當(dāng)下，許多細(xì)分涂料市場(chǎng)對(duì)高性能水性涂料的需求仍然是主要趨勢(shì)。其中，木地板、櫥柜和家具涂料對(duì)這一需求尤其明顯。為了迎合該趨勢(shì)，急需開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的解決方案來(lái)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(hù)性。目前，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在多種樹(shù)脂體系中證實(shí)過(guò)一種全新且易于使用的有效方法來(lái)提高水性木器涂料的耐劃傷性。在保持涂膜性能的同時(shí)，提高抗劃傷性的性能測(cè)試將在性能超過(guò)同類(lèi)競(jìng)品的水性涂料、紫外線（UV）固化體系中進(jìn)行。

簡(jiǎn) 介

一般來(lái)說(shuō)，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(hù)性能，其耐久性的含義可能會(huì)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(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致涂層早期保護(hù)性能失效。在工業(yè)木器涂料市場(chǎng)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(jiàn)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(dòng)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(shù)脂體系、熔點(diǎn)、顆粒大小和密度等特點(diǎn)，才可以達(dá)到蠟助劑生產(chǎn)商所吹捧的優(yōu)勢(shì)。PTFE聚四氟乙烯，是一種堅(jiān)韌的蠟狀合成樹(shù)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(lái)改善劃痕。氧化鋁、鋯和硅酸鹽是常見(jiàn)已知的具有高莫氏硬度的材料。這類(lèi)材料的密度也很高，因此很難將其懸浮在涂層表面，故而對(duì)涂層的抗劃傷性有很大影響。而且通常來(lái)說(shuō)，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(lái)，最新的納米技術(shù)為高光澤透明材料配方的改進(jìn)提供了契機(jī)。4抗劃傷性能在高光澤涂層中非常重要，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)缺陷，很容易被觀察到。納米材料在提供相同硬度的同時(shí)，會(huì)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(shí)會(huì)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(diǎn)，納米顆粒具有抗劃傷性能，同時(shí)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(duì)比市場(chǎng)產(chǎn)品的性能測(cè)試試驗(yàn)。

實(shí) 驗(yàn)

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(jiàn)表1。這項(xiàng)研究，對(duì)每種助劑進(jìn)行至少三個(gè)梯度的試驗(yàn)，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(guò)了下面列出的所有測(cè)試。使用無(wú)抗劃傷助劑的涂料配方作為（空白）對(duì)照。為了便于識(shí)別產(chǎn)品，本文將使用示例ID。

表1：根據(jù)配方質(zhì)量評(píng)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(cè)試三種助劑的性能。這種類(lèi)型的配方可以為木制櫥柜和家具提供保護(hù)和美化作用。該涂層經(jīng)過(guò)廚柜制造商協(xié)會(huì)（KCMA）和辦公家具標(biāo)準(zhǔn)確定的關(guān)鍵性能測(cè)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(píng)估的UV光固化木器漆的配方成分見(jiàn)表2。這是一種固體含量為25%的配方，使用Tg為51°C的樹(shù)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(guò)美國(guó)紫外固化系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的鹵素汞燈，每次通過(guò)時(shí)輻射度約300 mj/cm2。

表2：用于評(píng)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(yǔ)。整個(gè)涂料行業(yè)有很多測(cè)試方法，但卻不可能以單一方法的測(cè)試結(jié)果定義其硬度。硬度可以從很多方面來(lái)解釋?zhuān)瑹o(wú)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(cè)試方法來(lái)表征涂層的硬度屬性。在這項(xiàng)研究中，抗劃傷性是通過(guò)比較在載重為兩磅的情況下對(duì)1號(hào)鋼絲棉進(jìn)行10次、25次和50次來(lái)回摩擦后20°光澤值的變化來(lái)測(cè)量的。泰伯耐磨性則是在1000克重量下，使用CS-17砂輪進(jìn)行1000次磨耗測(cè)試。試驗(yàn)前在樺木飾面板上涂三層涂料進(jìn)行泰伯試驗(yàn)。鉛筆硬度試驗(yàn)則是在玻璃基材上測(cè)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(píng)估光澤度和霧度。使用光澤計(jì)測(cè)試20°/60°/85°的數(shù)值。通過(guò)在玻璃板上涂布漆膜，可以直觀地評(píng)估涂膜的霧度。

漆膜的附著力根據(jù)美標(biāo)ASTM D3359標(biāo)準(zhǔn)在樺木和玻璃板基材上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)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(kāi)裂性測(cè)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(yàn)。涂層板在-20°C下放置在冰箱中一小時(shí)。然后將面板立即轉(zhuǎn)移到80°C烤箱中放置一小時(shí)。每次循環(huán)后，觀察面板是否變色或開(kāi)裂。

抗形變測(cè)試是將常見(jiàn)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(shí)。檢測(cè)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(shí)，觀察涂層的恢復(fù)情況。

