯作为共聚单体同三氟氯乙烯在过硫酸铵等引发剂及表面活性剂存在下进行乳液聚合, 生成的乳液可单独也可与丙烯酸等其它乳液合用生产建筑外墙涂料. 三氟氯乙烯与丙烯酸及乙酸乙烯酯等单体可通过某种工艺聚合生成核壳结构的乳液, 它们的膜可显示出良好的耐沾污性、耐水性和耐候性[ 9, 10] .热固型氟碳树脂主要由含氟单体和含环氧基的单体, 如: 缩水甘油乙烯醚及含 OH 单体组成. 热固性氟碳树脂一般为有机溶剂树脂液型. 水性分散型正处于开发研究阶段, 尚未规模产业化.氟碳树脂市售价格高, 因此目前只能用在一些高性能高要求的涂料品种中, 但是随着技术和市场及生产规模的扩大, 价格将会逐渐降低. 他的应用范围也将逐渐扩大[ 10] .
2. 2 水性聚氨酯涂料
聚氨酯涂料因其具有优异的耐磨性、柔韧性和机械性能已广泛用于各个领域, 双组分溶剂型聚氨酯涂料具有室温可固化成膜、高光泽、耐溶剂性等优点, 它被广泛用于建筑、机器、木器、汽车等行业. 但随着人们对环境保护的认识的增加和环保法的确立, 传统的溶剂型聚氨酯涂料已不适用于市场的要求. 水性聚氨酯涂料引起了人们的重视. 但水性聚氨酯涂料的生产是有一定的难度的.一般采用的方法为:
(1) 先制成低分子量的聚氨酯预聚物, 然后在水相中用亚胺与预聚合物混合扩链;
(2) 将聚氨酯树脂溶解于丙酮等溶剂中, 降低粘度后分散于溶剂中, 再抽出溶剂;
(3) 分子中引入亲水性基团, 使其扩散于水中, 形成稳定的溶液.
水性聚氨酯目前还存在着一定的缺陷, 但随着市场需求的扩大及水性助剂的开发其发展步伐将会加快. 目前已有少量牌号产品进入市场[ 11, 12]
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2. 3 有机硅改性丙烯酸树脂及含有机硅外墙涂料
有机硅改性丙烯酸树脂是一种新近开发研制的树脂, 它是在丙烯酸类树脂中引入一定量的硅低聚物, 使树脂的侧链或末端带有较高离解的Si O 键, 从而提高树脂对光、热的稳定性和抗紫外线能力, 以其配制的涂料在纯丙烯酸树脂的基础上各种性能都有了较大的改善. 如有人采用有机硅氧烷改性的丙烯酸共聚物的乳液配制的水性外墙涂料在耐水性耐酸碱性上都有所改进. 有机硅改性的涂料可有两种途径; 一种是物理改性, 该法改性的乳液在成膜时容易两相分离, 而且与丙烯酸类聚合物及基材间无化学键结合, 所以其耐候性和附着力都略差与化学共聚法制得的共聚物乳液. 共聚物是在聚合物主链上引入硅氧烷, 硅丙树脂在干燥成膜时, 硅氧烷水解缩聚可在聚合物分子之间及聚合物与基材之间形成牢固的主体网络 ( Si O Si) 结构, 使漆膜具有很强的耐水性和附着力. 一般是一甲基丙烯酸类单体与羟甲基硅油, 或二甲基硅油在一定条件下进行共聚, 一般可采用种子乳液法进行聚合. 也有人用羟甲基硅油对苯丙乳胶漆进行改性, 因苯丙涂料价格较低, 是目前我国市场上通用的内外墙涂料之一. 是属于物美价廉的品种, 但苯丙乳液在耐水性和耐擦洗性、耐候性等方面差一些, 利用有机硅改性后的苯丙乳液其耐水性和耐候性明显提高, 可用于高性能外墙涂料.含有机硅的外墙涂料具有优异的耐候性, 使用寿命可达10~ 15 年. 涂料的耐候性可与含氟树脂涂料相比美, 而成本只有含氟树脂涂料的1/ 3,可广泛用于石材、木材或混凝土墙面的装饰涂料.水性丙烯酸有机硅涂料被认为是未来超耐候性外墙涂料的发展品种之一[ 13~ 15] .
