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建筑涂料十年间

来源:荣格 发布时间:2017-01-17 1157
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过去十年间,建筑涂料行业发生了翻天覆地的变化。今天,涂料行业的原材料构成更为丰富、环境状况以及特性也呈现出更多变化。这些变革是由于来自合成化学家、涂料生产商、终端用户以及环境立法机构的各种因素影响造成的。本文将对过去十年中发生的一些变化,以及未来的某些趋势进行一些探讨。

过去十年间,建筑涂料行业发生了翻天覆地的变化。今天,涂料行业的原材料构成更为丰富、环境状况以及特性也呈现出更多变化。这些变革是由于来自合成化学家、涂料生产商、终端用户以及环境立法机构的各种因素影响造成的。本文将对过去十年中发生的一些变化,以及未来的某些趋势进行一些探讨。

水性与油/溶剂型

如果不先提及油性/溶剂型涂料向水性涂料的转变,就无法对建筑涂料所发生的变化进行探讨。

在ACA和Chemquest发布的第9版ACA的工业市场分析报告中,他们在对整个美国建筑涂料市场进行了分析,2014年溶剂型涂料为1.08亿加仑,占7.2亿加仑市场总量的15%(图1)。

图1 2011年和2014年溶剂型涂料产量对比

图1 2011年和2014年溶剂型涂料产量对比

与之相比,2001年溶剂型涂料为1.14亿加仑,占到4.93亿加仑市场的23%。因此,人们可以得出这样的结论,即尽管溶剂型涂料总体销售量仅略有降低,但在庞大的整体市场中的比例却进一步下降了。事实上,如下所述,在美国的某些特定市场,因环境法规的限制,已经很难继续使用某些类型的溶剂型涂料了。但是溶剂型涂料市场份额的下降已经持续了数十年,在某些地区及特殊应用中仍然更加青睐于溶剂型材料。对于普通用户而言,水性涂料具有安全、低气味,易于用肥皂和水清洁等便利。

VOC含量

首款乳胶基水性涂料诞生时,其VOC(挥发性有机化合物)比今天市场上同类产品的含量要高得多。即便是在2006年,水性建筑涂料的VOC含量平均值也要达到250g/L 的水平。许多这类涂料所用的树脂要求使用溶剂,以便使乳胶颗粒形成一层漆膜。随着法规促使VOC含量下降,一些新开发出的树脂可以较少甚至完全不需要溶剂来形成漆膜。另外,还开发出了零VOC的成膜剂。可以说,树脂和涂料开发商肩负着探寻新道路的使命,需要开发成膜温度 (MFFT)尽可能低的配方,同时又能保持干漆膜的硬度。

这项任务很具挑战性,因为低成膜温度树脂的玻璃转化温度更低,不含VOC的成膜剂就会滞留在干漆膜内。事实上,我认为这是目前水性建筑涂料面临的最大技术挑战之一,即如何生产出可以在室温下形成适当漆膜,干燥后又能获得硬质、耐久表面的零VOC涂料。这一问题在高光泽的需求下尤为困难,因为配方中含有更多的树脂、更少的颜料成分。

水性涂料体系中降低VOC带来的另一个难题是开放时间或可作业性。在缺乏慢速挥发溶剂的情况下,涂料在水蒸发后很快就会发粘。尤其在低湿度环境下,涂装时水会很快从涂料中蒸发。因此,对于材料开发商而言,第二项技术挑战是,能提供一种可延长涂料用户作业时间的原材料。尚不清楚粘接剂或助剂设计是否是实现这一目标的最便捷途径。

表1 北美地区法规对建筑涂料VOC含量要求各不相同

表1 北美地区法规对建筑涂料VOC含量要求各不相同

表一中的数据显示北美地区法规对建筑涂料VOC含量要求各不相同。有些地区依然允许涂料含有较高的VOC。但在某些市场,如加利福尼亚、臭氧运输委员会(OTC)及密歇根湖空气理事协会所属各州则推动生产商采用更低VOC的配方。OTC包括从佛吉尼亚到缅因地区的12 个州加上哥伦比亚特区。LADCO 州则包括伊利诺伊、印第安纳、密歇根、威斯康辛、俄亥俄和明尼苏达州。为各个市场生产不同配方的涂料对物流和配方的管理都堪称挑战。因此,许多涂料企业针对整个美国市场供应能够满足最严格法规要求的涂料,目前是依据加利福尼亚市南海岸空气质量管理区(SCAQMD)的标准。该地区除了是VOC 法规最为严厉的地区外,还是唯一对颜料VOC加以限制的区域。该区目前正在更新其对建筑涂料VOC的规定。特别是所谓的“小容器例外”法则——即允许生产商销售一升及以下容量的高VOC涂料——也将受到限制。数据还表明,OTC最近也采用了最新的加利福尼亚空气资源委员会(CARB)标准。

