弹性屋顶涂料(ERCs)作为一种具有成本效益的维护、修复和延长多种商业屋顶基材使用寿命的手段已被使用多年，包括喷涂聚氨酯泡沫(SPF)、橡胶[乙丙二烯三元聚合物(EPDM)]、沥青、改性沥青和金属。到目前为止，一个主要的例外是热塑性聚烯烃(TPO)屋顶，这是一种流行的屋顶系统，于1990年首次在美国市场上进行商业推广。(1)由于一些早期的TPO屋顶系统已经开始显示出自然磨损的迹象，挑战在于开发一种可行的水性(亲水性)弹性屋顶涂料配方，该配方具有足够的粘附性，防水(疏水)聚烯烃表面风化TPO屋顶膜，也符合ASTM性能标准，承受恶劣的室外环境。
本文介绍了用于风化TPO屋顶系统的各种丙烯酸聚合物乳液和添加剂组合的正在进行的实验室、室外暴露和先导测试的重点。通过使用亲水性聚酸分散剂，使配方的接触角与风化TPO表面的接触角相匹配，并结合三种独立的粘合技术，创建了丙烯酸聚合物乳液粘合剂，最终可用于制造具有优异TPO附着力的弹性屋顶涂料，从而克服了风化TPO附着的挑战。2022世界杯八强水位分析
经过近三年的现场测试，在三个不同的地点使用了两种配方原型，成功的丙烯酸聚合物乳液被商业化，命名为RHOPLEX™EC-3100。这种新型粘合剂为制造完全粘附于TPO基材的弹性屋顶底漆打开了大门，并经济有效地将老化的TPO屋顶系统的使用寿命延长5至10年或更长。
TPO黏附挑战
在各种应用中，TPO技术于20世纪80年代在欧洲首次作为一种无增强，无增塑剂的屋顶膜引入。在20世纪90年代初，制造商开始在TPO屋顶膜中添加增强织物，以增加撕裂强度。自1995年以来，这些加固系统在美国低坡度商业应用中迅速渗透。如今，它们是美国商业屋顶行业中增长最快的部分，这在很大程度上是由于成本优势，易于安装，以及对“凉爽屋顶”的需求——白色或浅色表面反射而不是吸收太阳能。
TPO膜基于ASTM D 5538-07，热塑性弹性体标准实践-术语和缩写定义的聚合物，称为“热塑性弹性体-烯烃”。TPO屋面膜通常由聚丙烯加上乙烯/丙烯橡胶(EPR)或三元乙丙橡胶(EPDM)组成，作为软化剂，使其更具柔韧性。TPO屋面膜配方包括颜料(如TiO2和CaCO3)、阻燃剂、交联剂、抗氧化剂(酚类、胺类、亚磷酸酯类)、润滑剂/加工助剂和紫外线吸收剂。(3)聚烯烃化学性质，作为一种只有碳和氢的材料，使其成为一种难以粘附的低表面能材料。虽然额外的成分与聚烯烃和EPR或EPDM复合，以制成TPO屋顶膜，但很少有化学结合和粘附的活性表面位点。
虽然TPO屋面膜遵循了新产品的经典模式，并不断改进以优化其配方，以满足市场的需求，但主要的机械和化学性能是由主要成分-丙烯加EPR或EPDM决定的。(4)虽然已经开发了粘附在风化TPO表面的溶剂型弹性体涂料，但这些涂料的成分高度易燃，气味和VOC含量高。这可能会使它们的使用和应用变得复杂。用水性弹性屋顶涂料涂覆TPO膜的挑战是由以下几个因素共同造成的:
- 未风化TPO初始亲水性高，接触角极低，风化后接触角较高;
- 缺乏正常促进粘附的官能团;
- 一种非晶态TPO表面，这是完全依赖TPO形态的结果。
早期测试
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在21世纪初，越来越多的屋顶涂料制造商询问用于涂层风化TPO屋顶的潜在水性配方。当时，没有可行的涂层选择，因为现有的弹性屋顶涂料不能很好地粘附在风化的TPO表面。2002年，我们获得了几平方码的新TPO膜样品#1(45密尔)，将其切割成3 × 6英寸和8 × 12英尺的样品方，并将它们正面放置在宾夕法尼亚州费城附近的Spring House室外曝光站。虽然我们的实验室包括各种加速风化工具，但我们相信，对于涂层的最终测试和风化测试基材的制备，最终没有什么可以替代实际的室外风化。
当我们等待室外样品获得足够的风化性时，我们在实验室中使用其他TPO屋顶样品测试了各种原型涂层配方:
- TPO膜样品#2(45密)，10年风化(格鲁吉亚曝光);
- TPO膜样品#3(45密)，风化6个月(费城曝光);
- TPO膜样品# 4(45密)，三个月和六个月风化(费城曝光)。
我们评估了各种提高粘附性的技术，包括不同的2022世界杯八强水位分析粘附化学成分、乳液组成和分散剂。所有这些最初的配方工作都是在新的TPO膜或TPO膜上进行测试的，这些TPO膜在室外风化不超过6个月。在此期间，大多数粘附性的改善都很低，但有一些显著的改善足以表明我们需要将多种粘附化学物质结合到一种粘合剂中。
遵循多种粘附化学物质的路径，我们开发了一种新的丙烯酸聚合物原型，结合了三种不同的粘附化学物质。该原型提高了对各种表面的附着力，但对风化TPO的附着力仅提高了10%。有些困惑的是，研究小组仔细研究了一些控制涂层与基材粘附的基本机制。
- 润湿。涂层能否润湿表面(即宏观润湿)?这通常受到涂层和基材的相对表面能的影响。具有低表面能的基材通常只能用同样具有低表面能的涂层进行润湿。
- 如果涂层能够润湿基材，干燥后，涂层和基材之间是否有亲密的物理接触?如果聚合物链能够变形到足以接触到微表面和基材的官能团，则可以在两种材料之间形成强烈的物理键(即，不是化学键)。
- 最后，如果聚合物能够在分子水平上接触基材(即微润湿)，涂层和基材之间就会发生特定的化学相互作用，从而导致化学类型的粘附。一般来说，化学粘附是涂料和基材之间最强的粘附类型。但是，如上所述，它通常只有在润湿和物理结合存在时才有效。
