对于世界上的大部分建筑物来说，外墙外观是一个极其重要的参数。外立面漂亮常常是结实、建造精良、耐久性好的建设物的代名词。高性能外墙涂料的优点之一是具有高耐久性的漂亮外观。为了保持良好的外观，外墙涂料必须拥有良好的耐候性，以及抵御来自天然或人为污垢侵袭的耐沾污性。尽管配方中的每一种成分对涂料的最终性能都有一定的影响，但是决定干膜的性能和使用寿命的还是取决于聚合物的性能。在这篇文章中，我们研究了配方设计师如何通过正确选择聚合物来得到卓越的环保性外墙涂料。

纯丙烯酸技术的卓越耐久性

目前，薄层外墙砖石漆采用不同的聚合物技术。其选择既有经济方面的考虑，也考虑了性能，以及历史上的习惯等等。

在欧洲，苯乙烯-丙烯酸树脂体系在砖石漆领域有着最广泛的应用，尽管它们容易出现因芳香族苯乙烯单体的紫外光降解而导致粉化（见图1）。在某些国家还有叔碳酸乙烯酯共聚物体系；硅酸盐涂料常常被用来修复历史性建筑。纯丙烯酸聚合物通常是高性能涂料的首选，其优异的耐久性得到了广泛的证明——不仅仅是用于砖石底材，对于保护木质结构来说，它们也是一种领先的技术。

丙烯酸技术拥有改进的抗紫外线性能，并能减少粉化的发生，尽管使用丙烯酸涂料可获得良好的性能，主要取决于聚合物的构成和涂料配方。

涂层的主要性能取决于聚合物的组成，然而树脂聚合物的其它特性如交联、氧化、紫外光固化、特定的形态等可以提高总体性能、改善涂层的耐沾污性。

颜料包覆技术（PET）

包覆无机颜料的丙烯酸类聚合物是由陶氏涂料材料业务部开发的技术。无机颜料粒子能够在有机相中均匀分布是多年来涂料配方设计师一直努力追求的目标，从而改进涂料性能。

遮盖效率

决定散射率的参数主要由两个：折射率的差异（越高越好）和粒径。米氏理论认为，颗粒的最佳粒径是可见光波长（400～800nm）的一半，即300nm。

为获得最佳的散射率，二氧化钛（具有非常高的折射率）的粒径应为300nm，且TiO2粒子必须彼此充分分离。二氧化钛粒子之间的最小距离称为散射范围。

不幸的是，在水性涂料中，当二氧化钛浓度增高时，二氧化钛（TiO2）粒子容易聚集，这样的话它的遮盖效率会低于理论预期（见图2）。

实际上在大多数情况下，漆膜中TiO2的分布是随机的，因为没有动力能够使颜料粒子有序排列或者彼此相互分离。这样就产生了高浓度和低浓度的TiO2粒子区域，这一点可用实际涂膜的电子显微镜图片（见图3a）来说明。当TiO2粒子聚集在一起时，它们的光散射区域会发生重叠，降低了遮盖效率（见图3a）。

颜料包覆聚合物化学

享有陶氏专利权的颜料包覆技术的新聚合物，既可作为基料，也可作为遮盖力补充剂。这种技术改善了二氧化钛粒子的分布、减少了聚集，可用图3b中实际涂膜的粒子分布情况来说明。这种粒子分布情况的改善导致了光散射率的提高，并且人们如果选择降低TiO2用量来获得相同的遮盖力的话，可使高品质的白色和彩色装饰涂料中的TiO2的用量减少10%～20%。

颜料包覆技术采用专门设计的，而且能与二氧化钛粒子的表面相互作用的成膜聚合物。在涂料生产时，通过一系列吸附作用，使该聚合物包围在单个TiO2粒子的表面并与其发生反应。随着越来越多的聚合物粒子的吸附，TiO2表面的聚合物逐渐变得饱和。其结果是得到颜料-聚合物复合体系，可用图4中所示得通过计算机模拟和电子显微镜的图片来说明。已经通过计算得出最佳的二氧化钛-聚合物复合体系在配方中所需要的最少的吸附聚合物的量，并且我们已经确定吸附的聚合物与TiO2用量的比值为1.35。添加比最低用量多的聚合物也不会产生问题，甚至会提高漆膜的性能，这些我们将在后面进行说明。

