姜廣明，馬海旭，梁 楊，肖凱巍，胡 水

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.北京化工大學(xué)，北京 100029）

0 引 言

氟碳涂料的分子結(jié)構(gòu)中的 C-F 鍵鍵能高且比表面能低，因而氟碳涂料具有優(yōu)良的耐久性和自清潔性［1］，被廣泛地應(yīng)用于建筑外墻［2］、幕墻工程和鋁型材［3］、鋼結(jié)構(gòu)［4］、建筑裝飾板（纖維水泥板、鋁單板、彩涂板）［5，6］、木器涂料［7］、卷材［8］等領(lǐng)域。氟碳涂料按照反應(yīng)的形式，可分為交聯(lián)型氟碳涂料，熱熔型氟碳涂料和水性氟碳涂料三類(lèi)［9］。按照成分可分為聚偏二氟乙烯（PVDF）［10］，氟烯烴/乙烯基醚（酯）共聚樹(shù)脂（FEVE），含氟丙烯酸/丙烯酸酯類(lèi)單體共聚樹(shù)脂等。

由于氟碳涂料的價(jià)格較高，市場(chǎng)上常有假冒的氟碳涂料或者氟含量不高的氟碳涂料，使用這些產(chǎn)品將嚴(yán)重影響建筑涂層的耐久性和自清潔性。因此針對(duì)氟碳涂料，特別是既有建筑上的氟碳涂層進(jìn)行分析鑒別、氟含量測(cè)試，以及耐久性分析等具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)原料、設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

從既有建筑上切割下建筑裝飾板，為鋁單板，表面的涂層成金屬光澤、銀灰色。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

傅里葉變換紅外光譜儀，采用美國(guó) Thermo electron 公司生產(chǎn)的 Nicolet 8 700 型衰減全反射式紅外光譜儀，探頭為金剛石晶體。掃描范圍為 4 000-525 cm-1，掃描次數(shù) 32 次，分辨率 8cm-1。采用 ATR 方式測(cè)試涂層的紅外光譜。

DSC 分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司產(chǎn)品 TGA/DSC 1 同步熱分析儀（型號(hào) STARe system）測(cè)試；檢測(cè)依據(jù)為 GB/T 30794－2014《熱熔型氟樹(shù)脂涂層（干膜）中聚偏二rnv氟乙烯（PVDF）含量測(cè)定》。

氟含量測(cè)試采用氟離子選擇電極。檢測(cè)依據(jù)參照 HG/T 3792－2014《交聯(lián)型氟樹(shù)脂涂料》，將涂層從建筑裝飾板刮下來(lái)后再測(cè)試。

耐人工氣候老化性，采用美國(guó) ATLAS 公司生產(chǎn)的Ci 4000 型氙燈老化儀，檢測(cè)依據(jù)為 GB/T 1865－2009《色漆和清漆人工氣候老化和人工輻射暴露濾過(guò)的氙弧輻射》。

接觸角測(cè)量，采用德國(guó) Data Physics 公司生產(chǎn)的OCA 25 視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

為了鑒別涂層的化學(xué)物質(zhì)種類(lèi)，測(cè)試了涂層的紅外光譜，結(jié)果如圖1 所示。由于衰減式全反射紅外的穿透深度有限，測(cè)出的是最外層的面漆的紅外信息，不包含面漆下面的底漆的紅外信息。

圖1 既有建筑氟碳涂層的紅外光譜圖

從圖1可以看出，該涂層面漆的紅外光譜中有明顯的 C-F 鍵，整體譜圖與 PVDF 很接近［11］，因此可以推斷該涂層面漆中含有較多的 PVDF。紅外光譜中 3 344 cm-1是弱的 O-H 伸縮振動(dòng)峰，2 954、2 924 和 2 854 cm-1是 C-H 伸縮振動(dòng)峰，1 402 cm-1是 CH2變形振動(dòng)峰，1 182 cm-1是非常強(qiáng)的 C-F 伸縮振動(dòng)峰，878 cm-1和 842 cm-1是 PVDF 無(wú)定形相的特征吸收峰，755 cm-1和 621 cm-1是 PVDF 結(jié)晶項(xiàng)的特征吸收峰。

但是該涂層面漆的紅外光譜在 1 728 cm-1處的峰是PVDF 所不具備的。1 728 cm-1是強(qiáng)的 C=O 伸縮振動(dòng)峰；可以推斷該涂層面漆中除了 PVDF 成分外，還可能含有一部分丙烯酸酯的成分。丙烯酸酯的 C-O-C 伸縮振動(dòng)峰本來(lái)也很強(qiáng)，但是與 PVDF 的非常強(qiáng) C-F 鍵的振動(dòng)峰接近，兩者重合在一起，就不容易分辨。

2.2 DSC 測(cè)試

PVDF 具有結(jié)晶性，因此可以使用 DSC 測(cè)試該涂層的熔融溫度。涂層的熔融溫度受到涂層中 PVDF 含量（也就是其他涂料的添加量）的影響，會(huì)比純的 PVDF 熔融溫度低一些，大體上可以利用熔融溫度的下降值來(lái)估算 PVDF 的含量。

但是從建筑裝飾板上刮下 PVDF 面漆的時(shí)候，不可避免地會(huì)刮進(jìn)去底漆。因此用該方法估計(jì)既有建筑氟碳涂層的 PVDF 含量只是一種定性或者半定量的方法，定量的準(zhǔn)確程度不高。

