基于PVDF树脂的涂料已经证明了几十年来保持其优异性能平衡的能力-包括通过在佛罗里达州暴露测试中保持涂料TSR值来优化冷屋顶性能的能力。

环境友好型或“绿色”建筑设计在北美越来越受欢迎。虽然绿色设计运动有许多不同的方面，但从建筑业主的角度来看，最具吸引力的组成部分之一是使用“冷屋顶”技术，以大幅降低表面屋顶的温度，从而降低建筑空调成本。 ¹ 几个国家实验室和其他机构的研究指出了冷屋顶在降低建筑能源需求和缓解城市热岛效应方面的重要性。

全国各地的城市和州都注意到这一发展，并将冷屋顶要求纳入其建筑规范(例如，加州的标题24)或提供冷屋顶激励计划，通常与大型公用事业公司合作。冷屋顶的概念也在国家绿色建筑倡议中得到了体现，如环境保护署的能源之星计划，以及行业计划，如冷金属屋顶联盟。因此，凉爽屋顶的概念是目前建筑和建筑行业以及油漆和涂料等相关行业中最热门的话题之一。

PVDF优势

大多数传统的屋顶材料会吸收一定量的太阳辐射，导致表面温度上升。这种热量不仅可以传递到建筑内部，而且还会加速屋顶材料的变质。有效的长期冷却屋顶方法必须解决这两个问题——它们必须在热天大幅度降低屋顶表面的温度，并且必须在较长的使用寿命内保持这样做的能力，理想情况下只需最少的维护。

金属屋面基材以及其他建筑构件的最耐候性涂料是基于聚偏二氟乙烯(PVDF)树脂。这些涂层对光化学降解的杰出抗性导致了出色的光泽和保色性，以及抗垩白性。 ² 第一种用于氟碳建筑涂料的聚合物粘合剂于1965年问世。 ^3、4 从那时起，世界上成千上万的建筑都涂上了用这种产品制成的线圈或喷漆。20世纪60年代的现有测试面板在南佛罗里达暴露近40年后继续显示出显著的保色性。大多数商用PVDF树脂基涂料以非水分散涂料的形式出售，需要在约230°C(446°F)或更高的温度下进行短时间烘烤，因此通常应用于金属基材，如金属线圈或铝挤压件。

为了实现具有出色耐候性的实用涂料，PVDF涂料通常使用最耐用的无机颜料等级， ⁵ 以及少量丙烯酸树脂基单体如甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯。丙烯酸树脂用于改善纯PVDF由于其化学惰性而难以获得的一些特定性能，如颜料的润湿性和涂层附着力。所使用的丙烯酸树脂与PVDF热动力混溶，使涂层粘结剂在烘烤后实际上具有一种互穿网络(IPN)合金结构。

由于这种IPN结构本质上是热塑性的，热力学稳定，主要基于光化学惰性的PVDF树脂，因此PVDF树脂基涂料即使在具有挑战性的热屋顶环境中也能保持数十年的保护和美观性能。这种耐久性与传统的交联粘结剂化学物质形成对比，例如聚酯，阳光、湿度和温度的结合——在炎热的天气里，朝南的屋顶很容易达到80°C(176°F)或更高——会迅速加速交联网络的退化，导致光泽损失，粉笔化，并可能导致涂料的灾难性失效。

全太阳反射和冷屋顶技术

两个关键的物理性质在很大程度上决定了暴露在太阳辐射下的表面上积聚了多少热量:发射率和反射率。发射率是衡量热物体辐射散热能力的指标。对于裸金属，它通常是低的(不利的)，而对于各种聚合物涂层，包括PVDF涂层，它通常是高的(有利的)。反射率-辐射能量被反射/散射而不是吸收的程度-取决于油漆配方器和涂抹器控制下的许多因素。

太阳反射率的一个常用测量方法是太阳总反射率，简称TSR。 ⁶ 粗略地说，TSR是太阳能从涂层反射回来的部分。TSR值考虑了整个太阳光谱中包含的能量，包括光谱的近红外区域，其中包含大约一半的太阳辐射能。一般来说，较高的TSR值会产生较冷的屋顶。

发射率和TSR这两项指标被用于许多新兴的冷屋顶标准中，但由于其他考虑因素，包括屋顶的倾角和当地气候，各地的具体要求差异很大。还有一种趋势是，不仅要求涂层的初始反射率应满足一定的标准，而且反射率应在一段时间内保持不变。例如，要获得低坡屋顶表面能源之星标签的资格，涂层的初始TSR必须在0到1的范围内超过0.65，并且三年后必须大于0.50。其他项目，如LEED(能源与环境设计领导力，由美国绿色建筑委员会管理)和加州的Title 24有不同的要求。

