當(dāng)下，許多細分涂料市場對高性能水性涂料的需求仍然是主要趨勢。其中，木地板、櫥柜和家具涂料對這一需求尤其明顯。為了迎合該趨勢，急需開發(fā)創(chuàng)新的解決方案來提高涂料的性能。終端用戶一直在尋求增加耐久性和降低環(huán)境影響的水性涂料，比如，提高抗劃傷性將改善木器漆的持久美觀性和保護性。目前，經(jīng)過實驗已經(jīng)在多種樹脂體系中證實過一種全新且易于使用的有效方法來提高水性木器涂料的耐劃傷性。在保持涂膜性能的同時，提高抗劃傷性的性能測試將在性能超過同類競品的水性涂料、紫外線（UV）固化體系中進行。
簡 介
一般來說，所有涂層應(yīng)用中都需要關(guān)注耐久性，但根據(jù)涂層的最終用途及其所需的保護性能，其耐久性的含義可能會有很大的不同。建筑外墻涂料要求在抗紫外線和防潮方面具有優(yōu)異的耐久性，而高性能工業(yè)涂料的耐久性則指的是長期防腐性能。此外，工業(yè)木器涂料的耐用性也很重要，它要求的是外觀美觀，具備抗劃傷、抗形變的功能。除了美觀之外，漆膜上的劃痕會導(dǎo)致涂層早期保護性能失效。在工業(yè)木器涂料市場上，優(yōu)異的抗劃傷性已被視為一種不能滿足OEM需求的性能。
現(xiàn)階段，常見的大多數(shù)抗劃傷助劑依賴于蠟在涂層表面的變化。聚乙烯蠟的密度的改變，可以提供滑動性能，并使其遷移到涂層表面。但由于蠟助劑的疏水性，往往存在諸如難以分散和表面張力變化等復(fù)雜情況的表面缺陷。因此，必須充分了解蠟在各樹脂體系、熔點、顆粒大小和密度等特點，才可以達到蠟助劑生產(chǎn)商所吹捧的優(yōu)勢。PTFE聚四氟乙烯，是一種堅韌的蠟狀合成樹脂，由于其光滑的表面和疏水性，可用于許多應(yīng)用，包括抗劃傷。
其他抗劃傷助劑依賴于高硬度的礦物來改善劃痕。氧化鋁、鋯和硅酸鹽是常見已知的具有高莫氏硬度的材料。這類材料的密度也很高，因此很難將其懸浮在涂層表面，故而對涂層的抗劃傷性有很大影響。而且通常來說，它們的粒徑一般也較大，容易產(chǎn)生混濁并降低光澤度。
近年來，最新的納米技術(shù)為高光澤透明材料配方的改進提供了契機。4抗劃傷性能在高光澤涂層中非常重要，因為一旦出現(xiàn)缺陷，很容易被觀察到。納米材料在提供相同硬度的同時，會減少光澤度并保持清晰度。但是納米顆粒的高比表面積常常使其難以分散，并且在干燥狀態(tài)下使用時會產(chǎn)生呼吸健康危害。
ICL發(fā)明了一種抗劃傷助劑，它結(jié)合了硬質(zhì)硅酸鹽材料和納米顆粒的優(yōu)點，納米顆粒具有抗劃傷性能，同時還能將致密的硅酸鹽材料懸浮在涂層表面。本產(chǎn)品是一種水性涂料體系中易于使用的液體材料。現(xiàn)已完成該新品對比市場產(chǎn)品的性能測試試驗。
實 驗
選取了六種市售抗劃痕助劑，代表涂料制造商用于提高工業(yè)木器涂料耐劃痕性的常用化學(xué)品。產(chǎn)品詳情見表1。這項研究，對每種助劑進行至少三個梯度的試驗，從而根據(jù)抗劃傷性能的提升程度確定最佳添加量。每種產(chǎn)品的涂層都經(jīng)過了下面列出的所有測試。使用無抗劃傷助劑的涂料配方作為（空白）對照。為了便于識別產(chǎn)品，本文將使用示例ID。
表1：根據(jù)配方質(zhì)量評估抗劃傷助劑及其添加量