2. 4 其它各种功能性较强的涂料
功能性涂料包括具有防火、杀虫、防酶、耐超高温具有特殊功能的涂料. 我国目前已有一些功能性涂料, 但是如隔热保温、防结露、耐酸雨等功能涂料有待于发展, 以适应我国的建筑及某些特殊行业的发展的需要. 如以耐高温材料为基料的有机硅型耐高温涂料, 该涂料干燥成膜后, 能长期经受500 ~ 700 高温, 适用于高炉、焦炉、烧结石、等高温部位. 还有一些为了起到某种特殊的装饰效果, 用一些特殊的工艺或者材料获得特定的效果, 如采用各种石粒同某些基料在一起可配制具有石面效果的石漆, 在用于外墙装饰方面, 无论在色彩和效果及性能方面都可和真石料装饰类似, 但在成本和颜色方面又有更好的优势.另外反光发光材料的不断发现和研究, 新型的反光和发光涂料借鉴了先进的技术, 可使物体表面涂饰后, 产生一些良好的反光、隔离等功能.如适用于日光暴晒下的油气安全储运设备上的涂料, 被涂覆设备可在气温在35 时内外温度差达20 左右, 气温越高, 日光越强, 降温效果越明显. 可解决我国西部日照时间较长的长途油汽的运输设备内部油汽的降温问题. 发光涂料的开发使涂料的用途更加广泛和适用, 同时解决了许多如交通警示等问题[ 16~ 19] .还有许多的新型功能性涂料, 但是一般应用量及范围较少, 本文不再详述.
3 涂料助剂及涂料添加剂
3. 1 涂料助剂
涂料助剂由于其功能的各异而品种繁多, 据有关资料报道目前为止已达数千种, 由于不同的领域所应用的涂料的要求具有不同的性能, 所以出现了适应各不同需要的各种助剂. 涂料助剂的研究主要从两个方面开始. 一种是在原有的助剂基础上进行改性和改进; 另一种是根据涂料各种性能的要求开发一种新型的涂料助剂.在原有的助剂的性能上进行改进的这种助剂: 一是改进涂料的性能; 二是降低涂料的生产成本. 建筑涂料其主要的改进方面多在涂料的基料乳液的改进上较多, 一般研究者研究各种共聚物单体的配备和聚合工艺的改进, 例如最近国外正在研究的乳液的无皂聚合法, 用该法研制的乳液不仅生产成本降低, 而且明显改进了乳液的耐水性. 对于共聚单体的选择上为了达到涂料性能的要求, 许多研究者作了大量的工作也开发和正在开发许多不同性能的涂料基料. 另外在外墙涂料助剂的开发中在用于改善外观和施工效果的助剂所占的比例也较多, 改善了涂料的施工性能和储运性能, 如流平剂、颜料分散剂、增稠剂、防沉剂等[ 19~ 21] .各种适应不同季节和地区的建筑涂料的一些新型助剂也不断出现, 例如: 防酶剂、杀菌剂、防水剂等都有新型的助剂不断出现, 新近开发的低毒的霉菌抑制剂, 特别适用于南方有酶雨的地区. 还有一些抗紫外线及颜料分散及保护剂近年来也不断出现.在建筑涂料中添加剂的用量也较多, 新型材料的出现为其提供了良好的改进涂料性能的机会.