大部分用于建立野外暴露涂料最低标准的数据是由橡树岭国家实验室(ORNL)的W.A. Miller博士提供的。 ⁷ 米勒和他的团队分析了数百个测试板，这些测试板代表了各种各样的树脂化学成分和颜料类型，这些测试板在不同的工业测试地点，包括佛罗里达州南部的一个测试地点。对于聚合物涂料，决定TSR的最大因素是用于面漆的颜料等级。然而，最近的研究表明，使用的底漆和预处理，以及在面漆中使用的聚合物粘合剂，都对TSR有贡献。 ⁸

ORNL的研究显示，最古老的历史测试面板涂有基于pvdf的油漆，即使在佛罗里达州暴露了几十年，仍然保留了90%以上的反射率。表1显示了一些具有代表性的结果，包括深色(低TSR)涂料的结果，预计这种涂料的热历史要严重得多。

当然，污垢和藻类的生长会大大降低用传统树脂(如弹性丙烯酸树脂)制成的涂料的“冷屋顶”性能。 ⁹ 图1说明了在佛罗里达州进行了9年的白色测试屋顶的捡土问题。弹性丙烯酸屋顶涂料吸附了大量污垢，TSR降至0.50以下，而基于pvdf的涂料要白得多，TSR为0.80。

色素对冷屋顶性能的影响

如前所述，颜料的选择对屋面涂料的TSR值有显著影响。这种效果如图2所示，其中显示了一组由PVDF树脂制成的线圈涂料的TSR值，以及不同的金属氧化物颜料等级。

从图2中可以看出，白色涂层的TSR比任何一种黑色涂层都要高得多(这并不奇怪，因为黑色涂层吸收了光谱可见部分的太阳能)。然而，同样明显的是，某些黑色颜料等级的TSR明显高于其他等级。这种差异是由于色素反射率在太阳能谱的近红外区域的巨大差异。在其他颜色族中也观察到类似的差异。对于每一种感兴趣的颜色，TSR最高的颜料等级最适合用于“冷屋顶”应用——当然，前提是颜料本身具有足够的耐候性。因此，更高质量的屋顶涂料几乎完全由最耐用的无机颜料等级制成。这种配方的选择确保了良好的长期颜色稳定性，只要涂层粘结剂本身也足够稳定。

由于黑色涂料在可见区域吸收了大量的太阳能，在减少热量积累方面，它们可能从使用较高TSR颜料等级中表现出最大的好处。图3显示了图2中所述的一组涂层置于红外光灯箱(模拟屋顶阳光直射下的情况)时的温升测量结果。对于TSR较高的黑色颜料，温升仅略高于白色控制面板所观察到的温升。相反，对于低TSR黑色颜料，红外灯箱中的温升约为70°C(158°F) -几乎足以煮沸水。

研究人员还使用基于PVDF树脂技术的新型乳胶技术平台，测量了一系列不同色调的水性测试涂料的TSR在进行分析时，测试小组已经在佛罗里达州暴露了5到6年。不管颜色如何，这些涂层的典型反射率损失在未清洗的面板上约为3%，如果面板被轻度清洗，则甚至更低(见表2)。颜色和光泽保持也非常出色。基于这些数据，应该可以满足全国大部分地区的冷屋顶要求，包括TSR保留的要求，使用各种柔和的和大地色调的颜色。

粘结剂对冷屋顶性能的影响

如前所述，最近的研究表明，使用的底漆和预处理以及面漆中使用的聚合物粘结剂对TSR有贡献。聚合物粘结剂效果的一个例子可以在表3中看到一系列基于不同树脂化学成分的颜色匹配的橙色涂料，这些涂料已经在佛罗里达州(朝南45度)曝光了22年。 ⁶ 从表中可以看出，对于涂料未暴露的部分，含有70% PVDF树脂的涂料在TSR方面比其他涂料具有优势。这种优势在暴露后仍然保持，甚至与聚酯相比有所增加，尽管聚酯可能会因其严重的粉笔化而增加TSR。图4显示了这些相同面板的光泽保留作为佛罗里达风化作用的函数。聚氨酯和聚酯在佛罗里达风化了大约10年之后都完全失去了光泽。(此系列的早期光泽数据不可用。)含有70% PVDF的面板经过10年的风化后，光泽度下降不到15%，即使在佛罗里达暴露22年后，光泽度仍保持在55%以上。

为了系统地探索粘结剂对TSR的影响，研究人员在相同的颜料体积浓度下，在涂层粘结剂中改变PVDF与丙烯酸树脂的比例，制备了一系列淡蓝色涂料。然后，使用钢丝缠绕的拉杆将所得的涂料浇铸在铬酸铝AA3003基材上，并烘烤以获得不同干膜厚度的每种涂料的一系列面板。图5显示了这些涂层的TSR值作为厚度和PVDF含量的函数。随着PVDF含量的增加，TSR明显增加。对于较厚的涂层，TSR也有改进。

