郑公劭 （上海涂料染料行业协会，上海 200072）

1 Künzel外墙涂料保护理论

建筑外墙涂料的作用除了装饰功能外，还能对墙面起到保护作用，包括抵抗雨雪、紫外线、酸雨及尘埃等侵蚀。外部的水分如果渗漏到墙面里，一旦遇到严寒气候环境，墙面孔隙、裂缝里的水就会结冰，导致体积膨胀，挤压墙体材料，使墙面结构薄弱部分产生侵蚀、剥落现象。如果建筑结构是钢筋混凝土，水分的侵入使钢筋发生锈蚀，锈蚀体的体积会膨胀1~4倍，引发混凝土中的细小裂缝扩大，严重的会使保护层崩脱。这些都会严重影响建筑结构的完整性、耐久性和安全性。对于外墙外保温体系，水分的侵入会提高保温材料的导热系数，降低保温效果。因此，提高外墙涂料的抗透水性是优质外墙涂料的重要保证之一。

水和潮气渗透入建筑物表面有两个主要途径：

（1） 水通过完整无缺的涂膜进行扩散；

（2） 通过涂膜的缺陷，如从细小和微细的裂缝渗透到建筑物的表面。

外墙建筑涂料要求具有较低的透水性，但并非越低越好。因为涂层下面的基材，如混凝土或砖砌墙面，基面多少存在潮湿因素。另外当室内温度高于室外环境温度时，室内的水汽会通过墙面向温度较低的室外扩散渗透。如果外墙涂料涂膜非常致密，其对水蒸汽的渗透阻力必然非常大，水汽很难通过涂膜向外挥发，就会停留在墙体内部。水汽扩散受阻，导致湿气在墙体内部或涂层界面的积聚，产生应力。湿度变化引起墙体内外压力不平衡，从而造成墙体表面结露潮湿现象，导致起皮分层，最终使涂膜起皮剥落。

如果水汽停留在砌体墙内，基体的含湿量逐步增加，产生冷凝水聚集，对墙体热工性能、结构性能带来不利影响，造成材料软化、强度降低、饰面脱落等现象。特别是对于外墙外保温体系的外层涂料，如果涂膜透气性差，湿气无法向外扩散，留在保温层材料内，会使保温材料导热系数升高，最终会影响到整个保温体系的保温效果和安全稳定性。

综上，外墙墙面采用涂料作饰面层，涂膜透水率要低，应具有较好的防水性能。同时为防止墙体内部的水蒸汽因无法及时扩散到室外，停留在墙体内部冷凝，甚至结冰，又要求外墙涂料涂膜具有较小的水汽渗透阻，也就是要使水蒸气易于透过。所以理想的外墙涂料既要有良好的防水性能，又要有良好的水蒸气透过性。任何单方面强调涂膜的防水性或涂膜的透气性都是片面的，必须两者兼顾。

在国内外一些标准中，涂层毛细管吸水量的定量指标是吸水系数（W）。

式中：W——吸水系数，kg/（m2·h0.5）；

Q——吸水量，kg/m2；

t——吸水时间，h。

涂层的水汽扩散阻力通常用其扩散等效空气层厚度Sd值来表示（参阅EN ISO 12572—2016）。换句话说，Sd表示在给定厚度下，一层空气（静止空气）必须有多厚才能具有与测试涂层相同的扩散阻力。它们只适用于非常小的涂层厚度。

式中：Sd——等效静止空气层厚度，m；

μ——扩散阻力系数，μ（空气）=1；

s——涂膜厚度，m。

经过大量的测试，德国人Künzel提出了一个外墙涂料保护理论，指出只有当外墙涂膜透气性（用等效静止空气层厚度表示）和透水性（吸水性）测试值及两者综合计算后达到某一个合适的值时，涂膜才具有优异的保护功能。Künzel外墙涂料保护理论要求：W≤0.5 kg/（m2·h0.5）；Sd≤2 m；且W×Sd≤0.1 kg/（m·h0.5）。

