建筑涂料十年間

過去十年間，建筑涂料行業發生了翻天覆地的變化。今天，涂料行業的原材料構成更為豐富、環境狀況以及特性也呈現出更多變化。這些變革是由于來自合成化學家、涂料生產商、終端用戶以及環境立法機構的各種因素影響造成的。本文將對過去十年中發生的一些變化，以及未來的某些趨勢進行一些探討。

水性與油/溶劑型

如果不先提及油性/溶劑型涂料向水性涂料的轉變，就無法對建筑涂料所發生的變化進行探討。

在ACA和Chemquest發布的第9版ACA的工業市場分析報告中，他們在對整個美國建筑涂料市場進行了分析，2014年溶劑型涂料為1.08億加侖，占7.2億加侖市場總量的15%（圖1）。

圖1 2011年和2014年溶劑型涂料產量對比

與之相比，2001年溶劑型涂料為1.14億加侖，占到4.93億加侖市場的23%。因此，人們可以得出這樣的結論，即盡管溶劑型涂料總體銷售量僅略有降低，但在龐大的整體市場中的比例卻進一步下降了。事實上，如下所述，在美國的某些特定市場，因環境法規的限制，已經很難繼續使用某些類型的溶劑型涂料了。但是溶劑型涂料市場份額的下降已經持續了數十年，在某些地區及特殊應用中仍然更加青睞于溶劑型材料。對于普通用戶而言，水性涂料具有安全、低氣味，易于用肥皂和水清潔等便利。

VOC含量

首款乳膠基水性涂料誕生時，其VOC（揮發性有機化合物）比今天市場上同類產品的含量要高得多。即便是在2006年，水性建筑涂料的VOC含量平均值也要達到250g/L 的水平。許多這類涂料所用的樹脂要求使用溶劑，以便使乳膠顆粒形成一層漆膜。隨著法規促使VOC含量下降，一些新開發出的樹脂可以較少甚至完全不需要溶劑來形成漆膜。另外，還開發出了零VOC的成膜劑。可以說，樹脂和涂料開發商肩負著探尋新道路的使命，需要開發成膜溫度 （MFFT）盡可能低的配方，同時又能保持干漆膜的硬度。

這項任務很具挑戰性，因為低成膜溫度樹脂的玻璃轉化溫度更低，不含VOC的成膜劑就會滯留在干漆膜內。事實上，我認為這是目前水性建筑涂料面臨的最大技術挑戰之一，即如何生產出可以在室溫下形成適當漆膜，干燥后又能獲得硬質、耐久表面的零VOC涂料。這一問題在高光澤的需求下尤為困難，因為配方中含有更多的樹脂、更少的顏料成分。

水性涂料體系中降低VOC帶來的另一個難題是開放時間或可作業性。在缺乏慢速揮發溶劑的情況下，涂料在水蒸發后很快就會發粘。尤其在低濕度環境下，涂裝時水會很快從涂料中蒸發。因此，對于材料開發商而言，第二項技術挑戰是，能提供一種可延長涂料用戶作業時間的原材料。尚不清楚粘接劑或助劑設計是否是實現這一目標的最便捷途徑。

表1 北美地區法規對建筑涂料VOC含量要求各不相同

表一中的數據顯示北美地區法規對建筑涂料VOC含量要求各不相同。有些地區依然允許涂料含有較高的VOC。但在某些市場，如加利福尼亞、臭氧運輸委員會（OTC）及密歇根湖空氣理事協會所屬各州則推動生產商采用更低VOC的配方。OTC包括從佛吉尼亞到緬因地區的12 個州加上哥倫比亞特區。LADCO 州則包括伊利諾伊、印第安納、密歇根、威斯康辛、俄亥俄和明尼蘇達州。為各個市場生產不同配方的涂料對物流和配方的管理都堪稱挑戰。因此，許多涂料企業針對整個美國市場供應能夠滿足最嚴格法規要求的涂料，目前是依據加利福尼亞市南海岸空氣質量管理區（SCAQMD）的標準。該地區除了是VOC 法規最為嚴厲的地區外，還是唯一對顏料VOC加以限制的區域。該區目前正在更新其對建筑涂料VOC的規定。特別是所謂的“小容器例外”法則——即允許生產商銷售一升及以下容量的高VOC涂料——也將受到限制。數據還表明，OTC最近也采用了最新的加利福尼亞空氣資源委員會（CARB）標準。

