The Analysis and Discussion on the Influential Factors of the Substrate on the Water Permeability Test
（立邦涂料（中国）有限公司，上海201201）
摘要：根据国标GB/T 9755—2014《合成树脂乳液外墙涂料》中规定的合成树脂乳液外墙涂料透水性的测试方法，研究分析基材对透水性测试的影响因素。对比了不同生产厂商的无石棉纤维水泥平板的透水性。结果表明：试验板材的性能参数对空板透水性以及涂膜透水性的测试结果均有影响。测试试验板材上增加不同的腻子层后涂膜透水性发生变化，表明腻子层对涂膜透水性有影响。对比大容量漏斗与国标透水性测试漏斗对透水性的影响，发现大容量漏斗在透水性测试中对基材差异的影响具有屏蔽作用。
关键词：涂料；透水性测试；影响因素；板材
近年来，随着建筑行业的飞速发展与城市市容改造进度的加快，树脂乳液外墙涂料（以下简称外墙涂料）因其对建筑良好的保护和装饰作用得到了广泛的应用，其产品技术也获得了长足发展。由于外墙涂料不可避免地会受到雨雪、紫外线及灰尘等影响，人们对外墙涂料的各项指标都有比较高的要求。其中，雨水经过涂层渗入会直接导致墙面发霉、鼓包、脱落，更有甚者会造成墙体内部结构受潮，影响建筑结构的耐久性、完整性和安全性，因此外墙涂料的透水性作为表征涂层阻隔外部水分渗入基材的关键性能指标，其重要性不言而喻。
透水性是指外界环境中的液态水穿过涂层进入基材的程度。透水性测试值越小，说明外界的水分越难进入基材，涂层对基材的保护性能越好。2014年修订的国标GB/T 9755—2014《合成树脂乳液外墙涂料》新增了透水性测试，标准出台以来，在长期的透水性测试中，经常会碰到透水性实验结果因平行样之间绝对偏差大于0.2 mL 而导致试验无效的情况。分析试验结果无效的影响因素，高继东等探讨了实验板材、保养时间、实验用水、实验温度与湿度等对外墙涂料透水性的影响，认为不同材质的试验板材对外墙涂料透水性影响最大。在GB/T 9755—2014中，外墙涂料透水性试验的试验板材为符合标准JC/T 412.1—2006中NAF H V级要求的无石棉纤维水泥平板，但在JC/T 412.1—2006中并未规定与透水性相关的板材理化性能指标，仅规定了试验板材密度、含水率、吸水率等性能指标，在最新的标准JC/T 412.1—2018中甚至取消了含水率这一物理指标，同时表观密度也仅需符合供应商提供的质量文件。
本文讨论了不同生产厂家的无石棉纤维水泥平板对外墙涂料透水性试验结果的影响。同时选择了3种透水性不同的测试用涂料产品和2种不同外墙腻子产品，购买了一批新的大容量漏斗，测试分析了不同等级的外墙涂料产品透水性受板材的影响，增加腻子层对透水性的影响，以及大容量漏斗对比国标漏斗对透水性试验板材差异的不同敏感程度。
1 实验部分
1.1 实验材料与设备
三级实验用水：自制；线棒涂布器（规格为80、120）：上海现代仪器；无石棉纤维水泥平板（A、B、C，430 mm×150 mm×6 mm）：A公司、B公司、C公司；测试涂料：合格品、一等品、优等品（3种涂料均通过常州涂料化工研究院外检确认透水性符合对应等级）；外墙腻子（D、E，符合JG/T 157—2009的要求）：D公司、E公司。带刻度的漏斗状玻璃装置：容量（95±5）mL；上部玻璃管带有4 mL刻度，最小分度值为0.1 mL；底盘直径为65~66 mm，经磨砂处理，如图1所示。
没有刻度的大容量漏斗：容量（160±5）mL；底盘直径88~92 mm，总高度为225 mm，如图2所示。
1.2 实验过程
1.2.1 基材取样
A、B、C 3种无石棉纤维水泥平板各取8块，依次编号1~24，如表1所示；在每个试验样板两端各切出1块80 mm×80 mm的样板进行表观密度、含水率、吸水率及孔隙率的物理性能测试，测得的物理性能结果取平均后进行分析；样板剩余部分（270 mm×150 mm）进行空板透水性测试与涂膜透水性测试，如图3所示。