综合这3个要求，涂料的拒水性和透气性必须落在图1的阴影面积范围内，才能有较好的保护功能。

图1 Künzel外墙涂料保护理论Figure 1 Künzel's theory of exterior wall paint protection

Künzel外墙保护理论的许多试验是在位于慕尼黑南部靠近巴伐利亚阿尔卑斯山的霍尔茨克钦（HolzKirchen）试验场进行的。与大多数德国其它地点相比，其室外温度波动和出现大风降雨的情况相当严重。考虑到不同的气候条件、墙面的不同朝向（如暴露于大风雨中的墙面与受遮蔽的墙面受雨水的影响不一样），另外大风雨并不是墙内唯一可能的湿气源，霍尔茨克钦试验场的数据难以普遍应用，所以在被纳入德国防雨灰泥和涂料标准（DIN 18558—1985）和德国建筑节能标准（DIN 4108—2013）时，Künzel外墙保护理论中要求的W×Sd≤0.1 kg/（m·h0.5）已被修改为W×Sd≤0.2 kg/（m·h0.5）（见图2）。针对不同的条件情况，各项指标有所修正。如对设有内保温系统的建筑，设计指南要求W×Sd≤ 0.1 kg/（m·h0.5），但将W的上限降低至0.2 kg/（m2·h0.5），Sd降低到≤1.0 m。

图2 德国防雨灰泥和涂料标准Figure 2 German standard for rain proofing stucco and paint

2 涂膜吸水性的影响因素研究

由于涂膜的透水性与它本身的吸水性密切相关，所以先讨论涂膜的吸水性。影响涂膜吸水性的因素如下：

（1） 化学组成和聚合物极性；

（2） 水溶性盐和乳化剂（包围在粒子间，形成渗透压）的种类和数量；

（3） 遇水膨胀助剂，如保护胶体的种类和数量；

（4） 粒径；

（5） 聚合物的玻璃化温度；

（6） 膜厚；

（7） 膜的质量，干燥情况；

（8） 温度；

（9） 盐的含量和水的pH。

2.1 单体的极性对涂膜吸水性的影响

单体的极性对涂膜的吸水性有重要的影响。亲水基团（如羧基）溶于水，会提高吸水性。通常的规律是，在其它条件相同时，基体聚合物本身越亲水，涂膜吸水性越高。这点可以从一系列聚丙烯酸酯聚合物在相同玻璃化温度下的吸水量看出，如图3所示。当链长降低，软丙烯酸酯单体的极性上升［极性由小到大的顺序依次为EHA（丙烯酸异辛酯）

图3 不同纯丙和苯丙聚合物膜的吸水率（相同的Tg和稳定体系）Figure 3 Water absorption of different pure acrylic and styrene-acrylic polymer films（same Tg and stable system）

2.2 玻璃化温度对涂膜吸水性的影响

图4为相同玻璃化温度的苯丙/纯丙乳液涂膜吸水性和抗水汽扩散性，如图4数据所示，对这些最低成膜温度几乎相同的聚合物分散体，当涂膜的抗水汽扩散性上升时，其相应的吸水性就下降。纯丙烯酸共聚物的吸水程度和水汽透过性都比苯丙聚合物高。当共聚物变得更疏水时，其水汽透过性和吸水性会同时下降。如果降低涂膜的吸水性，往往也会使其水汽透过率变差。

图4 相同Tg的苯丙/纯丙乳液的吸水性和抗水汽扩散性Figure 4 Water absorption and water vapor resistance to diffusivity of styrene-acrylic/pure acrylic emulsion with the same Tg

2.3 乳液粒径对涂膜吸水性的影响

乳液粒径尺寸对涂膜吸水性的影响见图5。

图5 乳液粒径尺寸对涂膜吸水性的影响Figure 5 Effect of particle size of emulsion on water absorption of film

由图5可见，乳液粒径较大时，则成膜性能相对较差，常现出快速的水渗透性；而乳液粒径较小时，能形成更为连续的涂膜，吸水较慢，但是涂膜长期浸入水中后，常常会得到较高的吸水率。