在水性UV固化的聚氨酯丙烯酸酯體系中測試三種助劑的性能。這種類型的配方可以為木制櫥柜和家具提供保護和美化作用。該涂層經(jīng)過廚柜制造商協(xié)會（KCMA）和辦公家具標(biāo)準確定的關(guān)鍵性能測試，以證明其耐久性、抗冷裂性、耐化學(xué)性、鉛筆硬度、浸水性、泰伯磨損性、附著力、光澤、霧度以及聚焦性、耐刮擦性等性能。
用于評估的UV光固化木器漆的配方成分見表2。這是一種固體含量為25%的配方，使用Tg為51°C的樹脂。每層涂層采用三步固化法：首先在環(huán)境溫度下風(fēng)干15分鐘，然后在66°C下烘箱干燥15分鐘，最后三次通過美國紫外固化系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用標(biāo)準的鹵素汞燈，每次通過時輻射度約300 mj/cm2。
表2：用于評估抗劃傷助劑的水性UV配方
硬度和耐用性一樣，都屬于具有一些歧義的術(shù)語。整個涂料行業(yè)有很多測試方法，但卻不可能以單一方法的測試結(jié)果定義其硬度。硬度可以從很多方面來解釋，無論是耐磨性、被物體穿透性還是硬度刮傷。故而，通常采用多種測試方法來表征涂層的硬度屬性。在這項研究中，抗劃傷性是通過比較在載重為兩磅的情況下對1號鋼絲棉進行10次、25次和50次來回摩擦后20°光澤值的變化來測量的。泰伯耐磨性則是在1000克重量下，使用CS-17砂輪進行1000次磨耗測試。試驗前在樺木飾面板上涂三層涂料進行泰伯試驗。鉛筆硬度試驗則是在玻璃基材上測試單層漆膜。
在Leneta卡上涂布3密耳濕膜并按前文所述條件固化后評估光澤度和霧度。使用光澤計測試20°/60°/85°的數(shù)值。通過在玻璃板上涂布漆膜，可以直觀地評估涂膜的霧度。
漆膜的附著力根據(jù)美標(biāo)ASTM D3359標(biāo)準在樺木和玻璃板基材上進行測試。測試木板用HPLV噴霧器噴涂四層透明涂層，每層厚度1-1.25密耳。
抗開裂性測試方法是將樺木面板涂層在低溫和高溫條件下循環(huán)試驗。涂層板在-20°C下放置在冰箱中一小時。然后將面板立即轉(zhuǎn)移到80°C烤箱中放置一小時。每次循環(huán)后，觀察面板是否變色或開裂。
抗形變測試是將常見的家常食品和化學(xué)品涂布少許在涂膜上，而后蓋上表面皿，放置24小時。檢測物質(zhì)為水、50%的409溶液、紅酒、醋、檸檬汁、橙汁、葡萄汁、芥末、番茄醬、咖啡、橄欖油和100%乙醇。污漬清除大約24小時，觀察涂層的恢復(fù)情況。
除水漬試驗外，還通過在玻璃板上涂覆一層涂層，經(jīng)過固化，然后分別在距離4小時和24小時將其浸入水中觀察，并在24小時恢復(fù)后進行涂層試驗。觀察涂層的發(fā)紅和起皺情況。
實驗結(jié)果
在特定涂層應(yīng)用中，樹脂體系是提供所需的抗劃傷性能的主要成分。UV固化涂層能夠在紫外固化階段完成后立即達到高硬度水平。傳統(tǒng)的水性涂料在環(huán)境條件下需要更長的干燥時間，或者強制風(fēng)干才能達到類似的效果。而應(yīng)用配方則可以通過添加本研究中確定的助劑來進一步增強抗劃傷性能。圖1顯示了每種助劑處于最佳添加量時，UV光固化涂料體系的抗劃傷性。圖中曲線的關(guān)鍵測量值是在用鋼絲棉來回擦拭固定次數(shù)后測量的20°光澤的失光百分比。