圖2 既有建筑氟碳涂層的二次升溫曲線

圖2 中顯示該涂層有兩個(gè)熔融峰，將 2 個(gè)熔融溫度和焓值分別列于表1 中。

表1 既有建筑氟碳涂層的熔融溫度和焓值

從圖2 和表1 可以看出，涂層中 PVDF 的熔融溫度僅為 156 ℃，與純 PVDF 的熔融溫度（文獻(xiàn)值 172 ℃）相差較大。這種結(jié)果的出現(xiàn)，一方面是因?yàn)橥繉用嫫岬?PVDF 中混有丙烯酸酯，另一方面也可能是刮下的涂層中混入了太多的底漆成分。

對(duì)此，筆者在多年的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，依據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)，摸索出一套趣味審題“四部曲”，在實(shí)際教學(xué)中運(yùn)用取得了一定的成效，嘗試整理如下。

丙烯酸聚氨酯的熔融溫度是 184 ℃ 左右，因此該涂層中一定含有丙烯酸聚氨酯。而涂層面漆的紅外光譜中有沒(méi)有丙烯酸聚氨酯的峰，因此推測(cè)涂層面漆下面的底漆可能為丙烯酸聚氨酯底漆。

2.3 氟含量測(cè)試

氟碳涂料的基料中的氟含量可以通過(guò)氟離子選擇電極的電位測(cè)試。從涂層上刮取一部分進(jìn)行氟含量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示該涂層的氟含量為 21 %。

由于該涂層至少為 2 道復(fù)合，在刮取時(shí)也無(wú)法分開(kāi)面漆與底漆；因此該涂層面漆的基料中的氟含量的真實(shí)結(jié)果應(yīng)該高于 21 %。這個(gè)測(cè)試結(jié)果真正說(shuō)明了，該既有建筑氟碳涂層的面漆是一個(gè)非常優(yōu)秀的 PVDF 涂料。

2.4 耐久性分析

2.4.1 物理性能

該涂層在二甲基甲酰胺（DMF）中浸泡 72 h，結(jié)果無(wú)異常。這說(shuō)明該 PVDF 是交聯(lián)型氟碳涂料，而不是熱熔型氟碳涂料。

按照 GB/T 23443－2009《建筑裝飾用鋁單板》檢測(cè)該涂層的耐化學(xué)腐蝕性，也無(wú)異常（即既耐酸，又耐堿，還耐溶劑）。按照HG/T 3792－2014《交聯(lián)型氟樹(shù)脂涂料》中Ⅲ型樣品的要求，測(cè)試該涂層的耐酸性（50 g/L 的 H2SO4，168 h）和耐堿性（50g/L 的 NaOH，168 h），該涂層經(jīng)過(guò) 3 000 h 的耐人工老化后，仍能達(dá)到不起泡、不開(kāi)裂、不脫落、不粉化、不變色、不失光，說(shuō)明該氟碳涂層的耐久性非常優(yōu)異。

2.4.2 老化后的紅外光譜分析

圖3 既有建筑氟碳涂層不同老化時(shí)間的紅外光譜圖

從圖3 可以看出，經(jīng)過(guò) 3 000 h 的人工氣候老化，涂層的 C-F 鍵的強(qiáng)度幾乎沒(méi)有任何變化。這說(shuō)明該 PVDF涂料的性能非常穩(wěn)定，幾乎不會(huì)被破壞。

C-H 的伸縮振動(dòng)峰的強(qiáng)度隨老化時(shí)間逐漸降低，這說(shuō)明有一部分的涂層會(huì)隨著老化而逐漸減少。紅外光譜的這種變化應(yīng)該是丙烯酸酯隨著老化分解造成的。

單憑肉眼觀察，幾乎無(wú)法分辨不同老化時(shí)間的涂層和原涂層的差異，這說(shuō)明紅外光譜比目測(cè)更能夠分辨出氟碳涂層的老化程度。

2.4.3 老化后的自清潔性分析

由于氟碳涂料的表面能低，疏水性比較好，具有一定的自清潔性。因此還測(cè)試了涂層與水的接觸角，并研究了涂層與水的接觸角隨老化時(shí)間的變化，如圖4 所示。

圖4 既有建筑涂層老化后的接觸角圖

由圖4 可以看出，該涂層的初始接觸角比 90°略高一點(diǎn)。雖然接觸角的測(cè)試結(jié)果有一定的離散性，但是還是可以看出PVDF 涂層的接觸角隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。該涂層老化至 3 000 h 時(shí)，接觸角下降至 85°，較之原樣僅變化了 7 % 左右。這說(shuō)明 PVDF 涂層的自清潔性也有很好的耐久性。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用多種分析手段對(duì)從既有建筑上取下的鋁單板的涂層成分和組成進(jìn)行研究。紅外光譜鑒定出涂層面漆為 PVDF 與丙烯酸酯的混合，DSC 分析鑒定出 PVDF 面漆下還有一層丙烯酸聚氨酯底漆，電化學(xué)分析證明 PVDF 面漆中基料中的氟含量＞ 21 %。通過(guò)耐久性分析證實(shí)，該涂層經(jīng) 3 000 h 人工氣候老化后物理性能、化學(xué)結(jié)構(gòu)以及自清潔性都保持的比較穩(wěn)定。