除水漬試驗(yàn)外，還通過(guò)在玻璃板上涂覆一層涂層，經(jīng)過(guò)固化，然后分別在距離4小時(shí)和24小時(shí)將其浸入水中觀察，并在24小時(shí)恢復(fù)后進(jìn)行涂層試驗(yàn)。觀察涂層的發(fā)紅和起皺情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在特定涂層應(yīng)用中，樹(shù)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(dá)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(zhǎng)的干燥時(shí)間，或者強(qiáng)制風(fēng)干才能達(dá)到類(lèi)似的效果。而應(yīng)用配方則可以通過(guò)添加本研究中確定的助劑來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)抗劃傷性能。圖1顯示了每種助劑處于最佳添加量時(shí)，UV光固化涂料體系的抗劃傷性。圖中曲線的關(guān)鍵測(cè)量值是在用鋼絲棉來(lái)回擦拭固定次數(shù)后測(cè)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(jìn)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。總體來(lái)說(shuō)，其他助劑對(duì)比空白對(duì)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(lái)測(cè)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(lái)測(cè)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(yán)格控制測(cè)試技術(shù)的數(shù)據(jù)集時(shí)，該方法則是一個(gè)有價(jià)值的工具。在該數(shù)據(jù)集內(nèi)，劃痕測(cè)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(jìng)品的兩倍。圖2顯示了每種助劑對(duì)涂層硬度的影響。

圖2：根據(jù)美標(biāo)ASTM D3363測(cè)試鉛筆硬度

測(cè)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(cè)量涂層的質(zhì)量損失。該測(cè)試測(cè)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(diǎn)。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(shù)脂體系的硬度控制，但該測(cè)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(cè)試

該系列測(cè)試中的其余性能對(duì)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(jìn)一步改善這些性能。制備涂料時(shí)，一種性能提高往往會(huì)導(dǎo)致另一種性能下降。其性能的平衡每個(gè)配方師都能給出不同的評(píng)價(jià)，其結(jié)果是任何特定涂層都存在一定的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。因此，必須對(duì)所有關(guān)鍵性能進(jìn)行測(cè)試，才可以獲得涂層耐久性的真實(shí)測(cè)量值。

抗劃傷助劑能夠影響的一個(gè)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(duì)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(jí)。粒度可能是決定光澤度降低程度的關(guān)鍵屬性。在測(cè)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(lèi)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(guò)20°角光澤值對(duì)比空白樣的變化來(lái)解釋。霧度的視覺(jué)表現(xiàn)是通過(guò)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(jué)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(yàn)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(wú)論是哪種類(lèi)型的涂層，在提高其他性能時(shí)，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(cè)試附著力的標(biāo)準(zhǔn)，該方法可以用來(lái)表征樣品之間附著力較大差異的結(jié)果，由0到5等級(jí)表示。一般來(lái)說(shuō)，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(dá)到5B級(jí)。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(duì)涂層的表面能有顯著影響。因此，當(dāng)應(yīng)用時(shí)存在多層涂層，其性能表現(xiàn)往往會(huì)非常差。為了放大樣品間的差異性，通常也會(huì)在玻璃基材上測(cè)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(cè)試結(jié)果。

表4 劃格法附著力測(cè)試結(jié)果

耐化學(xué)污漬測(cè)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(shí)后進(jìn)行評(píng)估的，這種模擬的測(cè)試方法相對(duì)嚴(yán)苛一些。表5匯總了其測(cè)試結(jié)果。采用以下級(jí)別對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)：
5 無(wú)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(shí)后耐化學(xué)污漬測(cè)試等級(jí)

空白對(duì)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(duì)照樣具有相同的性能等級(jí)。從綜合結(jié)果來(lái)看，NSD性能表現(xiàn)的分?jǐn)?shù)比空白對(duì)比樣更高。PEW的耐化學(xué)性稍差，其他產(chǎn)品都沒(méi)有顯著區(qū)別。

恢復(fù)等級(jí)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下表(表6)。24小時(shí)后，NSSD具有與空白對(duì)照組相同的累積分?jǐn)?shù)。事實(shí)上，所有產(chǎn)品在恢復(fù)期后其性能評(píng)級(jí)都會(huì)相應(yīng)提高。其中PTFE、PEW和NSD三種產(chǎn)品優(yōu)于對(duì)照組。

表6：24h后耐化學(xué)污漬恢復(fù)性測(cè)試

在化學(xué)污漬測(cè)試中，耐水性同時(shí)也會(huì)被測(cè)量。而且，在玻璃基材的浸水測(cè)試中還會(huì)進(jìn)一步測(cè)試耐水性。對(duì)大多數(shù)涂層而言，在玻璃基材上測(cè)試附著力是一種苛刻的檢測(cè)方法。在常溫水中浸泡4小時(shí)和24小時(shí)后即可表征涂層的疏水性之間的差異。測(cè)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(qǐng)見(jiàn)表7。該測(cè)試進(jìn)一步表明，所有產(chǎn)品對(duì)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(cè)試觀察結(jié)果

本文中助劑對(duì)低溫抗開(kāi)裂性能沒(méi)有影響。所有樣品都可以通過(guò)8個(gè)循環(huán)的極寒和極熱溫變測(cè)試。這一特性對(duì)于確保涂層材料能夠承受在多種氣候時(shí)依舊保持性能穩(wěn)定非常重要。

結(jié) 論

對(duì)于木質(zhì)櫥柜和家具來(lái)說(shuō)，抗刮傷性能是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的性能，因?yàn)樗梢匝娱L(zhǎng)這些木制品的使用時(shí)間。助劑作為重要的配方添加劑，可以改善涂料性能。綜合測(cè)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(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)含蠟產(chǎn)品影響涂層的表面能從而造成無(wú)法挽回的缺陷—附著力降低。且大多數(shù)測(cè)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(xiǎn)。這些助劑的預(yù)期效果是通過(guò)降低劃傷的可能性來(lái)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(cè)試助劑的性能）超過(guò)了涂料市場(chǎng)目前市售助劑的性能。

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