嚴寒地區真石漆顏色影響因素研究*

谷亞新，張正靈，戚丁文，劉運學，范兆榮

（1 沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110168；2 遼寧省產品質量監督檢驗院，遼寧沈陽110000）

真石漆也稱合成樹脂乳液砂壁狀涂料，是近些年來興起的新型外墻裝飾涂料，由合成樹脂乳液為主要膠黏劑，以砂粒、石材微粒和石粉為骨料配制而成的，在建筑物表面上能形成具有天然石材質感的厚質圖層。常見的真石漆按粘結乳液種類可分為純丙真石漆、苯丙真石漆和硅丙真石漆等，其裝飾效果酷似大理石、花崗巖，兼具防火、防水、耐酸堿、耐污染、環保、粘接力強、抗變色能力強等特點，能有效地阻止外界惡劣環境對建筑物侵蝕，延長建筑物的壽命，已在我國得到廣泛使用[1-3]。

我國嚴寒地區氣候條件特殊：冬季較長且寒冷干燥，夏季炎熱濕潤，降水量相對集中；

春秋季短促，氣溫變化劇烈，雨雪稀少，多大風風沙天氣,夏秋多冰雹和雷暴，氣溫年較差大，日照豐富；酸雨、鹽凍、鹽腐蝕較多[4-5]。同時，我國不同地區熱濕環境差異大，建筑在室內外熱濕環境作用下，墻體內部濕組分分布不同，材料的熱濕物性參數也將隨熱濕環境動態變化，濕遷移對圍護結構傳熱的影響程度不同。嚴寒地區濕熱條件雖不明顯，但極端天氣中夏季平均濕度達80%，建筑材料表面平均溫度可達70℃[6]。在復雜的氣候條件下，真石漆的耐久性面臨巨大的挑戰。因此，分析嚴寒地區氣候條件對真石漆長期服役行為的影響規律十分必要。本研究以市售苯丙真石漆為對象，研究酸雨侵蝕、鹽侵蝕、濕熱老化及人工氣候老化對真石漆顏色的影響，同時通過表征幾種因素對真石漆乳液性能的影響，進一步研究真石漆劣化機理。

1 試驗部分

1.1 材料及設備

實驗所用材料為苯丙真石漆（工業品）、苯丙乳液（工業品）、人工酸雨溶液（自制）、5% CaCl2鹽溶液（自制）、5% NaCl 鹽溶液（自制）。

實驗所用設備為微機控制電子萬能試驗機（AI-7000H 型）、濕熱老化箱（401B 型）、人工氣候老化試驗箱（Xe-3HS 型）、接觸角測試儀（XG-CAMCI 型）、傅里葉紅外光譜儀（Spectrum Two FT-IR 型）。

1.2 試驗方法

嚴寒地區環境因素耦合設計：應綜合考慮溫度、人工氣候老化、濕度、pH 值等因素對真石漆耐久性影響，重點考慮凍融循環、鹽侵蝕、酸雨侵蝕及老化的影響。嚴寒地區墻體和地面溫度在夏季酷熱時溫度可達70℃，冬季酷寒時可低至-40℃，因此材料老化溫度選定70℃～-40℃之間；根據嚴寒地區月平均相對濕度數據，試驗相對濕度可選定在80%～30% 之間；pH 值考慮嚴寒地區普遍為中度或輕度酸雨區濃度，設定pH=5.0；嚴寒地區大多使用融雪劑進行除雪，同時部分嚴寒地區位于沿海地區，建筑材料主要面臨氯鹽侵蝕危害；試驗時間和次數根據實際進行調控。

1.2.1 試件準備

真石漆試件：按照JG/T 24-2000 《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》方法成型150mm×70mm 的樣板并養護。

苯丙乳液成膜試件：將苯丙乳液均勻涂覆在陶瓷板上養護成型，制備乳液薄膜試件。

1.2.2 酸雨侵蝕

試驗采用人工酸雨配方參考HG/T 4343《水性多彩建筑涂料》中人工酸雨的方法配制。將試件放入酸雨溶液中分別浸泡7d、14d、21d、28d、35d，取出后用清水清洗、晾干后，再進行性能測試。

