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水性氟碳涂料的研究与应用

自1938年含氟聚合物问世以来，由于其分子结构中已知最强的F-C化学键，使它表现出许多优异的性能。以含氟聚合物树脂为基础的氟碳涂料也因此而具有许多特殊优异的性能。主要表现在，它具备了比目前市场上流行的聚氨酯、有机硅、丙烯酸树脂涂料等更优异的附着力、耐溶剂性、硬度、耐化学药品性等性能，其户外使用寿命更可长达20年，远远超过一般涂料。因此氟碳涂料经过近40年的发展，在国防、建筑、桥梁、石油化工等众多领域获得广泛的应用。
氟碳涂料的发展经历了溶剂热熔性、溶剂交联型、水分散型三个发展阶段。溶剂热熔性以PVDF树脂为代表，由于需高温烘烤主要应用与各种预涂金属建材；溶剂交联型以FEVE氟烯烃-乙烯基多元共聚树脂为代表，由于可常温固化，因此可广泛应用于各种材质和各种领域。
随着科技的进步，人们对于环保要求的增加，开发水性氟碳涂料成为氟碳涂料发展的趋势和方向。
一、 水性氟碳涂料研究与开发的重点
在溶剂型氟碳涂料的基础上开发水性氟碳涂料，应当开发出比它性能更为优越的产品。
1． 保持油性氟碳涂料的优点
采用水性氟碳涂料，必须保持原有油性氟碳涂料的主要优点。常规的溶剂型氟碳涂料，其区别于普通涂料的根本性的性能体现在其优异的室外耐候性能。做为溶剂型双组分氟碳涂料的下一代产品或部分替代产品，其耐候性能应当与溶剂型氟碳涂料相当或更好。
2． 克服油性氟碳涂料的缺点
目前，溶剂型常温固化氟碳涂料在应用中还具有不少缺点：1）、双组分涂料在施工存在各种限制；2）、在外墙应用时对施工条件和配套材料要求高，涂层刚性，不具备好的弹性，性能不稳定，易出现 开裂、脱皮现象；3）、易被污染，长期装饰性一般；4）、溶剂型涂料含有大量的有机挥发物（VOC），对环境污染极为严重，同时也浪费资源、浪费能源。因此，开发出的水性氟碳涂料应该能够克服以上困难。
3． 满足目前外墙外保温体系的抗裂装饰要求
目前外墙外保温体系普遍采用的几种方式中，都要求在外表面抹灰和涂装装饰性的涂料，并要求有抗裂和装饰要求。一般水性氟碳涂料本身不具备抗裂要求，但可以通过抗碱封闭底漆－弹性中涂－水性氟碳面漆的涂层系统的方式解决，以同时达到抗裂和装饰的要求。
4． 适合于大面积的推广应用
由于氟碳涂料实现了水性化，其施工难度大大降低，施工方法和施工工艺与普通乳胶漆一样，非常适合于大面积的推广应用。目前我公司已有这样的实例。
二、 水性氟碳涂料的研究
1． 水性氟树脂的选择
氟树脂是氟碳涂料性能的核心，氟树脂的性能决定了氟碳涂料的基本性能。因此，开发水性氟碳涂料的核心在于水性氟乳液的选择和比较。我们在开发中，对于不同水性氟乳液在含氟量、耐候性、耐水性、稳定性方面等进行了试验比较。其中试验的基本配方如下：
表1 四种水性涂料的基本配方
原料
比例
氟乳液
40
白浆
48
溶剂
5.5
助剂
6.5

1） 比较含氟量
表2：各氟乳液含氟量测试结果

产地
含氟量（%）
1#
国内公司（1）
10.1
2#
台湾公司
4.8
3#
加拿大某公司
15.8
4#
日本大金公司
40.4
5#
国内公司（2）
<1