要理解监管格局并非易事。比如加利福尼亚由35个不同的空气质量管理区构成,但只有部分采用了当前(甚至早先)的CARB标准。同样,不是每个OTC或LADCO州都采用该区域标准。但是,很清楚的是,监管将会更趋严厉,而非相反。清洁空气法案要求EPA每五年对国家臭氧标准进行审核,以保障公共健康。2008年,EPA将标准降低至0.075ppm。在最近的2015年10月1日,EPA将标准降至0.07ppm。相应地,美国很多州县将被迫制定更严格的地方VOC 标准以达到新的臭氧限制标准。现在尚不明了的是,EPA是否、以及何时会开始更新全国的VOC标准,后者允许的VOC含量要高于那些执行了最近法规的地区。

烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)

由于其表面活性剂特性,多年来烷基酚聚氧乙烯醚得到了广泛应用。过去10年,由于担心其水生动物毒性和生物体内积累特性,该产品在欧洲市场被严格禁用。此外,人们还担心其生物降解通道可能导致相应烷基酚的形成,因为其生物体内累积特性比乙氧基化物更令人担心。最常用的APEO 源自壬基苯酚(图2)。

图2 壬基苯酚化学结构式

图2 壬基苯酚化学结构式

与许多化合物一样,业内对于使用这些材料的风险水平存在分歧。在北美市场,尽管没有法规出台,但是鼓励生产商消除APEO。本文作者所在公司逐渐地自愿用无APEO 树脂和表面活性剂替代了含APEO的旧一代材料,尽管客户和监管机构并未坚持要求如此。事实上,水性涂料的优势之一,是可以很容易地用肥皂和水来清洁涂装工具,因此期望在配方中不要含有对环境有害的水溶性化学品。如果涂料中的材料会对水生物存在毒性,我们更愿意采取谨慎态度,不再使用。

罐内防腐

由于建筑涂料中的VOC含量得以降低,防止成品涂料及涂料中的配料不受生物污染就成为难题。含250g/L VOC的水性涂料内含有足以防止罐内微生物生长的酒精溶剂。但今天,大多数涂料含有的VOC为50g/L 或更低,从而加大了微生物产生的可能。不幸的是,给予涂料生产商的可选方案十分有限。

含甲醛的防腐剂在很多年前就受到了审查,大多数情况下用于非水性涂料。异噻唑啉酮衍生物被作为有效替代,但对这类产品存在导致皮肤过敏的担忧。在欧洲,对异噻唑啉酮衍生物提出的新标签要求已于2016年6月生效。这些要求提出,如果涂料中的CMIT/MIT(甲基氯异噻唑啉酮/甲基异噻唑啉酮)>1.5 ppm、BIT( 苯并异噻唑啉-3- 酮)> 50ppm、MIT(甲基异噻唑啉酮)> 60ppm,标签上应出现“过敏源字样”。这些成分在大多数情况下低于这些材料作为防腐剂所需的含量,迫使大多数公司在标签上注明“含有(活性成分),可能产生过敏反应”。尚不清楚未来美国是否会有任何此类法规对异噻唑啉酮衍生物进行监管。

市场上有各种形式的锌、银或铜质防腐剂可供涂料生产商使用,尽管它们可能会产生一些问题,比如影响涂料的稳定性或造成漆膜褪色。吡啶硫酮化合物可单独使用或与其它防腐剂一起使用,并且通常被认为是安全的。总的来说,今天的建筑涂料由于VOC 含量低,更容易受到生物污染。但是,由于法规和这些材料的安全局限,防腐选择是有限的。

有些防腐剂的组合如果用量较高,会在实质上赋予涂料杀菌效果。换句话说,环境中的细菌、霉菌或病毒如果与这类涂料接触,就会被漆膜表面的防腐剂杀死。在美国,EPA对那些跟人体健康有关的声明会进行严厉的监管。尽管他们允许产品表签上存在诸如“已处理物品免检”等字样,但进一步的声明则需按EPA第13号草案进行大量的测试和认证。因此,通常能看到标签上有干漆膜能耐受微生物的声明,但很少见到能保护人员健康的声明。