不用说，防水和疏水性对任何屋顶衬底都是非常重要的。确定表面的接触角是一种明确的疏水性测试，其中将一滴流体(通常是水)放在衬底上，在指定的一段时间后，测量液滴与表面的角度。接触角越大，疏水性越强。如表1所示，水在TPO上的初始接触角相对较低，表明表面具有一定的亲水性。
考虑到新型TPO屋面膜的假定疏水性质，这是相当令人惊讶的。我们认为这部分是由于用于制造TPO膜的加工助剂和配方化合物，它们可能会随着外部风化而从表面洗掉或腐蚀。根据接触角数据，暴露在外部或WOM (Weather-Ometer)后，TPO表面疏水性增强，接触角增大。TPO的疏水性随着风化而增加，实际上使其更符合弹性涂层的润湿特性。这种兼容性被证明是非常重要的，我们将在下面进一步讨论。
粘附的突破
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最终原型聚合物/配方
随着粘附性挑战的解决，研究团队继续优化最终聚合物和候选配方，研究了每一类添加剂，以确定最佳的粘附性和耐久性性能:表面活性剂、润湿剂、增稠剂、颜料和扩展剂。与传统弹性涂料的一个主要区别是，我们发现氧化锌——一种常见的紫外线保护剂——会干扰我们原型的新粘附化学物质。氧化锌在我们的配方中被添加少量的二氧化钛来保持恒定的颜料体积比。
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基于不同粘合剂的几种原型配方被选择用于4年风化的3 × 6英寸TPO膜样品#1。这些涂料根据ASTM D 6083 -丙烯酸弹性屋顶涂料进行了性能测试(见附录1)。
最终，其中两种原型乳剂(候选1号和2号)被选中进行最终的现场试验。
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田间试验
第一次现场试验于2007年11月在Spring House暴露站的8 × 10英尺的屋顶甲板模型上开始，两种最终的候选聚合物都涂在新的未风化的TPO 1号膜样品上(45mil)，早期结果显示没有起泡，而对照配方的表面起泡(图2)。
第二次现场试验于2008年5月在亚利桑那州图森市与Pro-Tech Products合作开始，在现有的商用屋顶上使用TPO膜样品#1。经过12年的风化，白色的TPO膜已经变成了棕褐色，由于美国西南部的高紫外线照射，表面出现了白垩色和微裂纹。涂布前，对基材进行强力水洗和干燥。候选材料#1和#2覆盖了屋顶的大部分区域，但不是整个表面(图3和图4)。
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2008年8月，与Structural Elastomeric Products合作，在新墨西哥州的一个两层商业屋顶上进行了第三次试验，使用了7到8年风化的TPO膜样品#2。这两层都使用候选聚合物#1和#2作为屋顶不同部分的底漆。一种商用弹性屋顶涂料配方被用作面漆。
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现场试验结果
经过两年多的实地测试，不同试验的结果有显著差异。两种候选材料总体表现良好，没有脱皮、开裂、剥落或失去附着力。然而，虽然候选材料1在实验室测试中表现出更高的剥离附着力，但它也在屋顶上起泡，而候选材料2则没有。候选2号在活跃池塘水域的划痕/探针测试中也表现出良好的附着强度。尽管在实验室测试中，候选1具有更好的附着力，但候选2由于具有更好的现场附着力、稳定性、更简单的应用性能和更好的干燥特性而成为更好的实用选择。
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在第三次顶板试验中，候选2号在根据ASTM D 903:粘合剂剥离或剥离强度标准试验方法进行的现场剥离粘合试验失败前，也表现出约5.0 PLI的附着强度。这一结果远远高于1.5 PLI的目标。候选2还提供了大致相当于新TPO膜的反射和发射性能，恢复了原始屋顶的“冷屋顶”性能。
需要注意的一点是，候选2(现为RHOPLEX EC-3100)中使用2022世界杯八强水位分析的粘附技术降低了涂层的抗拉强度，因此降低了其对ASTM D 6083规范的依从性。这表明，RHOPLEX EC-3100是作为基础涂料粘合剂的理想选择，当与符合ASTM D 6083标准的弹性屋顶涂料作为表层涂层时，可提供出色的TPO附着力，以及出色的耐久性、耐水性和反射率。
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我们将继续监测这两种原型在所有三次现场试验中的表现。可以使用谷歌Earth的免费版本(http://www.google.com/earth/download/ge/agree.html):选择“飞到”并输入:亚利桑那州图森市东百老汇6025号)看到图森市大型白色试用屋顶的鸟瞰图。放大白色的大屋顶。目前的观点是2009年11月20日，也就是试验开始1.5年后。
结论
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