要理解監管格局并非易事。比如加利福尼亞由35個不同的空氣質量管理區構成，但只有部分采用了當前（甚至早先）的CARB標準。同樣，不是每個OTC或LADCO州都采用該區域標準。但是，很清楚的是，監管將會更趨嚴厲，而非相反。清潔空氣法案要求EPA每五年對國家臭氧標準進行審核，以保障公共健康。2008年，EPA將標準降低至0.075ppm。在最近的2015年10月1日，EPA將標準降至0.07ppm。相應地，美國很多州縣將被迫制定更嚴格的地方VOC 標準以達到新的臭氧限制標準。現在尚不明了的是，EPA是否、以及何時會開始更新全國的VOC標準，后者允許的VOC含量要高于那些執行了最近法規的地區。

烷基酚聚氧乙烯醚（APEO）

由于其表面活性劑特性，多年來烷基酚聚氧乙烯醚得到了廣泛應用。過去10年，由于擔心其水生動物毒性和生物體內積累特性，該產品在歐洲市場被嚴格禁用。此外，人們還擔心其生物降解通道可能導致相應烷基酚的形成，因為其生物體內累積特性比乙氧基化物更令人擔心。最常用的APEO 源自壬基苯酚（圖2）。

圖2 壬基苯酚化學結構式

與許多化合物一樣，業內對于使用這些材料的風險水平存在分歧。在北美市場，盡管沒有法規出臺，但是鼓勵生產商消除APEO。本文作者所在公司逐漸地自愿用無APEO 樹脂和表面活性劑替代了含APEO的舊一代材料，盡管客戶和監管機構并未堅持要求如此。事實上，水性涂料的優勢之一，是可以很容易地用肥皂和水來清潔涂裝工具，因此期望在配方中不要含有對環境有害的水溶性化學品。如果涂料中的材料會對水生物存在毒性，我們更愿意采取謹慎態度，不再使用。

罐內防腐

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為難題。含250g/L VOC的水性涂料內含有足以防止罐內微生物生長的酒精溶劑。但今天，大多數涂料含有的VOC為50g/L 或更低，從而加大了微生物產生的可能。不幸的是，給予涂料生產商的可選方案十分有限。

含甲醛的防腐劑在很多年前就受到了審查，大多數情況下用于非水性涂料。異噻唑啉酮衍生物被作為有效替代，但對這類產品存在導致皮膚過敏的擔憂。在歐洲，對異噻唑啉酮衍生物提出的新標簽要求已于2016年6月生效。這些要求提出，如果涂料中的CMIT/MIT（甲基氯異噻唑啉酮/甲基異噻唑啉酮）>1.5 ppm、BIT（ 苯并異噻唑啉-3- 酮）> 50ppm、MIT（甲基異噻唑啉酮）> 60ppm，標簽上應出現“過敏源字樣”。這些成分在大多數情況下低于這些材料作為防腐劑所需的含量，迫使大多數公司在標簽上注明“含有（活性成分），可能產生過敏反應”。尚不清楚未來美國是否會有任何此類法規對異噻唑啉酮衍生物進行監管。

市場上有各種形式的鋅、銀或銅質防腐劑可供涂料生產商使用，盡管它們可能會產生一些問題，比如影響涂料的穩定性或造成漆膜褪色。吡啶硫酮化合物可單獨使用或與其它防腐劑一起使用，并且通常被認為是安全的。總的來說，今天的建筑涂料由于VOC 含量低，更容易受到生物污染。但是，由于法規和這些材料的安全局限，防腐選擇是有限的。

有些防腐劑的組合如果用量較高，會在實質上賦予涂料殺菌效果。換句話說，環境中的細菌、霉菌或病毒如果與這類涂料接觸，就會被漆膜表面的防腐劑殺死。在美國，EPA對那些跟人體健康有關的聲明會進行嚴厲的監管。盡管他們允許產品表簽上存在諸如“已處理物品免檢”等字樣，但進一步的聲明則需按EPA第13號草案進行大量的測試和認證。因此，通常能看到標簽上有干漆膜能耐受微生物的聲明，但很少見到能保護人員健康的聲明。