結(jié)果顯示，納米穩(wěn)定性硅酸鹽分散體(NSSD)在該系列中比其他所有產(chǎn)品的（抗劃傷性）改進效果更加顯著。NSSD的關(guān)鍵成分兼具硬度及懸浮在涂層表面的流變性能，使其在這種高光澤透明配方中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗劃傷性能。其次，表現(xiàn)較好的助劑是含有聚四氟乙烯的蠟分散體，其光澤損失是NSSD的三倍。此外，納米復(fù)合材料顯示出與聚四氟乙烯相似的抗劃傷性?？傮w來說，其他助劑對比空白對照樣，抗劃傷性能均有一定的改善。
圖1：根據(jù)20°角失光度百分比來測量抗劃傷性能
ASTM D3363，通常被稱為鉛筆硬度，描述了使用已知硬度的鉛來測量涂層的耐劃傷性方法。雖然結(jié)果可能因操作員和鉛本身而異，但當(dāng)嚴格控制測試技術(shù)的數(shù)據(jù)集時，該方法則是一個有價值的工具。在該數(shù)據(jù)集內(nèi)，劃痕測試中顯示的硬度也反映在鉛筆硬度結(jié)果中。NSSD的硬度是性能排在第二的競品的兩倍。圖2顯示了每種助劑對涂層硬度的影響。
圖2：根據(jù)美標(biāo)ASTM D3363測試鉛筆硬度
測量涂層硬度的第三種方法是ASTM D4060的泰伯耐磨性。如表3所示，在500和1000次循環(huán)后測量涂層的質(zhì)量損失。該測試測量涂層抵抗逐漸磨損的能力和由劃痕引起的形變。這種方法可以有效確定劃傷和磨損性能的平衡點。結(jié)果表明，所有助劑都為涂層體系或多或少提供了一定的益處?；瘜W(xué)物質(zhì)HDPE、NAOD和NCS都可以改善磨損，而NSSD提升耐磨損的效果一般。耐磨性主要由樹脂體系的硬度控制，但該測試結(jié)果顯示助劑也能起到一定的作用。
表3：在質(zhì)量損失下的泰伯耐磨性測試
該系列測試中的其余性能對于研究高性能、性能均衡的木器漆非常重要，但本研究中的助劑并未打算進一步改善這些性能。制備涂料時，一種性能提高往往會導(dǎo)致另一種性能下降。其性能的平衡每個配方師都能給出不同的評價，其結(jié)果是任何特定涂層都存在一定的優(yōu)勢和劣勢。因此，必須對所有關(guān)鍵性能進行測試，才可以獲得涂層耐久性的真實測量值。
抗劃傷助劑能夠影響的一個關(guān)鍵特性是光澤變化（圖3）。最初的光澤度數(shù)值顯示，許多助劑在最佳添加量下產(chǎn)生的光澤度損失最小，包括HDPE、NAOD、NSD和NCS。這四種產(chǎn)品中有三種是基于納米粒子技術(shù)，這可能解釋了它們對光澤度影響較小的原因。NSSD的光澤度略有下降，但仍屬于高光等級。粒度可能是決定光澤度降低程度的關(guān)鍵屬性。在測試的添加劑中，PEW的粒徑最大，因此光澤度顯著降低。透明涂層的霧度或不透明度也有類似的結(jié)論。重要的是，透明涂層使基材盡可能不變形。而透明度則由所用材料的折射率及其主要顆粒尺寸控制。霧度可以通過20°角光澤值對比空白樣的變化來解釋。霧度的視覺表現(xiàn)是通過在玻璃上涂一層薄膜后，將一副圖案置于薄膜后，觀察圖案的失真，如圖4所示。本文中PEW是唯一一種具有視覺失真的助劑。
圖3 后添加每種抗劃傷助劑后涂層的光澤度
圖4 霧度試驗是將涂膜涂布在玻璃板上后，背面放置一幅圖案，觀察圖案的失真程度