A、B、C 3种无石棉纤维水泥平板各取2块，编号25~30。使用一等品外墙涂料，在试验板材两端测试不同腻子层上的涂膜透水性，在板材中间测试无腻子层的涂膜透水性作为对照组，如图4所示。
A、B 2 种无石棉纤维水泥平板各取3 块，编号31~36。使用3种测试涂料分别在2种不同试验板材上进行涂覆及养护，试验板材与测试涂料的对应关系如表1所示。
养护完成后，测试国标漏斗涂膜透水性与大容量漏斗涂膜透水性，如图5所示。
1.2.2 基材物理性能测试
根据GB/T 7019—2014《纤维水泥制品实验方法》的规定，测试试验板材的表观密度ρ、含水率H、吸水率X 及孔隙率K，如式（1）~（4）所示。
式中：ρ0—水的密度；m0—自然状态的质量；m1—干燥状态的质量；m2—饱水状态在水中的质量；m3—饱水状态在空气中的质量。
1.2.3 基材空板透水性测试
根据GB/T 9755—2014中透水性测试方法，将测试样板平放，测试面朝上，将透水性试验测试漏斗放置在试板的中部，用不吸水的密封材料密封试板和透水性试验测试漏斗的缝隙，待密封胶干燥后，将规定的实验用水缓慢注入玻璃管内，直至液体的凹液面与试管的0 mL刻度重合，确认容器中无气泡后，再次调整试管的0 mL刻度，将玻璃管顶端用锡箔纸遮盖包住，在恒温恒湿的试验环境中静置24 h后，观察并记录液面下降体积（单位为mL）。观察结果时，当液面低于4 mL 时，使用三级实验用水补至0 mL 刻度，并用电子天平称量所补水的质量（单位为g），换算成容积单位（单位为mL）。
1.2.4 涂膜透水性测试
使用3种不同等级的测试涂料分别在无石棉纤维水泥平板上进行涂覆及养护，涂膜、养护根据GB/T9755—2014中的规定实施，使用规格为120和80的线棒刮涂2道均匀的漆膜，放置于恒温恒湿的实验环境中养护7 d。完成养护后进行透水性测试，方法同空板透水性测试方法。试验板材与测试涂料的对应关系如表1所示。
1.2.5 腻子层涂膜透水性测试
使用2种测试腻子（D、E）分别在3种无石棉纤维水泥平板上指定位置（150 mm×150 mm）批涂2遍，每遍上料30 g；养护干燥2 d后，使用一等品外墙涂料在样板上制膜养护后进行透水性测试，方法同涂膜透水性测试，指定位置参照图4。
1.2.6 大容量漏斗涂膜透水性测试
标注大容量漏斗最大加水量：密封大容量漏斗底部，通过量筒加入160 mL水标注漏斗最大加水位置。
在用大容量漏斗测试涂膜透水性时，加水至160 mL标注位置，其余测试操作与国标漏斗测试透水性方法相同，测试过程中记录漏斗1 h、3 h、5 h、7 h、24 h液面下降位置并标注。观察结果时，使用三级实验用水从对应位置补至最大加水位置，并用电子天平称量所补水的质量（单位为g），换算成容积单位（单位为mL）。
2 结果与讨论
2.1 基材物理性能对空板透水性测试的影响
2.1.1 基材表观密度对透水性的影响
基材的表观密度与空板透水性的关系如图6所示。
由图6可知，基材表观密度为1.33~1.83 g/cm3，差异明显，同一公司试验板材的表观密度接近，但仍有个别板材的偏差较大；JC/T 412.1—2006中规定高密度无石棉纤维水泥平板的表观密度区间为1.4~1.7 g/cm3，A公司的8块板材中，试验板材1~4的表观密度低于标准中的表观密度要求；B公司的8块板材中，仅编号16的试验板材的表观密度高于标准中的表观密度要求，板材密度稳定性较好；C公司的8块板材中，试验板材21~24的表观密度高于标准中的表观密度要求，整体密度偏高。在最新的标准JC/T 412.1—2018中取消了对平板表观密度的具体数值要求，仅需符合供应商质量文件中标明的规定值，但板材的表观密度对透水性的影响不可忽视。