節約人工

2009年以來，北美市場向面- 底漆二合一的方向發生了重大的轉變。這些產品旨在將底漆的特性融合于面漆，使用戶可以更短的時間完成工作。如果面漆可以與基材粘接、遮蓋瑕疵、擋住小的污漬，并獲得均勻的外觀，用戶就可以省略涂裝底漆的步驟。在大多數情況下，對住宅進行重新涂裝的消費者可以使用面- 底漆合一型產品。但在難度較高的涂裝中，應進行以下嘗試：如果基材難于附著、涂裝的基材上有不同的孔隙率、或存在很嚴重的污漬、有裸露的老化木材，或者涂料必須遮蓋由于水或煙造成的嚴重破壞，還是建議使用傳統的底漆。對于希望在周末重新涂裝一下房屋的一般屋主，面- 底漆合一型產品可以使涂裝工作更快完成，并且只需購買面漆即可，而無需分別購買底漆和面漆。

圖3 涂裝到帶裂縫的老化木板上的露臺修復涂料的樣本

北美市場另一個節約人工的趨勢，是向遮蓋力更好的建筑涂料轉化。有幾種產品有助于用更少涂料實現遮蓋。首先，銷售網點高精度分散調色設備的開發促進了濃度更高的著色劑的使用。其結果是，涂料中一定量的著色劑含有更多彩色顏料，從而獲得更好的遮蓋力。另外，有助于將二氧化鈦分散在干漆膜中的涂料材料的開發，也為改善遮蓋力作出了貢獻。第三，推出更高遮蓋力的彩色顏料如顏料紅254 或顏料黃184，方便配置高對比度的色彩。因此，今天一項涂裝作業很可能只需要一涂，或大多數情況下，二涂即可。

露臺修復涂料

過去幾年的一個新趨勢是層面修復涂料的出現。這些不透明的單色材料被設計用于在露臺的木質層面形成涂裝漆膜，通常為8至12密耳厚。隨著木質露臺的老化，會產生裂縫或碎屑并影響視覺效果的外觀。更換木質露臺成本會很高，因此，用修復涂料將露臺的使用壽命延長數年就較為理想。通過使用露臺修復涂料，客戶可以讓老露臺繼續發揮作用，同時延遲更新所需的投資。圖3顯示的是涂裝到帶裂縫的老化木板上的露臺修復涂料的樣本。

為了提高效率，涂料應有能力彌合裂縫，纏裹碎屑、遮蓋外觀瑕疵。與任何涂裝在平面上的涂料一樣，必須在涂裝前對基材進行恰當的處理。

外墻涂料的性能

要保持房子的外墻外觀如新是有難度的。許多房屋遭受著極端溫度、雨淋、曝曬及環境中顆粒物的影響。過去十年中的一個重點關注領域是耐污性。即在暴露于灰塵和煙霧顆粒的環境下涂料仍保持原有色澤的能力。評價耐污性的最佳方法是將兩個涂裝好的面板在室外環境中曝曬。但是，在自然曝曬狀態下等待區分涂料的差別需要一年甚至更長的時間。實驗室可采用在潮濕或干燥環境下暴露于灰塵進行加速的方法。這是一個難以量化的屬性，因為任何給定的環境所存在的灰塵或污垢的類型，以及溫度和降雨量的變化都很大。

圖4 四種外墻色漆耐污性的差別

總的來說，表面光澤度更高、更光滑、更硬的涂料的耐污性更好。孔隙越多、越粗糙的平面涂層容易在顏料顆粒形成的低洼處堆積灰塵。玻璃轉化溫度低的涂料在天氣溫暖、涂層發軟時，容易讓灰塵積聚在表面。即便如此，對于給定光滑度/ 硬度的涂層，人們還可以看到耐污性存在很大差別。沒有什么“神奇”的配方能使涂料獲得很好的耐污性。大多數配方都需要對各種材料（粘接劑、增稠劑、添加劑等）中的配料進行逐個測試。在圖4，可以看到四種外墻色漆耐污性的差別。

在這個測試中，涂裝面板的下半部分有干灰塵，10分鐘后，面板轉為垂直方向，大多數灰塵從漆膜表面脫落。可以看到，有一種涂層比其它涂層上的灰塵要少很多。

外墻彈性涂料如要實現耐污性將會非常困難。這些涂料設計的目的是要具有很高的柔韌性，以便形成的漆膜彌合基材上的裂縫。但是，這將產生較軟的、玻璃轉化溫度低的漆膜，使得灰塵易于粘在表面，并嵌入涂層。進一步的材料開發將致力于在涂層/空氣界面上形成有一定硬度的涂層，以防止粘結灰塵。目前，ASTM小組委員會D01.42在準備發布用以測量建筑涂料耐污性的新測試方法。