注：含氟量测试委托由上海化学有机所测试
不同氟乳液含氟量测试具体结果可见表2。从表中可知，各含氟乳液含氟量差异极大，由于生产厂家出于自身技术保密角度都不愿透露聚合物分子结构及合成路线，因此无法从分子结构角度来判断乳液的各项性能，但从氟碳材料之所以具有优异性能的原理分析可知，一般乳液的含氟量越高，涂层的耐候性及其特各项性能越突出，为了证实上述树脂的特性，本文特进行了其它实验进行对比分析（由于5#氟乳液含氟量太低，仅对比研究前面四种氟乳液）。
表3：各乳液涂料及涂膜性能测试
检测内容
检测标准
1#
2#
3#
4#
耐溶剂性
二甲苯
25
16
25
>100
乙醇
<70
<50
<80
>150
分解温度
TG/TDA
177.5
160.5
210.6
251.4
耐污染性
油性口红
有
有
明显
几乎没有
记号笔
赤
有
有
明显
几乎没有
青
有
有
不可除
几乎没有
黑
有
有
不可除
没有
耐药品性
10％H2SO4 室温*5天
无变化
无变化
部分起泡
无变化
10％NaOH 室温*5天
破裂
破裂
起泡
微黄变
耐水性
耐温水50℃*5天 目测
层间剥离
层间剥离
起泡
无变化
耐水性能
起泡
破裂
起泡
无变化
湿附着力
50℃×5天 附着力
脱落
脱落
剥落
良好
耐候性（失光率）
QUV 2000h
30
30
76
>90
2） 比较耐候性
QUV2000h，氟涂料1#、氟涂料2#制备的样板涂膜已遭到较严重破坏，而氟涂料3#的样板涂膜颜色有变化及光泽损失已明显，只有采用日本SE-350氟乳液制作的FC-W350样板仍表现完美的状态。
3） 比较耐水性
从温水种取出烘干的样板目测效果可知，1#、2#涂料漆膜出现起泡，而3#、4#氟涂料漆膜则表面基本上没有变化，但对它们用划格法作附着力测试发现3#剥落，而4#漆膜则没有任何问题。
4） 比较稳定性
首先，从氟乳液的分解温度来看，4＃最为稳定，到251度才分解。
从乙醇擦洗测试试验来看，1#、2#、3#氟涂膜性能都小于100次，4#（SE-350）耐乙醇擦洗次数可达150次，涂膜表面没有任何问题。
二甲苯擦洗测试，1#、2#、3#都极差，特别是2#平均只有16次，4#（SE-350）耐二甲苯擦洗次数可达100次以上，接近溶剂型氟碳涂料水平。
从耐酸碱试验来看，1#、2#水性氟涂料漆膜耐酸碱性能明显很差（尤其是耐碱性能），3#氟涂料的漆膜出现起泡现象，而只有4#（SE-350）漆膜无任何变化，这充分说明了此种乳液制备的水性氟碳涂料具有优良的耐化学药品性。
从耐污染性能来看，4#氟涂料漆膜耐污性最好，而1#涂料漆膜和2#涂料漆膜次之，3#氟涂料漆膜印痕则最为明显。
2． 水性实体氟碳涂料的配制
1） 颜基比的选择
为了确定全部助剂、助溶剂、颜料在涂料配方中的含量，这里采用正交试验法中15因素2水平试验来筛选基本配方，选用的正交试验表为L16（215）。考察的因素为：A氟乳液，B辅助乳液，C颜料，D填料1，E填料2，F填料3，G多功能助剂（AMP-95），H消泡剂，I增稠剂1，J增稠剂2，K助溶剂1，L助溶剂2，M成膜助剂，N润湿分散剂，O流平剂，复合杀菌剂固定0.3％，余量用水补足。乳液水平值参照上一步试验，其它助剂参照助剂提供厂家的数据。
表4 FC-W系列水性实体色氟碳涂料配方筛选正交试验表L16（215）
No
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
L
1
A1
B1
C1
D1
E1
F1
G1
H1
I1
J1
K1
L1
M1
N1
L1
2
A1
B1
C1
D1
E1
F1
G1
H2
I2
J2
K2
L2
M2
N2
L2
3
A1
B1
C1
D2
E2
F2
G2
H1
I1
J1
K1
L2
M2
N2
L2
4
A1
B1
C1
D2
E2
F2
G2
H2
I2
J2
K2
L1
M1
N1
L1
5
A1
B2
C2
D1
E1
F2
G2
H1
I1
J2
K2
L1
M1
N2
L2
6
A1
B2
C2
D1
E1
F2
G2
H2
I2
J1
K1
L2
M2
N1
L1
7
A1
B2
C2
D2
E2
F1
G1
H1
I1
J2
K2
L2
M2
N1
L1
8
A1
B2
C2
D2
E2
F1
G1
H2
I2
J1
K1
L1
M1
N2
L2
9
A2
B1