分析图6可以发现，基材表观密度与空板透水性呈现一定的负相关性，即表观密度越大，空板透水性越低。笔者认为基材的表观密度一定程度上会影响空板透水性。
2.1.2 基材含水率对透水性的影响
基材含水率与空板透水性的关系如图7所示。
由图7可知，基材含水率分布在3%~6%，含水率与空板透水性无明显关系。以试验板材10、11、12为例，这3 块板材密度相同，但含水率分别为4. 66%、3.19%和5.31%，差异明显，对应的空板透水率分别为5.8 mL、6.0 mL、6.1 mL，无明显相关性，因此认为基材的含水率对空板透水性无明显影响。
2.1.3 基材吸水率对透水性的影响
基材吸水率与空板透水性的关系如图8所示。
由图8可知，基材吸水率均小于JC/T 412.1—2006要求的28%，但差异明显，分布在21%~28%，与空板透水性有一定程度的正相关，这可能是基材的吸水率对空板透水性有明显影响，即基材吸水率越高，空板透水越多；反之，基材吸水率降低，空板透水也降低。
2.1.4 基材孔隙率对透水性的影响
基材孔隙率与空板透水性的关系如图9所示。
由图9可知，基材孔隙率分布在31%~37%，与基材的表观密度和吸水率均有一定关系，基材孔隙率与空板透水性呈一定的正相关性。可见，基材的孔隙率对空板透水性有明显影响，基材孔隙率越高，空板透水越多。
2.1.5 基材空板透水性
由图6~图9可知，基材空板透水性差异较大，从最低3.2 mL 到最高16.0 mL，相差5 倍。且不同公司生产的无石棉纤维水泥平板物理性能存在差异，相同公司多个无石棉纤维水泥平板物理性能也存在差异，基材各项物理性能差异直接影响空板的透水性测试结果。其中，基材含水率对空板透水性测试无明显影响；基材表观密度越大，即板材越致密，空板透水性测试数值越小；基材吸水率与孔隙率越大，空板透水性测试数值越大。在GB/T 9755—2014透水性测试部分，对于无石棉纤维水泥平板的空板透水性，仅规定了下限应大于4 mL，对于上限并未做明确规定。实验进一步研究符合国标要求、无石棉纤维水泥平板空板透水性大于4 mL 的板材涂膜透水性。
2.2 基材差异对涂膜透水性的影响
涂膜透水性测试结果如表2所示。
进一步研究空板透水性与不同等级涂料涂膜透水性的关系，结果如图10所示。
根据GB/T 9755—2014规定，合格品24 h透水性应当≤1.4 mL，一等品24 h透水性应当≤1.0 mL，优等品24 h透水性应当≤0.6 mL。结合表2中测试结果分析，无石棉纤维水泥板的空板透水性对不同规格测试涂料产品的透水性数据有明显影响，呈一定程度的正相关性。一等品涂料的8块测试板材中，2号板材空板透水性最高为16.0 mL，同时涂膜透水性测试结果最高为1.9 mL，远高于标准中一等品涂膜透水性要求；合格品涂料的8块测试板材中，19号板材空板透水性不符合国标对实验板材的要求，其对应的透水性结果最好，完全失真，不能反映出各规格测试涂料的透水性真实结果，4号和7号板材空板透水性分别为13. 2 mL、10.7 mL，透水测试结果对应为2.3 mL、1.5 mL，均不符合合格品透水性要求；优等品涂料的8块测试板材中，3号和6号板材空板透水性为14.7 mL和11.7 mL，对应的涂膜透水性测试结果也不符合国标优等品透水性的要求。以上空板透水性超过10 mL的数据如表3所示。
由以上结果可知，产品透水性测试结果受板材差异影响极大，表观密度大、空板透水少的板材测试结果明显优于空板透水多的板材，进一步表明实验板材对涂料透水性测试结果的影响不可忽视。
在涂膜透水性测试中，当空板透水性>10 mL时，3种测试涂料的涂膜透水性测试结果都超过了国标对应等级的规定要求。因此，测试涂料产品透水性等级时，除了需要保证空板透水性>4 mL之外，空板透水性还应<10 mL，避免基材空板透水过多导致涂料产品透水性测试结果不合格。
2.3 腻子层对涂膜透水性的影响