3. 2 新型涂料添加剂 纳米材料
纳米技术是近年来的一个重要的科技进步,是21 世纪的高科技, 以纳米颗粒为基础的纳米电子学、纳米生物学、纳米工程机械学、纳米显微学及纳米测量学等高新技术已在全世界科技界形成. 涂料的研究人员根据纳米材料的特性, 也开展了纳米材料在涂料领域的应用研究. 因为纳米粒子( 粒径小于100 nm) 的超细粒子, 有着许多奇异的物理、化学特性, 使得粒子的声光、电磁、力学等方面同宏观物质有很大的差别.将纳米TiO2、S iO2、ZnO. 等材料用于涂料中,可提高涂料的耐候性, 纳米TiO2 的耐老化是利用其对光的散射和吸收的特殊性能. 如: P. sta matakis 等人研究认为: 球状T iO2 对0. 3 um 的紫外线有更好的吸收, 而对于波长为0. 04 um 的紫外线TiO2 的最佳粒径为0. 12 um. 所以利用这一特性, 可生产出涂料用良好的紫外光吸收剂作为涂料的添加剂. 又如: 将纳米材料加入到环氧树脂涂料中, 可以提高外墙涂料的耐候性. 纳米SiO2是不定型白色粉末, 由于其分子结构中存在着大量的不饱和键和不同状态的羟基, 分子结构呈三维硅石结构, 这种结构可与树脂的某些基团发生键合作用, 从而改善了材料的热稳定性和化学稳定性, 又由于其表面配位不足, 表现出极强的活性, 可以对涂料中的颜料等色素粒子起吸附作用,紧紧包裹色素粒子的表面, 形成屏蔽作用, 可降低由于照射而造成色素的衰减和涂膜的 粉化 现象. 纳米ZnO 同样也是一种良好的紫外线衰减剂, 据报道日本已开发出树脂包覆薄片状紫外光屏蔽剂[ 22]
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碳酸钙是涂料中添加较多的添加剂, 可作为颜料填充剂, 具有细腻、均匀、白度高、光学性能好等优点. 碳酸钙的粒径对涂料的影响较大, 纳米级超细碳酸钙是20 世纪80 年代发展起来的一种新型超细固体材料. 由于纳米级粒子的超细化, 其晶体结构和表面电子结构发生了变化, 产生了普通碳酸钙所不具有的量子尺寸效应, 在涂料中显示出良好的光泽、透明、稳定、快干等特点. 日本在纳米级超细碳酸钙的生产技术、新产品开发应用方面处于国际领先地位, 现已有纺锤型、纺型、针型、链型等纳米级超细碳酸钙产品及改性产品50 余种. 国外生产厂家还有美国的特种矿物公司( SPECIATY MINERALS ) 、意大利西母公司( IMPROGTT I) 、英国伯明翰罗地亚有限公司等.我国现在也正在研究和引进该类产品的生产线,而且已有少量型号的超细碳酸钙产品进入市场[ 23, 24] .
4 建筑涂料的发展趋势
对于涂料, 人们在要求其美化环境的同时, 还考虑保护环境、保证人体健康等因素. 目前低档涂料将逐渐被中高档涂料取代. 高中档涂料的需求量则大副度上升, 这些中高档涂料因具有透气性能好、防水、吸音无污染、装饰效果好、施工方便等特点赢得了人们的喜爱. 为了保障涂料质量向国际接轨, 国家和相关部门已提出和实施有10 个标准, 包括内墙、外墙、地面及饰面防火涂料等. 而且建筑涂料独特的装饰效果已日益受到建筑师、房地产开发商及施工人员的欢迎, 特别是在我国的大中城市住宅小区已开始大面积使用建筑涂料,并出现了不少装饰效果很好的工程实例.高性能外墙涂料水性化是我国外墙涂料发展的方向. 采用先进的合成技术、诸如核/ 壳型乳液聚合技术、无皂乳液聚合技术, 交联聚合技术等合成技术, 是获取高性能外墙涂料成膜物的重要手段, 也是发展高性能涂料的重要前提. 另外纳米级超细材料等新技术新产品的出现将不断的推动新型建筑涂料的发展. 纳米材料改性涂料是一种性价比非常好的新兴涂料. 开发具有同时功能和性能优良的纳米涂料是涂料行业开辟的一个新途径[ 25] .虽然目前我国外墙涂料所占外墙装饰材料的比例很少, 但是随着现代高层建筑的快速发展, 及人们对环境及环境保护的认识的提高, 必然使得我国高性能的外墙涂料的市场需求巨增.