2.4 涂膜的水汽透过率与吸水性之间的关系

涂膜的水汽透过率与吸水性是相互联系的。Kossmann和Schwartzanzh按照DIN 52615—1987标准进行了试验，结果（图6）证明苯丙乳液涂膜的水汽透过率比纯丙乳液低。试验循环是将涂膜浸入水中24 h后取出，再在50 ℃条件下干燥48 h。涂膜预先在室温条件下干燥几天（保持恒重），干膜厚度约500 μm。对所有的乳液而言，其涂膜的水汽透过率随着试验循环次数的增加而降低。相比纯丙乳液，苯丙乳液涂膜的水汽透过率下降幅度较小。

图6 聚合物分散体涂膜的水汽透过速率Figure 6 Water vapor transmission rate of polymer dispersion coating

在上述试验中，涂膜放入水中一段时间，期间干燥一段时间，观察到涂膜的水汽透过率降低，其实涂膜的吸水性也同时下降。这可以认为是涂膜中水溶性组分被浸滤掉，膜的质量得到了改进，另外水透过涂膜的微细毛孔时，会与亲水的羧基基团结合，使胶膜溶胀，使透过的水量减少，当然水汽的通过能力也相应减少了。

以上介绍的仅是涂膜的部分情况。对于外墙涂料而言，由于整个配方中除了乳液外，还有各种颜填料、助剂等，乳液只是影响涂膜吸水性的众多因素之一。

3 透水量测试方法探究

ISO（国际标准化组织）、ASTM（美国材料与试验协会）、DIN（德国标准化学会）等对外墙涂料涂膜的防水性和水汽透过率这两个性能的测试都制定了相关的测试方法标准。因为涂膜的防水性（低的透水率）与涂膜的吸水性密切相关，这些测试方法标准均以吸水性来反映涂膜的防水性能。我国也已经制定了JG/T 343—2011《外墙涂料吸水性的测定及分级》（修改采用EN 1062-3：2008《色漆和清漆-涂层材料和涂层系统外部砖石和混凝土-第3部分：测定液态水渗透性》）和JG/T 309—2011《外墙涂料水蒸气透过率的测定及分级》（修改采用ISO 7783-2—1999色漆和清漆 外部砖石工程和混凝土用涂覆材料和涂覆体系 第2部分：水蒸气渗透率的测定和分类 ）两个测试方法标准。

在GB/T 9755—2014《合成树脂乳液外墙涂料》标准中，使用透水性指标作为衡量涂膜的防水性能指标。检测设备采用倒漏斗装置，具体为：在符合标准规定的无石棉水泥平板上按照要求涂刷湿膜厚度为（120+80）μm的涂料，在标准环境下养护7 d，将透水性实验装置放在试板的中部，用不吸水的密封材料密封，干燥后将水缓慢注入玻璃管内，直至试管的零刻度线，确认容器中没有气泡，并用锡箔纸包住玻璃管顶端，在标准环境下静置24 h后，观察并记录液面下降的毫升数。整个测试过程均在标准环境下进行。实验装置如图7所示。

图7 透水性试验装置Figure 7 Water permeability test device

在实践过程中发现，相同产品在不同实验室的测试结果有时相差很大。人们对一些影响因素进行了对比测试，发现不同的水质、不同的养护时间、不同的环境温度和湿度对透水性的实验结果基本没有产生影响，而测试用底板对透水性的测试结果影响最大。

按照标准规定，透水性测试用底板应是符合JC/T 412.1—2006中NAF H Ⅴ级要求的无石棉水泥平板，即标准中规定的高密度、抗折强度为Ⅴ级的无石棉水泥平板。其密度D应为1.4 g/cm3＜D≤1.7 g/cm3，吸水率≤28 %。GB/T 9755—2014还补充规定原试板（未涂涂料试板）24 h的初始透水性值不小于4 mL。

表1是对不同来源的无石棉水泥平板（浸水前后）透水性的测试结果。由表1可见，无石棉水泥平板的密度和透水性存在差异。标准规定原试板24 h的初始透水性值不小于4 mL，但没有规定上限，即原试板24 h的初始透水性值为4 mL和8 mL都被认为是符合要求的。试板密度和初始透水性的差异对涂膜透水性的测试结果影响很大。