节约人工

2009年以来,北美市场向面- 底漆二合一的方向发生了重大的转变。这些产品旨在将底漆的特性融合于面漆,使用户可以更短的时间完成工作。如果面漆可以与基材粘接、遮盖瑕疵、挡住小的污渍,并获得均匀的外观,用户就可以省略涂装底漆的步骤。在大多数情况下,对住宅进行重新涂装的消费者可以使用面- 底漆合一型产品。但在难度较高的涂装中,应进行以下尝试:如果基材难于附着、涂装的基材上有不同的孔隙率、或存在很严重的污渍、有裸露的老化木材,或者涂料必须遮盖由于水或烟造成的严重破坏,还是建议使用传统的底漆。对于希望在周末重新涂装一下房屋的一般屋主,面- 底漆合一型产品可以使涂装工作更快完成,并且只需购买面漆即可,而无需分别购买底漆和面漆。

图3 涂装到带裂缝的老化木板上的露台修复涂料的样本

图3 涂装到带裂缝的老化木板上的露台修复涂料的样本

北美市场另一个节约人工的趋势,是向遮盖力更好的建筑涂料转化。有几种产品有助于用更少涂料实现遮盖。首先,销售网点高精度分散调色设备的开发促进了浓度更高的着色剂的使用。其结果是,涂料中一定量的着色剂含有更多彩色颜料,从而获得更好的遮盖力。另外,有助于将二氧化钛分散在干漆膜中的涂料材料的开发,也为改善遮盖力作出了贡献。第三,推出更高遮盖力的彩色颜料如颜料红254 或颜料黄184,方便配置高对比度的色彩。因此,今天一项涂装作业很可能只需要一涂,或大多数情况下,二涂即可。

露台修复涂料

过去几年的一个新趋势是层面修复涂料的出现。这些不透明的单色材料被设计用于在露台的木质层面形成涂装漆膜,通常为8至12密耳厚。随着木质露台的老化,会产生裂缝或碎屑并影响视觉效果的外观。更换木质露台成本会很高,因此,用修复涂料将露台的使用寿命延长数年就较为理想。通过使用露台修复涂料,客户可以让老露台继续发挥作用,同时延迟更新所需的投资。图3显示的是涂装到带裂缝的老化木板上的露台修复涂料的样本。

为了提高效率,涂料应有能力弥合裂缝,缠裹碎屑、遮盖外观瑕疵。与任何涂装在平面上的涂料一样,必须在涂装前对基材进行恰当的处理。

外墙涂料的性能

要保持房子的外墙外观如新是有难度的。许多房屋遭受着极端温度、雨淋、曝晒及环境中颗粒物的影响。过去十年中的一个重点关注领域是耐污性。即在暴露于灰尘和烟雾颗粒的环境下涂料仍保持原有色泽的能力。评价耐污性的最佳方法是将两个涂装好的面板在室外环境中曝晒。但是,在自然曝晒状态下等待区分涂料的差别需要一年甚至更长的时间。实验室可采用在潮湿或干燥环境下暴露于灰尘进行加速的方法。这是一个难以量化的属性,因为任何给定的环境所存在的灰尘或污垢的类型,以及温度和降雨量的变化都很大。

图4 四种外墙色漆耐污性的差别

图4 四种外墙色漆耐污性的差别

总的来说,表面光泽度更高、更光滑、更硬的涂料的耐污性更好。孔隙越多、越粗糙的平面涂层容易在颜料颗粒形成的低洼处堆积灰尘。玻璃转化温度低的涂料在天气温暖、涂层发软时,容易让灰尘积聚在表面。即便如此,对于给定光滑度/ 硬度的涂层,人们还可以看到耐污性存在很大差别。没有什么“神奇”的配方能使涂料获得很好的耐污性。大多数配方都需要对各种材料(粘接剂、增稠剂、添加剂等)中的配料进行逐个测试。在图4,可以看到四种外墙色漆耐污性的差别。

在这个测试中,涂装面板的下半部分有干灰尘,10分钟后,面板转为垂直方向,大多数灰尘从漆膜表面脱落。可以看到,有一种涂层比其它涂层上的灰尘要少很多。

外墙弹性涂料如要实现耐污性将会非常困难。这些涂料设计的目的是要具有很高的柔韧性,以便形成的漆膜弥合基材上的裂缝。但是,这将产生较软的、玻璃转化温度低的漆膜,使得灰尘易于粘在表面,并嵌入涂层。进一步的材料开发将致力于在涂层/空气界面上形成有一定硬度的涂层,以防止粘结灰尘。目前,ASTM小组委员会D01.42在准备发布用以测量建筑涂料耐污性的新测试方法。