圖5 早期耐雨淋測試

外墻涂料另一個重要的特性是在涂層壽命早期階段使之具有防雨淋的整體性，或稱“早期耐雨淋能力”。外墻涂裝企業無法準確預測什么時候會降雨。人們希望涂裝后1-2小時內，涂層不會被雨破壞或沖掉。將涂裝面板置于流量受控的花灑下用水沖淋，可以很容易地測試出涂料的這種性能（圖5）。

早期耐雨淋能力可通過生產出一種可快速成膜、并能加速漆膜脫水的涂料來實現。通常這種特性會以犧牲干燥時間為代價，這種能夠耐受早期雨淋的涂料會很快就達到觸干狀態。

滿足VOC法規要求的油性材料

盡管最近的趨勢是朝著水性涂料發展，但還有一些應用傾向于采用油性材料。對于那些希望他們的甲板或露臺看上去有油性木材色感覺的人，這些材料具有良好的木材滲透性和防水效果。一般來說，這些油漆需要每一兩年重新涂裝一次。

但是這些材料通常VOC含量較高，只允許在33個州以傳統形式使用。如今產品開發商使用低揮發性油及油衍生物，通過較少的溶劑來獲得可接受的涂裝粘度。在有些情況下，可使用豁免溶劑以降低粘度，不會提高VOC含量。

圖6 含550 gL VOC （左）與 275 gL VOC （右）油性木器漆的耐污性比較。

盡管加利福尼亞南海岸空氣質量管理區要求的水平是100g/L，但VOC 含量降至275g/L 的成品即可在美國大部分地區銷售。與油漆類似產品一樣，降低這些產品中的VOC含量對于恢復使用時間（由于干燥時間長）構成了挑戰，還會影響耐污性（圖6）。

全新外觀

通過使用特殊的油漆涂裝技術，有望獲得各種全新的、富有吸引力的外觀。仿飾漆和制釉技術已經面市多年。在此其中，仿舊的外觀，看上去生銹的表面或失去光澤的金屬效果比較受歡迎。在有些情況下，把外墻涂裝成這樣的效果有可能是很有效的。另外，市場上還有很多承包商可以專業涂裝出這些效果。但是，對于普通自助型涂裝人士來說，要獲得這些效果需要太多的技能或藝術天賦。許多業主不會愿意采用這樣的項目。

圖7 滾筒刷涂裝多色漆的原型產品

因此，對于今天的涂料生產商而言，挑戰在于開發出通過非常簡單、方便的涂裝工藝，即可獲得新外觀的產品。在中國，有一種類似的產品“多彩涂料”非常引人注目，已經獲得一定成功。它模仿了花崗巖或大理石等天然石材的外觀。這種涂層是通過生產出具有不會相互混合的多個單色域產品而實現的。當這種涂料噴涂到一種基色上時，最后的成品就具有了天然石材的外觀。目前，這些外觀只能通過噴涂獲得，但可以用油漆滾筒刷涂裝的涂料會更適合普通自助型用戶，因為他們可能不太愿意使用噴涂設備。圖7 為滾筒刷涂裝多色漆的原型產品。

圖8 含有彩色片狀顆粒富有質感的表面

獲得嶄新外觀的另一個途徑是在涂料配方中加入某些類型的大彩色顆粒。市場上有各種原料可作這一用途。一般而言，這些原料顆粒直徑要比干漆膜的厚度大，這樣才會在涂裝完成后能看出來。通過使用各種類型和大小的彩色顆粒，就可實現不同的效果。同時，這種涂料可以噴涂或輥涂，雖然大多數業主更傾向于采用輥涂。由較大顆粒而產生的紋理可以提供有吸引力的外觀、使混凝土走道和天井表面不打滑。圖8所示為此類涂料的特寫圖，它表明，可通過較大片狀顆粒獲得質感。

圖9 在對游泳池露臺老化的混凝土涂裝這類涂料后外觀得到了顯著改善。

圖9中，人們可以觀察到，在對游泳池露臺老化的混凝土涂裝這類涂料后外觀得到了顯著改善。

總結

建筑涂料行業在過去十年間經歷了一段時期的健康導向創新。有幾個關鍵因素促進了油性涂料向水性涂料的轉變，包括降低VOC、去除有隱憂的化學品、面- 底漆合一型產品、改善漆膜性能如耐污性、早期防水性的期望以及獲得涂裝便捷的新外觀等。涂料配方會繼續成為富有創新性的領域。隨著消費者喜好的變化、監管條例的改變，以及新原料的推出，涂料生產商有望繼續充分發揮他們的專業和創新能力，不斷生產出新的產品。