C2
D1
E2
F1
G2
H1
I2
J1
K2
L1
M2
N1
L2
10
A2
B1
C2
D1
E2
F1
G2
H2
I1
J2
K1
L2
M1
N2
L1
11
A2
B1
C2
D2
E1
F2
G1
H1
I2
J1
K2
L2
M1
N2
L1
12
A2
B1
C2
D2
E1
F2
G1
H2
I1
J2
K1
L1
M2
N1
L2
13
A2
B2
C1
D1
E2
F2
G1
H1
I2
J2
K1
L1
M2
N2
L1
14
A2
B2
C1
D1
E2
F2
G1
H2
I1
J1
K2
L2
M1
N1
L2
15
A2
B2
C1
D2
E1
F1
G2
H1
I2
J2
K1
L2
M1
N1
L2
16
A2
B2
C1
D2
E1
F1
G2
H2
I1
J1
K2
L1
M2
N2
L1
通过上述试验的组合，获得了16种不同配比的涂料，进行制样，并进行涂膜外观、耐水性、耐酸性、耐碱性和耐污染性5项要素的检测，最后选定基本配方为：氟乳液35％，其它乳液5％，无机陶瓷颜料15％，填料1为7％，填料2为8％，多功能助剂0.3％，消泡剂0.1％，增稠剂1为0.1％，增稠剂2为0.3％，助溶剂1为2％，助溶剂2为2.5％，成膜助剂1.0％，润湿分散剂1.5％，流平剂0.1％，其余为水。
2） 颜料的选择
氟碳涂料为超耐候性涂料，常规的所谓耐晒性好的颜料未必能满足氟碳涂料长期户外使用的要求。实验中我们选择了几种较典型的无机颜料和有机颜料进行耐候性实验。
实验时用高压紫外灯进行。将各种颜料和上述SE-350氟乳液混合、分散，涂于试样两面，烘干，置于高压紫外灯下，分别测定经暴晒后色差的变化。
经100小时暴晒后结果如下：
颜料
钛白
钼铬红
钼铬黄
铁红
铁黄
钴蓝
铬绿
有机耐晒红
有机永固紫
有机酞青绿
色差△E
0.5
0.7
1.4
0.3
1.7
0.2
0.2
4.8
5.5
2.3
肉眼观察
几无变化
几无变化
有可视变化
几无变化
较明显变化
几无变化
几无变化
严重变化
严重变化
较明显变化
从上述结果可知，无机颜料色差△E变化都不大，无机颜料的耐紫外光性都远远大于有机颜料。结合颜料的耐温性和耐酸碱性。我们筛选出可应用与FC-W系列水性氟碳涂料的陶瓷无机颜料、金属颜料和珠光颜料
3． 水性氟碳金属漆的配制
1） 金属颜料的选择
由于水性涂料对于金属颜料的包裹性能没有溶剂型树脂那么好，因此一般在金属颜料选择时，推荐使用耐化学腐蚀的包裹型铝粉，这样将不会影响整个涂层体系的性能，尤其金属颜料的耐候性能和耐化学性，尤其是耐碱性。如果选用普通铝粉，涂层容易变暗（空气对铝粉的氧化）和由于耐碱性不好而造成起泡。
2） 配方的设计
在实体色水性涂料的基本配方确定以后，比较在配置金属漆和珠光漆时，由于几乎不采用填料，调整配方时氟乳液含量为50％，辅助乳液含量为5％，以保证相当的固含量和遮盖力。金属颜料和珠光颜料的量通过配漆时的遮盖力实验具体确定，其中金属颜料为6－7％, 珠光颜料为14％－20％，其它非填料助剂量不变。
3） 性能的检测
金属漆除了在本公司进行检测，还在第三方进行了检测，均达到以下指标。
表7 FC-W系列水性氟碳配套涂装后技术性能指标
项目
采用标准
指标
面漆
清漆
FC-W350
FC-W358
FC-W355
涂膜外观
目视法
平整，颜色均匀一致，无色差
平整，颜色均匀一致，无色差
对比率（白色和浅色）
GB/T 9270-2988
≥ 0.93
-
施工性
GB/T 9755-2002
刷涂两道无障碍
低温稳定性
GB/T 9755-2002
不变质
干燥时间（表干）
GB/T 2728-2989
≤2 h
≤2 h
耐污染性
油性口红试验
不留痕迹
不留痕迹
耐洗刷性
GB/T 9266-2988
≥20000
≥20000
耐沾污性
GB/T 9755-2002
≤10
≤8
耐温变性
JG/T 25-2999
5次循环无异常
5次循环无异常
耐溶剂性
二甲苯
＞50次不露底
＞50次不露底
耐酸性
20%H2SO4
48h无异常
48h无异常
耐碱性
GB/T 9265-2988
48h无异常
48h无异常
耐水性
GB/T 2733-2996
96h无异常
96h无异常
耐人工气候老化性
GB/T 2865-2997
3000小时无起泡、粉化等涂膜病态，变色≤1级，失光≤1级，