图5 早期耐雨淋测试

图5 早期耐雨淋测试

外墙涂料另一个重要的特性是在涂层寿命早期阶段使之具有防雨淋的整体性,或称“早期耐雨淋能力”。外墙涂装企业无法准确预测什么时候会降雨。人们希望涂装后1-2小时内,涂层不会被雨破坏或冲掉。将涂装面板置于流量受控的花洒下用水冲淋,可以很容易地测试出涂料的这种性能(图5)。

早期耐雨淋能力可通过生产出一种可快速成膜、并能加速漆膜脱水的涂料来实现。通常这种特性会以牺牲干燥时间为代价,这种能够耐受早期雨淋的涂料会很快就达到触干状态。

满足VOC法规要求的油性材料

尽管最近的趋势是朝着水性涂料发展,但还有一些应用倾向于采用油性材料。对于那些希望他们的甲板或露台看上去有油性木材色感觉的人,这些材料具有良好的木材渗透性和防水效果。一般来说,这些油漆需要每一两年重新涂装一次。

但是这些材料通常VOC含量较高,只允许在33个州以传统形式使用。如今产品开发商使用低挥发性油及油衍生物,通过较少的溶剂来获得可接受的涂装粘度。在有些情况下,可使用豁免溶剂以降低粘度,不会提高VOC含量。

图6 含550 gL VOC (左)与 275 gL VOC (右)油 性木器漆的耐污性比较。

图6 含550 gL VOC (左)与 275 gL VOC (右)油性木器漆的耐污性比较。

尽管加利福尼亚南海岸空气质量管理区要求的水平是100g/L,但VOC 含量降至275g/L 的成品即可在美国大部分地区销售。与油漆类似产品一样,降低这些产品中的VOC含量对于恢复使用时间(由于干燥时间长)构成了挑战,还会影响耐污性(图6)。

全新外观

通过使用特殊的油漆涂装技术,有望获得各种全新的、富有吸引力的外观。仿饰漆和制釉技术已经面市多年。在此其中,仿旧的外观,看上去生锈的表面或失去光泽的金属效果比较受欢迎。在有些情况下,把外墙涂装成这样的效果有可能是很有效的。另外,市场上还有很多承包商可以专业涂装出这些效果。但是,对于普通自助型涂装人士来说,要获得这些效果需要太多的技能或艺术天赋。许多业主不会愿意采用这样的项目。

图7 滚筒刷涂装多色漆的原型产品

图7 滚筒刷涂装多色漆的原型产品

因此,对于今天的涂料生产商而言,挑战在于开发出通过非常简单、方便的涂装工艺,即可获得新外观的产品。在中国,有一种类似的产品“多彩涂料”非常引人注目,已经获得一定成功。它模仿了花岗岩或大理石等天然石材的外观。这种涂层是通过生产出具有不会相互混合的多个单色域产品而实现的。当这种涂料喷涂到一种基色上时,最后的成品就具有了天然石材的外观。目前,这些外观只能通过喷涂获得,但可以用油漆滚筒刷涂装的涂料会更适合普通自助型用户,因为他们可能不太愿意使用喷涂设备。图7 为滚筒刷涂装多色漆的原型产品。

图8 含有彩色片状颗粒富有质感的表面

图8 含有彩色片状颗粒富有质感的表面

获得崭新外观的另一个途径是在涂料配方中加入某些类型的大彩色颗粒。市场上有各种原料可作这一用途。一般而言,这些原料颗粒直径要比干漆膜的厚度大,这样才会在涂装完成后能看出来。通过使用各种类型和大小的彩色颗粒,就可实现不同的效果。同时,这种涂料可以喷涂或辊涂,虽然大多数业主更倾向于采用辊涂。由较大颗粒而产生的纹理可以提供有吸引力的外观、使混凝土走道和天井表面不打滑。图8所示为此类涂料的特写图,它表明,可通过较大片状颗粒获得质感。

图9 在对游泳池露台老化的混凝土涂装这类涂料后外观得到了显著改善。

图9 在对游泳池露台老化的混凝土涂装这类涂料后外观得到了显著改善。

图9中,人们可以观察到,在对游泳池露台老化的混凝土涂装这类涂料后外观得到了显著改善。

总结

建筑涂料行业在过去十年间经历了一段时期的健康导向创新。有几个关键因素促进了油性涂料向水性涂料的转变,包括降低VOC、去除有隐忧的化学品、面- 底漆合一型产品、改善漆膜性能如耐污性、早期防水性的期望以及获得涂装便捷的新外观等。涂料配方会继续成为富有创新性的领域。随着消费者喜好的变化、监管条例的改变,以及新原料的推出,涂料生产商有望继续充分发挥他们的专业和创新能力,不断生产出新的产品。

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