2.2.3 鹽侵蝕

將試件分別在氯化鈉、氯化鈣的鹽溶液浸泡7d、14d、21d、28d、35d，取出后用清水清洗、晾干后，再進行性能測試。

1.2.4 濕熱老化

在70℃，80% 濕度下，將試件置于濕熱老化箱內濕熱老化20d、40d、60d、80d、100d，取出后進行性能測試。

1.2.5 人工氣候老化

人工氣候老化試驗主要依據GB/T 1865-2009 《色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射暴露濾過的氙弧輻射》開展，試驗條件為340nm 波長的平均輻照度為0.51W/m2，黑板溫度為65℃，潤濕時間為18min，光照干燥時間為102min，干燥期間相對濕度為40% ～60%，120min 為1 次循環。復合試件人工氣候老化性能研究以500h 為1 個試驗周期，開展5 個周期共2500h。取出后進行性能測試。

1.3 性能測試

1.3.1 色差測試

顏色變化情況依據GB/T 1766-2008 采用目視比色法進行測定并判定。

1.3.2 接觸角測試

采用外形圖像分析法，將液滴滴于真石漆乳液薄膜表面,通過顯微鏡頭與相機獲得液滴的外形圖像, 再運用數字圖像處理和一些算法將圖像中的液滴的接觸角計算出來。

1.3.3 紅外光譜測試

使用傅里葉紅外光譜儀對真石漆乳液薄膜進行測試，進而判斷各種因素處理后乳液的成分是否產生變化。

2 結果與討論

2.1 酸雨侵蝕對真石漆顏色的影響

真石漆在酸雨溶液中分別浸泡7d、14d、21d、28d、35d 后，其顏色變化如圖1 所示。依據GB/T 1766-2008 評定的變色等級見表1。

圖1 酸雨侵蝕后真石漆照片Fig. 1 Photos of true stone lacquer eroded by acid rain

表1 酸雨侵蝕后真石漆色差判定Table 1 Determination of true stone lacquer color difference after acid rain erosion

色差等級根據灰卡等級判定，在標準中有明確的劃分，灰卡等級越大，色差的等級越小，表示變色越小。

由表1 可以看出，真石漆在酸雨中浸泡后顏色發生明顯變化。真石漆樣板的色差判定等級在浸泡7d 時為3級，屬于明顯變色；在浸泡35d 后為5 級，屬嚴重變色。

為進一步研究真石漆顏色變化原因，對酸雨浸泡后的乳液薄膜進行接觸角及紅外光譜測試，測試結果分別如圖2、圖3 所示。

圖2 真石漆乳液薄膜接觸角隨酸雨侵蝕時間變化規律Fig. 2 Variation of contact angle of emulsion film of true stone lacquer with acid rain erosion time

圖3 真石漆乳液薄膜紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of emulsion film of true stonelacquer

圖2 中可以看出，真石漆乳液薄膜的接觸角隨著酸雨浸泡時間的增加而明顯減小，且35d 時由未處理時的75.994°減少到61.132°，影響較大；同時對比圖3 中酸雨處理前后乳液薄膜紅外光譜可以看出，在酸雨中浸泡35d 后，乳液的特征峰結構相似，但峰值明顯削弱。說明酸雨與真石漆乳液反應消耗了乳液的基團，破壞了真石漆乳液薄膜結構，導致其顏色發生變化。

2.2 鹽侵蝕對真石漆顏色的影響

采用氯化鈣和氯化鈉兩種氯化鹽對真石漆進行鹽侵蝕。真石漆分別在5% CaCl2和5% NaCl 水溶液中浸泡7d、14d、21d、28d、35d 后，其顏色隨鹽侵蝕時間變化規律如圖4 所示。依據GB/T 1766-2008 評定不同鹽侵蝕后真石漆的變色等級見表2。

圖4 鹽侵蝕后真石漆照片Fig.4 Photos of true stone lacquer after salt erosion

表2 鹽侵蝕后真石漆色差判定Table 2 True stone lacquer color difference after salt erosion

可以看出，真石漆在鹽溶液中浸泡后顏色發生明顯變化，且出現部分真石漆掉落的現象。

真石漆樣板的評定等級在5% CaCl2水溶液浸泡7d時為2 級，屬輕微變色；在浸泡14d 時為4 級，屬較大變色；在浸泡35d 時為5 級，屬嚴重變色。真石漆樣板的評定等級在5% NaCl 水溶液浸泡14d 時為2 級，屬很輕微變色；在浸泡35d 時為4 級，屬較大變色。