当涂膜干燥时，颜料-聚合物复合体系聚集在一起形成薄膜，单个TiO2粒子将不再彼此紧密接触，因为它们被围绕在周围的吸附聚合物分开了。这种结构会促进TiO2粒子的更均匀地分布，减少了光散射重叠的区域，用图5加以说明。

表1：采用颜料包覆技术和不采用包覆技术的砖石漆特性对比

如图6所示，当测量光散射率与涂膜中钛白粉的颜料体积浓度的函数时（红线），基于颜料包覆技术的聚合物可以减少TiO2光散射区域的重叠，从而改善TiO2的遮盖力曲线。

提高耐久性
使用颜料包覆技术的最大优点是提高遮盖力或降低钛白粉的用量，同时均匀漆膜的另一个优点是提高涂层的耐久性。

制备了一系列的外墙砖石漆来研究颜料包覆技术对涂层耐久性的影响。参照涂料是一种自成膜的纯丙烯酸聚合物（Tg约为6℃），总的PVC浓度为52%，二氧化钛的颜料体积浓度约为14%。

用与参照聚合物具有类似Tg的包覆技术纯丙烯酸聚合物重新做了三种配方。这三种配方的TiO2用量分别减少10%、15%和20%，并用相同比例的各种填料来替代（见表1）。为了了解颜料包覆技术（PET）对不透明度和耐久性结果的影响，所有配方中不透明聚合物的用量保持恒定。因此，那三种新配制的涂料含有两种自成膜的丙烯酸聚合物：基料中的一种是颜料包覆技术（PET）聚合物，而另一种是传统的不吸附颜料聚合物。PET聚合物的用量足够包覆二氧化钛，添加非吸附性聚合物的用量正好能够使总的颜料体积浓度保持在52%。

最后一种涂料采用吸附性聚合物作为唯一的一种聚合物（基于颜料包覆技术的聚合物过量）、二氧化钛的用量没有减少；该涂料显示了优异的遮盖力，预计该涂料将拥有最佳的户外耐久性。

将五种涂料涂装在铝板上，并在伊斯坦布尔试验场所暴晒。该场所位于海港的钢铁厂附近，因此能快速测试涂层的耐沾污性（主要是工业污染物）。我们测量向南45°暴露4～9个月后涂层的白度变化；图7中报告了L*的变化（Delta L），从图中可以清楚地看出颜料包覆技术对涂层耐沾污性有积极的影响（△L越低，则吸附的污染物越少，也就是说，涂料保持洁白）。

图8显示了涂装在纤维增强水泥板上的这些白色涂层在伊斯坦布尔向南45°暴露8个月后的状态。最左边不含颜料包覆技术（PET）聚合物的涂层外观显示更灰暗，这显然是由于吸附了更多的灰尘。

与只添加具有类似Tg的吸附性聚合物（PET）、相同用量的TiO2和填料配制的涂料（9个月后△L=12.3）相比，自成膜丙烯酸聚合物的参照涂料具有更高的污垢吸附性（9个月后△L=15.8）。这种性能的改进是由于PET聚合物涂层的表面更均匀，缩小了能积累污垢从而导致更快的吸附污染物的粗糙表面（见图3b）。

包覆的二氧化钛全面提高分散的均匀性，改进了外墙漆膜的耐久性，涂料具有的卓越的耐沾污性和保色性，接下来我们会进行说明。

对另一种砖石漆系列进行了研究，通过将PVC为45%的自成膜纯丙烯酸聚合物的参照涂料与具有类似Tg的纯丙烯酸颜料包覆技术（PET）聚合物且钛白粉用量降低15%的配方进行比较。两种涂料都采用了有机酞菁蓝颜料着色，并在铝板上进行涂装。

为了测试加速耐久性，将样板放置在Q-UV箱内2000小时，经受如下循环试验：60℃下4小时的UV-A (340 nm)照射，然后是50℃下4小时的凝露，此为一个循环。通过测量不同曝晒时间的L*、a*，b*值来监控颜色变化并计算ΔE值；图9中将最初颜色与经过一定时间暴露后得到的颜色之间的差异作为参照涂料和PET配方涂料的ΔE。