经过本公司送样到上海涂料研究所测试，结果均达到上述要求，甚至更好（见相关检测报告）。其中有一些突出的特点：（1）耐沾污性极佳，实测值为仅为4；（2）耐人工气候老化性3000h，无起泡、粉化等涂膜病态，变色1级。达到了研制的要求。
4． 水性氟碳涂料应用的工艺配套研究
水性氟碳涂料在实际运用中主要作为长寿命装饰涂层和混凝土的防腐涂层使用。为了达到长期的装饰性和防腐目的，一般很少将它直接作为单一涂层使用。为了达到高装饰性，一般要使用配套性的腻子和封闭漆，为了解决抗裂性，还要配套专用抗裂腻子和弹性中涂。经过大量的研究和工程实践，我们提供了如下的三种工艺来解决不同表面的涂装问题。

工艺名称
应用材料
材料特点
工艺组成
应用特点
应用领域
FUVIT-BW高装饰金属质感水性氟碳涂装系统
水性抗碱封闭底漆
防止混凝土的碳化和中性化，防止混凝土内的强碱渗出，提高涂层的附着力。

质感丰富，有现代感；寿命长，抗开裂，易清洁，维护成本低；容易施工、施工期短。
高档商务楼、办公楼、酒店、高层建筑、超级市场、户外大型市政建筑、桥梁、别墅等。
抗裂找平腻子
提高墙面的平整度和初期的抗裂效果
造型骨料或弹性腻子
多样造型，能缓解或防止抗裂应力的影响。
中涂漆
提高涂层防护、装饰性，提供有质感的表面，能弥盖细微裂缝
水性金属氟碳涂料
保护基层，具有高装饰性和高耐侯性，
水性氟碳罩光漆
保护下层金属漆中铝粉颜料，提高防护性
FUVIT-BK低污染抗开裂水性氟碳涂料涂装系统
水性抗碱封闭底漆
防止混凝土的碳化和中性化，防止混凝土内的强碱渗出，提高涂层的附着力。

朴实，耐看；寿命长；低污染，抗开裂；极低的维护成本；性价比高
大型建筑内外墙高架桥、别墅、办公楼、厂房等。
弹性中涂漆
提高涂层防护、装饰性，提供有质感的表面，能弥盖细微裂缝
水性氟碳涂料
保护基层，具有高装饰性和高耐侯性，
FUVIT-BS水性素混凝土涂装系统
水性抗碱封闭底漆
防止混凝土的碳化和中性化，防止混凝土内的强碱渗出，提高涂层的附着力。

成本低，能体现基材原始风貌，防水性好，施工工艺简单、涂装方便、易施工。

应用于粗犷、古朴、独特美感的领域；能与金属、玻璃幕墙达到很好的配合。
水性氟碳罩光漆
低污染性，能有效保护墙体，延长墙体的使用寿命

三、 水性氟碳涂料的工程应用案例
1、 四方台大桥
四方台大桥是我国高纬度地区修建的首座公路斜拉桥、松花江上第一座大跨径公路斜拉公路桥，桥塔为现浇钢筋混凝土结构。主桥为双塔双索面钢－－混凝土结合梁斜拉桥，塔墩固结一体，塔与主梁纵向活动支承，属塔墩回结、塔梁支承式半悬浮体系。2003年7－8月间，我公司水性氟碳涂料成功应用于哈尔滨四方台大桥，该大桥采用FUVIT-BW高装饰金属质感水性氟碳涂装系统，颜色为金属珠光白色，涂装总面积为1.8万平方，施工工期为1个月，日涂装面积超过2000m2（20-30℃）。该桥涂装至今已2年有余，目前外观亮丽如初。对比照片如下图所示：