為進一步研究真石漆顏色變化原因，對浸泡后的乳液薄膜進行接觸角及紅外光譜測試，結果如圖5、圖6所示。

圖5 真石漆乳液接觸角隨鹽溶液侵蝕時間變化規律 Fig.5 Variation of contact angle of emulsion film of true stone lacquer varying with erosion time of saline solution

圖6 真石漆乳液薄膜紅外光譜圖Fig. 6 Infrared spectrum of emulsion film of true stone lacquer

液體在固體材料表面上的接觸角, 是衡量該液體對材料表面潤濕性能的重要參數。圖5 中可以看出，真石漆乳液薄膜的接觸角隨著鹽溶液侵蝕時間的增加整體呈減小趨勢，且CaCl2水溶液對乳液薄膜接觸角的影響大于NaCl 水溶液。

同時圖6(a) 中5% CaCl2水溶液處理后乳液薄膜紅外光譜與未處理的乳液薄膜相比后可以看出，在5%CaCl2水溶液中浸泡35d 后，在3441.87cm-1處產生了新的特征峰，且其他特征峰值有所加強。說明5% CaCl2水溶液與真石漆乳液發生反應，改變了原有的結構，使真石漆顏色明顯變化，且影響程度高于酸雨侵蝕；圖6(b)中5% NaCl 水溶液處理后乳液薄膜紅外光譜與圖中未處理的乳液薄膜相比后可以看出，在5% NaCl 水溶液中浸泡35d 后，乳液的特征峰框架結構相似，峰值削弱較少，無明顯變化。說明5% NaCl 水溶液對真石漆乳液產生的影響低于5% CaCl2水溶液。

2.3 濕熱老化對真石漆顏色的影響

對真石漆進行濕熱老化不同天數后依據GB/T 1766-2008 評定的變色等級見表3。

表3 濕熱老化后真石漆色差判定Table 3 After hot and humid aging true stone lacquer color difference judgment

可見，真石漆樣板的評定等級在老化20d 時為1 級，屬很輕微變色；在老化40d 時為2 級，屬輕微變色；在老化80d 時為0 級，屬無變色。這是由于在濕熱條件下，熱作用使飾面材料中采用的成膜物質發生進一步交聯，形成的漆膜硬度提高，進而使真石漆抗侵蝕能力增強，顏色變化較小。

2.4 人工氣候老化對真石漆耐久性的影響

對真石漆進行人工氣候老化不同小時后依據GB/T 1766-2008 評定的變色等級見表4。

表4 人工氣候老化后真石漆色差判定Table 4 True stone lacquer color difference judgment after artificial climate aging

可見，真石漆樣板的評定等級在老化500h 時為2 級，屬輕微變色；在老化1000h 時為1 級，屬很輕微變色；在老化1500h 時為3 級，屬于明顯變色。

在人工氣候條件下，熱- 氧作用及紫外光作用使飾面材料中采用的成膜物質發生進一步交聯，形成的漆膜硬度提高，進而使飾面材料的抗侵蝕能力增強，顏色變化較小。然而隨著老化時間的增加，成膜物質過度交聯后，在熱- 氧作用及紫外光作用繼續作用下使成膜物質化學鍵斷裂，發生化學降解，飾面材料的抗侵蝕能力降低，顏色變化較大。

3 結論

研究表明，嚴寒地區氣候因素對真石漆顏色影響規律如下：

（1）酸雨侵蝕、鹽侵蝕、濕熱老化及人工氣候老化幾種影響因素中，CaCl2侵蝕對真石漆顏色影響最大，其次是酸雨侵蝕。

（2）酸雨及鹽侵蝕會與苯丙乳液發生不同程度的化學反應，使真石漆顏色發生顯著變化。

（3）濕熱老化提高真石漆抗侵蝕能力，使顏色變化不大；人工氣候老化因紫外光的輻照使真石漆抗侵蝕能力先升高后降低，顏色也隨之變化。