無論是哪種類型的涂層，在提高其他性能時，附著力都是必須保持的關(guān)鍵性能。根據(jù)ASTM D3359十字膠帶撕脫測試附著力的標(biāo)準，該方法可以用來表征樣品之間附著力較大差異的結(jié)果，由0到5等級表示。一般來說，由于其多孔性，很容易與木材表面粘合。所有助劑在木材上的附著力都能達到5B級。但PTFE和HDPE卻使木材的不同涂層間附著力失效，這就意味著助劑對涂層的表面能有顯著影響。因此，當(dāng)應(yīng)用時存在多層涂層，其性能表現(xiàn)往往會非常差。為了放大樣品間的差異性，通常也會在玻璃基材上測試附著力。表4列出了在玻璃基材、木材和涂層間附著力的測試結(jié)果。
表4 劃格法附著力測試結(jié)果
耐化學(xué)污漬測試是將污漬暴露在便于觀察的透明玻璃下的漆膜上，放置24小時后進行評估的，這種模擬的測試方法相對嚴苛一些。表5匯總了其測試結(jié)果。采用以下級別對結(jié)果進行分類：
5 無影響
4 留下圓痕
3 顏色/光澤變化
2 漆膜變軟
1 鼓泡
0 漆膜脫落
表5—暴露24小時后耐化學(xué)污漬測試等級
空白對照樣和添加助劑的配方之間的關(guān)鍵區(qū)別是耐水性略有下降。只有PTFE樣品顯示出與空白對照樣具有相同的性能等級。從綜合結(jié)果來看，NSD性能表現(xiàn)的分數(shù)比空白對比樣更高。PEW的耐化學(xué)性稍差，其他產(chǎn)品都沒有顯著區(qū)別。
恢復(fù)等級測試結(jié)果見下表(表6)。24小時后，NSSD具有與空白對照組相同的累積分數(shù)。事實上，所有產(chǎn)品在恢復(fù)期后其性能評級都會相應(yīng)提高。其中PTFE、PEW和NSD三種產(chǎn)品優(yōu)于對照組。
表6：24h后耐化學(xué)污漬恢復(fù)性測試
在化學(xué)污漬測試中，耐水性同時也會被測量。而且，在玻璃基材的浸水測試中還會進一步測試耐水性。對大多數(shù)涂層而言，在玻璃基材上測試附著力是一種苛刻的檢測方法。在常溫水中浸泡4小時和24小時后即可表征涂層的疏水性之間的差異。測試照片很難拍攝出效果，但是涂層浸水后的性能結(jié)果詳情請見表7。該測試進一步表明，所有產(chǎn)品對這種水性UV固化涂料的耐水性都有不同程度的影響。
表7：浸水測試觀察結(jié)果
本文中助劑對低溫抗開裂性能沒有影響。所有樣品都可以通過8個循環(huán)的極寒和極熱溫變測試。這一特性對于確保涂層材料能夠承受在多種氣候時依舊保持性能穩(wěn)定非常重要。
結(jié) 論
對于木質(zhì)櫥柜和家具來說，抗刮傷性能是一項非常關(guān)鍵的性能，因為它可以延長這些木制品的使用時間。助劑作為重要的配方添加劑，可以改善涂料性能。綜合測試結(jié)果，可以看出助劑能夠影響高光澤透明涂層的性能。在PTFE和HDPE性能測試過程中，發(fā)現(xiàn)含蠟產(chǎn)品影響涂層的表面能從而造成無法挽回的缺陷—附著力降低。且大多數(shù)測試中抗劃傷助劑在耐化學(xué)性和耐水性方面都有一定的性能下降風(fēng)險。這些助劑的預(yù)期效果是通過降低劃傷的可能性來提高涂層的耐久性。只有NSSD在抗劃傷性能方面有較好的表現(xiàn)，而在其他性能方面的表現(xiàn)卻有所下降。這些結(jié)果顯示（本文測試助劑的性能）超過了涂料市場目前市售助劑的性能。
文章來源：PCI可名文化