表1 不同无石棉水泥平板（浸水前后）透水性测试结果Table 1 Test results of water permeability（before and after immersion）of different asbestos-free cement plates

为了排除底板对涂膜透水性的影响，笔者尝试把涂膜从底板上脱模，测试纯涂膜的透水性。具体方法是在平板玻璃上涂上一层蜡，然后在蜡上涂覆涂料，待涂料膜干燥后，小心地把涂膜从玻璃底板上铲下。然后按照标准规定的方法，将透水性实验装置（漏斗）放在涂膜的中部，用不吸水的密封材料密封，密封材料干燥后将水缓慢注入玻璃管内，直至试管的零刻度线，确认容器中没有气泡，并用锡箔纸包住玻璃管顶端，在标准环境下静置一段时间后，观察并记录液面下降的毫升数。

对涂膜（无底板）的透水性进行了测试，并与有底板的涂膜进行对比。结果如表2、表3所示。

表2 外墙涂料的透水性（干膜厚度约100 μm）Table 2 Water permeability of exterior wall coatings（dry film thickness approx. 100 μm）

表3 弹性涂料的透水性Table 3 Permeability of elastic coatings

由表2、3的数据可见，没有底板的涂膜透水性较大。而加上底板后，则涂膜透水性明显减少。经多次测试，在整个涂膜+底板体系中，阻止水透过的主要因素是底板，而不是涂膜。该测试结果也证明了“测试用底板对涂膜透水性测试结果影响最大”的结论。

笔者又对真石漆的涂膜进行了涂膜透水性的测试。真石漆的涂膜较厚，干膜厚度达5 mm。真石漆涂膜透水性试验照片见图8，真石漆涂膜透水性测试结果见表4。

图8 真石漆涂膜的透水性测试Figure 8 Permeability tests of true stone paint film

表4 真石漆涂膜的透水性测试结果Table 4 Test results of water permeability of true stone paint film

尽管涂膜厚度达5 mm，比一般平涂外墙乳胶漆涂膜厚许多，但是真石漆涂膜几乎没有阻水性。水可以“直透”涂膜往下滴。

由于没有符合JG/T 343—2011（EN 1062-3：2008）规定的吸水性测试用底材灰砂砖。所以笔者没有按照这个测试方法测试真石漆涂膜的吸水性，也就无法计算真石漆涂膜的拒水性和透气性的综合结果。请注意这个标准中规定的底材灰砂砖与JG/T 24—2018《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》中吸水性测试用底材水泥砂浆块是不一样的。灰砂砖规定的吸水性约为3.0~7.7 kg/（m2·h0.5），而水泥砂浆块的吸水性约为2.0~3.0 kg/（m2·h0.5）。

经试验发现，往漏斗中注水到一定高度时就会出现直透水的现象，即到达一定水压时涂膜就会大量透水。当水位降到高度约15 mm左右时，透水明显降低，甚至停止。在对一般乳胶漆涂膜进行透水性测试时，也发现类似现象，即水位降到一定高度时，涂膜透水情况停止。这说明涂膜的透水性与受到的水压有关。GB/T 9755—2014规定的透水性测试方法中玻璃漏斗中注水的高度达125 mm。这与外墙涂料涂膜实际情况中可能受到的水压差别较大。JG/T 343—2011《外墙涂料吸水性的测定及分级》使用的是欧洲普遍采用的 EN 1062-3：2008中规定的方法，即将待测涂料涂覆于多孔矿物底材的一个表面，制备成试件。将试件浸入水中，在规定的条件下，称出该试件质量，根据试件浸水前后质量的变化来测定吸水性，并规定保持涂有涂料的面位于水面下5~10 mm。所以不存在涂膜面受到较高水压影响的问题。