腻子层上涂膜透水数据如表4所示。
综合表4中的实验数据，有腻子层D的涂膜透水性比没有腻子层的涂膜透水性小，而有腻子层E的涂膜透水性比没有腻子层的涂膜透水性大。因此，本研究认为增加腻子层并不能屏蔽基材物理性能差异的影响，同时实验数据也无法判断增加腻子层是否可以使涂膜透水性更加稳定。值得关注的是，引入腻子层会增加新的变量，例如腻子的种类、厚度、致密程度等，这些新的变量都会导致透水数据出现偏差。
2.4 大容量漏斗对透水性测试的影响
分析3家公司的无石棉纤维水泥平板，C公司的无石棉纤维水泥平板表观密度较高，板材较致密，透水测试结果整体偏小，故在大容量漏斗透水性测试中只选择了A公司和B公司的无石棉纤维水泥平板，测试结果如图11所示。
由图11可知，透水性测试数据与时间呈线性关系，拟合直线方程的斜率受透水性试验各影响因素（基材、样品涂层、试验装置等）的综合影响。相同实验时间、相同基材上，大容量漏斗的透水量是国标漏斗的3 倍左右；大容量漏斗透水性数据拟合情况更好，国标漏斗透水性数据离散系数更大。分析可能原因，大容量漏斗在透水性测试中，放大了透水量，透水性测试结果屏蔽了板材本身物理性能差异。
由图11（a）、（b）可知，合格品涂料和一等品涂料在使用国标漏斗时，A板上的24 h透水数据比B板上的小，而在使用大容量漏斗时，A板与B板上的透水数据接近。尽管合格品涂料与一等品涂料均符合国标相应等级指标要求，但在A 板和B 板上有明显差异；而在使用大容量漏斗时，受大容量漏斗放大效应的影响，2种板材上的透水数据接近。
由图11（c）可知，优等品涂料在使用国标漏斗时，A板与B板上的透水数据接近，认为可能原因是优等品涂料中乳液含量较高，涂膜更加致密，透水数据受板材物理性能差异影响较小。
综上分析，大容量漏斗在透水性测试中，可以屏蔽掉一些透水性测试影响因素，如基材物理性能差异影响等。
3 结 语
综上所述，涂料在进行透水性试验时，不同的基材即不同厂家生产的无石棉纤维水泥平板本身的差异会影响实验结果。
（1）不同生产厂家生产的无石棉纤维水泥平板，性能参数差异较大，对涂膜透水性试验结果影响较大，其中基材表观密度越大，即板材越致密，涂膜透水数据越小；基材吸水率越低，涂膜透水数据越小；同时基材孔隙率越低，涂膜透水数据也越小。
（2）性能参数差异较大的基材，在测试涂料透水性试验中，空板透水性差异较大，会直接影响测试涂料的透水性。无石棉纤维水泥平板空板透水性>10 mL时，涂膜透水性测试数据普遍偏大。
（3）腻子层上的涂膜透水数据受腻子层的影响，增加腻子层并不能屏蔽基材物理性能差异的影响，同时也无法判断增加腻子层是否可以使涂膜透水性更加稳定。
（4）大容量漏斗对基材差异屏蔽效果明显，相较于国标漏斗，其对透水性测试放大效果明显，可以有效拉开不同等级涂料的透水梯度，使对应测试更加准确。
为保证涂料透水性测试的稳定性与准确性，需确保涂料透水性测试使用的无石棉纤维水泥平板性能参数相同或相近。可考虑增加对透水性测试使用的无石棉纤维水泥平板物理性能指标的规范性要求，如对表观密度、吸水率、孔隙率等做明确规定，控制透水性测试使用板材的稳定性，避免板材物理性能差异影响透水性测试结果。同时，可以考虑在无石棉纤维水泥平板透水性测试中，增加空板透水性的上限，避免涂膜透水性测试结果过差。本研究建议透水性测试中，空板透水性应<10 mL。
对于增加腻子层对涂膜透水性的影响需要更深入的研究，例如使用什么型号的腻子，批刮腻子的致密程度、上料量以及厚度等因素都需要进一步的实验确定。
大容量漏斗对于试验板材物理性能差异屏蔽效果肉眼可见，未来可尝试增大现有透水性漏斗的容积，降低基材差异的影响效果。针对大容量漏斗的刻度与仪器细节、测试时间与测试方法，需要更深入的试验研究确认。
文章来自《涂料工业》2023年第6期
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