为了更好地理解TSR的树脂依赖性，使用带积分球(Perkin-Elmer Lambda 19)的uv - visi - nir光谱仪测量了1.4 mils干膜厚度下薄膜的镜面反射率作为波长的函数。图6显示了结果。这些薄膜的可见光反射率差异不大，但纯PVDF树脂基涂层的近红外反射率(0.7 ~ 2.5 μm)相对较高，产生了较高的太阳总反射率。

在最近的研究中，研究人员在比较含有70% PVDF的乳胶漆和颜色匹配的丙烯酸乳胶漆时注意到TSR的改善幅度相似。TSR提高几个百分点就足以让“边缘”颜色满足各种冷屋顶标准的要求，包括加州标题24规定，从而扩大了售后市场屋顶涂料的调色板。

通过抵抗污垢吸附来保持高反射率

为满足监管要求并确保能源效率，浅色、高tsr屋顶应在多年内保持其反射率。由于这个原因，屋顶涂料必须抵抗污垢的吸收。在相对干净的暴露环境中，如南佛罗里达，使用基于pvdf的涂料的测试面板被发现即使在暴露多年后，最多也只损失几个百分点的反射率。但众所周知，在清理污垢方面，许多亚洲城市面临着更为严峻的挑战。幸运的是，一些“保持清洁”技术的新发展，旨在增强PVDF涂料的脱污性能，似乎也能有效地维持TSR值。

为了获得“自洁”或“脱污”特性，最常见的技术方法是创建亲水涂层表面。 ¹¹ 亲水表面被认为可以减少污垢颗粒与漆膜之间的粘附作用，同时容易被露水和雨水淋湿。这种效果可以让雨水从表面上带走污垢颗粒，雨水从表面上脱落，不会留下水渍。由于散装涂料粘结剂通常需要是疏水的，以提供阻隔性能，污垢脱落组分通常是添加剂。当涂料干燥时，添加剂应理想地集中在涂层表面;这意味着它需要与涂层粘结剂在某种程度上不兼容，具有较低的表面能和相对较高的流动性。某些硅基产品通常用作添加剂，例如特定的烷氧基硅烷或甲基硅酸盐或乙基硅酸盐。其原理是，当涂料干燥时，这些材料会迁移到涂层表面;然后，一旦它们到达表面，烷氧基就会水解，留下亲水表面。

为了使这些表面添加剂有效工作，适当控制迁移和水解速率对于实现污垢脱落性能至关重要。由于添加剂是水解敏感材料，在干燥涂料中发生的任何水解和缩合交联反应都可以防止添加剂在烘烤过程中迁移到表面，阻碍产生更水解的表面。如果水解速率太快，由于这些罐内反应，油漆有效地开发了短罐寿命。反之，如果表面的水解速率太慢，涂料发展亲水表面的速度就会很慢，也就没有很好的脱污能力。在实践中，由于这些相互冲突的水解速率要求，典型的商业脱土涂料在添加脱土添加剂后的有效锅寿命通常只有约24小时。在这段时间之后，污垢脱落能力和光泽都会发生损失。

研究人员最近通过确定可以添加到配方中的有效的水清除剂，能够显著改善这种情况。 ¹² 这些材料似乎可以有效地防止湿涂料中的过早水解和缩合反应，保持添加剂在烘烤过程中迁移到表面以产生亲水表面的能力。

使用该技术，PVDF涂料的工作锅寿命超过一个月。图7和表4显示了该解决方案在新加坡(朝南45度)暴露5个月的白色涂料中的有效性。暴露5个月后，70%的标准PVDF配方能吸附相当多的污垢(ΔE = 10)，而脱污垢配方几乎没有吸附任何污垢(ΔE <2)，光泽也没有损失。无论涂料是在添加脱污添加剂的一天后涂抹，还是在配方中添加添加剂的30天后涂抹，都能达到相同的脱污性能。暴露5个月后，标准的PVDF配方显示出相当大的反射率降低(高达15%)，而本发明的新鲜和陈年配方在这个极具挑战性的环境中只有1%的反射率损失。

保持冷静

含有至少70 wt% PVDF的建筑涂料已经证明了几十年来保持其优异性能平衡的能力——包括在佛罗里达州暴露测试中通过保持涂料TSR值来优化冷屋顶性能的能力。与其他树脂化学物质相比，具有高PVDF水平的涂料在TSR中也具有较小但可重复的优势。通过使用新开发的有效的除污方法，即使在肮脏的城市环境中，这些高TSR值也可以长期保持。

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