哈尔滨四方台大桥（2003年） 哈尔滨四方台大桥（2006年）
2、 淮南煤仓（13600m2）
在煤矿的环境下，各种污染气体和粉尘众多，正好可以发挥FC－W350水性氟碳涂料耐化学品性好、耐沾污性优异的特点。2004年5月，衡峰公司的FC-W350成功应用于安徽淮南煤矿的一个储煤仓，该工程采用FUVIT-BK低污染抗开裂水性氟碳涂料涂装系统，颜色包括蓝深色、F2558实体浅蓝、F0035实体骨白三种颜色，总的涂装面积13600m2。该工程目前外观毫无变化。对比照片如下图所示：

淮南煤仓（2004年5月） 淮南煤仓（2006年8月）
3、 同济大学城规学院
同济大学以设计创新闻名于海内外，同济城规学院作为同济大学的重点工程之一，采用了FUVIT-BS水性素混凝土涂装系统，涂装面积为2500 m2。该工程古朴、粗犷，很有艺术表现力。

同济大学城规学院（2004年8月） 同济大学城规学院（2006年8月）
4、 杭州某工程的水性仿铝板涂装，与油性仿铝板的对比分析差异
在该工程项目中采用了Fuvit-BW工艺，即采用FC-W350水性金属质感氟碳涂料为面涂层的仿铝板工艺，面积大约6000平方米。而高装饰仿铝板FUVIT-B1外墙氟碳涂装系统，即溶剂型双组分常温固化氟碳涂料仿铝板工艺，即采用FC-S200系列可常温固化氟碳涂料为面涂层的仿铝板工艺。两种涂装系统都具有很好的铝板幕墙效果。不过，在具体的操作过程中，溶剂型氟碳涂料需要抗裂网格布，而水性氟碳涂料一般不需要，可以采用弹性中涂的方式解决。同时，水性仿铝板要较油性仿铝板环保、施工更加方便，耐沾污性更强。它们涂装后的效果比较如下图所示：

油性仿铝板工程整体效果 水性仿铝板工程整体效果

油性仿铝板工程近景效果 油性仿铝板工程近景效果

油性氟碳涂料仿铝板局部效果 水性氟碳涂料仿铝板局部效果
四、 结论：水性氟碳涂料的发展前景展望
1、 水性氟碳涂料性能优异，应大力推广。
从我们的理论试验研究和实际应用来看，采用日本大金氟乳液SE－350为成膜物的FC-W350水性氟碳涂料，具有与溶剂型氟碳涂料相当的性能，如耐候性、稳定性等，而在施工性能上，水性氟碳涂具有比溶剂型氟碳涂料更为方便、简单和环保。
2、 水性氟碳涂料的原材料及配方选择异常重要。
从国内水性氟碳涂料主要原材料－氟乳液来看，质量参差不齐，氟乳液中含氟量高低相差悬殊，甚至含氟丙烯酸酯树脂也称为氟树脂。我们必须选择质量稳定、有耐候性能保证的氟乳液为原料。同时，目前许多所谓氟涂料生产厂商，在生产水性氟碳涂料时，不采用耐候性色浆系统，采用了普通乳胶漆水性色浆，这将大大影响水性氟碳涂料的耐候性能。目前，我公司采用自己公司生产的耐候性氟乳液专用色浆系统。
3、 制定以天然曝晒为主导的水性氟碳涂料行业标准。
目前溶剂型氟碳涂料已经制定了行业标准，《交联型氟树脂涂料》和《热熔型氟树脂(PVDF)涂料》两项行业标准今年开始施行。而水性氟碳涂料目前还没有统一的行业标准，我们衡峰公司自己制定了相应的企业标准《水性氟碳涂料》。目前水性氟碳涂料市场比较混乱。目前，我国氟涂料行业存在的主要问题是占主导地位的氟乳液氟涂料市场尚未形成，而企业却进入了无序竞争状态。树脂生产企业提供给市场的氟树脂产品缺乏严格的技术标准，涂料生产企业供应市场的涂料质量参差不齐，惟一相同的是“氟涂料的概念”。有的企业在所谓的氟树脂就是含羟基丙烯酸树脂，有的企业将其用含氟丙烯酸酯树脂生产的涂料也称为氟涂料，更有甚者将萤石粉加入涂料中也谎称是氟涂料，这不仅不能提升产品质量和性能，而且使氟涂料蒙受不白之冤，失去了应有的市场。因此，统一行业技术标准的行业标准必须制定，而且必须采用天然曝晒为主导的耐候性检测方法和标准。