传统丙烯酸聚合物的参照涂料显示出明显的颜色变化，特别是在暴露1000小时至2000小时之间，由ΔE=1.7增加至ΔE=6。用能包覆颜料的丙烯酸聚合物配制的涂料具有更好的颜色稳定性，在暴露1000小时至2000小时之间，ΔE由=1.5增加至ΔE=1.8。

传统自成膜丙烯酸聚合物的涂膜观察到的褪色可以用漆膜表面的降解而导致的粉化进行解释。另一方面，使用含有PET丙烯酸聚合物的涂膜可以得到更佳耐久性的涂层，这是由于漆膜更加均匀和完整所致。

包覆技术也能改进涂层的耐风化性。由于有机相中矿物粒子的最优分布导致漆膜内聚力的提高，同时这种新型吸附技术也促进了漆膜与砖石基材之间的附着力的提高，为最终涂层提供了出色的抗风化性能。在纤维增强水泥板上涂装早期颜料包覆技术涂料在实际户外暴晒时观察到了这种优点，如图10所示。

生命周期评价 - 环境影响代价

为了了解颜料包覆技术可能产生的环境影响，对水性涂料进行了生命周期评估（LCA）比较。进行评估（LCA）的目的是为了客观评价采用上述颜料包覆技术和许多现有的传统聚合物技术（例如丙烯酸、苯乙烯/丙烯酸、醋酸乙烯酯/丙烯酸、醋酸乙烯酯/乙烯）生产的水性装饰涂料的环境性能，同时对结果进行了比较，以有助于我们了解一些事实。

按照国际标准（ISO 14040和ISO 14044）的要求进行LCA评估。由普华永道全球可持续发展服务（PWC）进行第三方审查，由选定的LCA和行业专家进行同行评价，这么做是为了得到该研究的第三方独立意见。在LCA中对能反映七种典型的PVC水性涂料配方进行了评估。对所有材料考虑的生命周期各阶段分别为：生产、施工、维护和报废。我们选择了以下生命周期清单指标和累计的环境影响种类来评估水性涂料的环保性能：初始能量消耗、总的水消耗、产生的总的固体废弃物、废水的化学需氧量（COD）、大气（非甲烷）挥发性有机碳（NMVOC）排放、非生物资源的消耗、气体（GHG）的增加、酸化的潜在可能、人体毒性和水体富营养化的潜在可能。

本研究中使用的单元是覆盖1平方米墙面20年需要的涂料量（基于涂料的标准质量准则）。该LCA的所有结果和结论参考该单元。

在该评估中使用的数据来自各种资源，包括直接从陶氏化学工厂、LCA学术刊物、地区、国家或行业标准收集的初始乳液/分散体聚合物的生产数据，以及通过与研究机构和涂料生产商会谈收集的数据。当没有直接的数据可用时，可根据与行业专家讨论进行假设，然后由涂料生产商进行证实。在定义的生命周期中，水性涂料（原材料、乳液/分散体和涂料）的生产阶段对环境的影响最大。生产1公斤水性涂料，其中原材料对环境的影响最大；生产过程的影响只占一小部分。对白色水性涂料进行进一步的研究显示，大部分的嵌入式环境影响可以追溯到聚合物（分散体聚合物）或颜料（钛白粉），在大多数情况下，颜料对整体的影响贡献最大，（颜料的贡献通常是聚合物的大约两倍）。

图11比较了总的PVC浓度约为50%的白色外墙砖石涂料上面定义的功能单元。与其它的漆基技术相比，采用颜料包覆技术的所有丙烯酸聚合物复合物在所有研究的影响种类中的影响最小。降低钛白粉的用量[相对于传统配方降低15%（质量比）]成为降低影响和性能改进的驱动力。

结论

在户外用途中使用颜料包覆技术的丙烯酸聚合物，在相同遮盖力的情况下不仅可以降低钛白粉的用量，还可能降低成本，而且也有助于提高户外涂层的耐久性如耐沾污性、保色性和耐风化性。

含PET丙烯酸聚合物的外墙涂料与不同的聚合物涂料相比更具有耐久性，因此业主将不需要那么频繁地重涂来保持外墙外立面的初始外观，也避免了额外的劳动力成本。含PET丙烯酸的外墙涂料寿命的延长，降低钛白粉的用量，减少了白色和浅色水性装饰涂料对环境的潜在影响。