4 思考与讨论

（1） 外墙涂料涂膜的防水性（吸水率）和水汽透过率是其重要的性能指标。这两个性能是相辅相成，又相互矛盾的，不能片面强调一个方面。JG/T 512—2017《建筑外墙涂料通用技术要求》中包括有吸水性和水蒸汽透过率两项指标要求。GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》对用于外保温墙体和内保温墙体的外饰面层涂料都要求选用具有防水透气性能的涂料。GB/T 9755—2014《合成树脂乳液外墙涂料》标准在修订版中第一次加入了透水性指标，并对合格品、一等品和优等品的透水性指标分别进行了设定，可以认为GB/T 9755—2014提倡涂膜透水性越低越好，但是没有同时对涂膜的水汽透过率提出要求。透水性越低的涂膜其水汽透过率也会越低，过低的水汽透过率会使涂膜的水汽渗透阻力过高，影响外墙涂料涂膜的综合性能。从这点来看，GB/T 9755—2014在这方面的引导作用较为片面，建议标准制定者对此进行进一步修订。

（2） 对于不同的环境条件，对外墙涂膜的吸水系数（透水量）和水汽透过率要求是不是需要同一个指标值？

欧洲标准EN-1062-1：2004在对外墙涂料的分级中，对涂膜的这两个性能明确进行了分级（这个标准1996版中没有对水汽透过率和吸水系数两个指标分级，而在2004年修订时增加了这两个指标分级的内容），具体要求如表5所示，以适应不同环境条件的需要。

表5 EN-1062-1：2004中水汽透过率和吸水系数的分级Table 5 Classification of water vapor transmittance and water absorption coefficient in EN-1062-1：2004

可见在不同的使用环境条件下，对涂膜的吸水系数（透水量）和水汽透过率应该有不同的要求，不应该固定在Künzel外墙涂料保护理论规定的W≤0.5 kg/（m2·h0.5）和Sd≤2 m的统一数值上。

GB/T 9755—2014《合成树脂乳液 外墙涂料》没有考虑中国地域广阔，南北东西气候情况差异很大，只对其合格品、一等品和优等品制订了不同的透水性指标，每个产品等级定在一个统一的数值。透水量较高的涂料就不能被评定为优等品。其实在一定环境条件下，如果对涂膜吸水性要求并不高，那么吸水性指标可以适当放宽（吸水量稍高些）以兼顾其它性能，这样的外墙涂料也可以是优等品。EN-1062-1：2004对涂膜水汽透过率和吸水系数两个性能的分级是为了适应不同的需求，不存在优劣之分。

（3） 涂膜过高的透水性，会使水渗入涂膜，造成墙体结构内部受潮，影响建筑结构的完整性、耐久性和安全性。从理论上讲，以上试验所显示的真石漆涂膜的高透水性应该对整个墙面的保护性能的负面影响较大。但真石漆在我国作为外墙涂料大面积使用已有多年，实际使用中并没有因为其涂膜透水性高而出现大量的破坏墙体基面耐久性、底面（包括腻子层）的疏松起壳、涂膜起鼓、脱落等投诉。

为了将外墙体的潮气状况和明确定义的外涂层（厚质砂浆或涂料）的温湿特性联系起来，必须分析自然润湿和干燥过程。Künzel等对涂和不涂不同类型厚质砂浆涂层的蒸气加压混凝土（AAC）墙体构件的水分状况进行了考察，测量了含水量的变化，这种变化在雨水吸收和随后在干燥气候条件下水分的释放之间达到平衡。经试验发现，有砂浆防水涂层的墙壁不会吸收大量的雨水。这意味着这种涂层的毛细管输送能力很小，AAC砌块里的初始水分以水汽形式通过涂层扩散出去了。涂有传统砂浆墙体的吸水率与没涂砂浆的墙体相似，但由于砂浆层的存在大大减少了水的释放，墙体中能加速无涂层砌块干燥过程的毛细传输似乎受到阻塞，这种毛细阻塞只出现在干燥过程中，因此，涂层中剩余水分的输送很可能是纯粹的水汽扩散，它远远低于毛细管抽吸作用。这说明涂层的水汽透过性能对墙体受潮后的干燥至关重要。

真石漆涂膜透水率较高，水汽透过率也较高，实践证明使用效果不错。Künzel外墙涂料保护理论是否适用于真石漆？希望能引起广大的涂料技术人员对外墙涂膜保护理论的进一步思考。