如何提高水性木器漆的抗劃傷性？

當下，許多細分塗料市場對高性能水性塗料的需求仍然是主要趨勢。其中，木地板、櫥櫃和家具塗料對這一需求尤其明顯。為(wei) 了迎合該趨勢，急需開發創新的解決(jue) 方案來提高塗料的性能。終端用戶一直在尋求增加耐久性和降低環境影響的水性塗料，比如，提高抗劃傷(shang) 性將改善木器漆的持久美觀性和保護性。目前，經過實驗已經在多種樹脂體(ti) 係中證實過一種全新且易於(yu) 使用的有效方法來提高水性木器塗料的耐劃傷(shang) 性。在保持塗膜性能的同時，提高抗劃傷(shang) 性的性能測試將在性能超過同類競品的水性塗料、紫外線（UV）固化體(ti) 係中進行。

簡 介

一般來說，所有塗層應用中都需要關(guan) 注耐久性，但根據塗層的最終用途及其所需的保護性能，其耐久性的含義(yi) 可能會(hui) 有很大的不同。建築外牆塗料要求在抗紫外線和防潮方麵具有優(you) 異的耐久性，而高性能工業(ye) 塗料的耐久性則指的是長期防腐性能。此外，工業(ye) 木器塗料的耐用性也很重要，它要求的是外觀美觀，具備抗劃傷(shang) 、抗形變的功能。除了美觀之外，漆膜上的劃痕會(hui) 導致塗層早期保護性能失效。在工業(ye) 木器塗料市場上，優(you) 異的抗劃傷(shang) 性已被視為(wei) 一種不能滿足OEM需求的性能。

現階段，常見的大多數抗劃傷(shang) 助劑依賴於(yu) 蠟在塗層表麵的變化。聚乙烯蠟的密度的改變，可以提供滑動性能，並使其遷移到塗層表麵。但由於(yu) 蠟助劑的疏水性，往往存在諸如難以分散和表麵張力變化等複雜情況的表麵缺陷。因此，必須充分了解蠟在各樹脂體(ti) 係、熔點、顆粒大小和密度等特點，才可以達到蠟助劑生產(chan) 商所吹捧的優(you) 勢。PTFE聚四氟乙烯，是一種堅韌的蠟狀合成樹脂，由於(yu) 其光滑的表麵和疏水性，可用於(yu) 許多應用，包括抗劃傷(shang) 。

其他抗劃傷(shang) 助劑依賴於(yu) 高硬度的礦物來改善劃痕。氧化鋁、鋯和矽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塗層表麵，故而對塗層的抗劃傷(shang) 性有很大影響。而且通常來說，它們(men) 的粒徑一般也較大，容易產(chan) 生混濁並降低光澤度。

近年來，最新的納米技術為(wei) 高光澤透明材料配方的改進提供了契機。4抗劃傷(shang) 性能在高光澤塗層中非常重要，因為(wei) 一旦出現缺陷，很容易被觀察到。納米材料在提供相同硬度的同時，會(hui) 減少光澤度並保持清晰度。但是納米顆粒的高比表麵積常常使其難以分散，並且在幹燥狀態下使用時會(hui) 產(chan) 生呼吸健康危害。

ICL發明了一種抗劃傷(shang) 助劑，它結合了硬質矽酸鹽材料和納米顆粒的優(you) 點，納米顆粒具有抗劃傷(shang) 性能，同時還能將致密的矽酸鹽材料懸浮在塗層表麵。本產(chan) 品是一種水性塗料體(ti) 係中易於(yu) 使用的液體(ti) 材料。現已完成該新品對比市場產(chan) 品的性能測試試驗。

實 驗

選取了六種市售抗劃痕助劑，代表塗料製造商用於(yu) 提高工業(ye) 木器塗料耐劃痕性的常用化學品。產(chan) 品詳情見表1。這項研究，對每種助劑進行至少三個(ge) 梯度的試驗，從(cong) 而根據抗劃傷(shang) 性能的提升程度確定最佳添加量。每種產(chan) 品的塗層都經過了下麵列出的所有測試。使用無抗劃傷(shang) 助劑的塗料配方作為(wei) （空白）對照。為(wei) 了便於(yu) 識別產(chan) 品，本文將使用示例ID。

表1：根據配方質量評估抗劃傷(shang) 助劑及其添加量

在水性UV固化的聚氨酯丙烯酸酯體(ti) 係中測試三種助劑的性能。這種類型的配方可以為(wei) 木製櫥櫃和家具提供保護和美化作用。該塗層經過廚櫃製造商協會(hui) （KCMA）和辦公家具標準確定的關(guan) 鍵性能測試，以證明其耐久性、抗冷裂性、耐化學性、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。

用於(yu) 評估的UV光固化木器漆的配方成分見表2。這是一種固體(ti) 含量為(wei) 25%的配方，使用Tg為(wei) 51°C的樹脂。每層塗層采用三步固化法：首先在環境溫度下風幹15分鍾，然後在66°C下烘箱幹燥15分鍾，最後三次通過美國紫外固化係統，該係統使用標準的鹵素汞燈，每次通過時輻射度約300 mj/cm2。

表2：用於(yu) 評估抗劃傷(shang) 助劑的水性UV配方

硬度和耐用性一樣，都屬於(yu) 具有一些歧義(yi) 的術語。整個(ge) 塗料行業(ye) 有很多測試方法，但卻不可能以單一方法的測試結果定義(yi) 其硬度。硬度可以從(cong) 很多方麵來解釋，無論是耐磨性、被物體(ti) 穿透性還是硬度刮傷(shang) 。故而，通常采用多種測試方法來表征塗層的硬度屬性。在這項研究中，抗劃傷(shang) 性是通過比較在載重為(wei) 兩(liang) 磅的情況下對1號鋼絲(si) 棉進行10次、25次和50次來回摩擦後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。試驗前在樺木飾麵板上塗三層塗料進行泰伯試驗。鉛筆硬度試驗則是在玻璃基材上測試單層漆膜。

在Leneta卡上塗布3密耳濕膜並按前文所述條件固化後評估光澤度和霧度。使用光澤計測試20°/60°/85°的數值。通過在玻璃板上塗布漆膜，可以直觀地評估塗膜的霧度。

漆膜的附著力根據美標ASTM D3359標準在樺木和玻璃板基材上進行測試。測試木板用HPLV噴霧器噴塗四層透明塗層，每層厚度1-1.25密耳。

抗開裂性測試方法是將樺木麵板塗層在低溫和高溫條件下循環試驗。塗層板在-20°C下放置在冰箱中一小時。然後將麵板立即轉移到80°C烤箱中放置一小時。每次循環後，觀察麵板是否變色或開裂。

抗形變測試是將常見的家常食品和化學品塗布少許在塗膜上，而後蓋上表麵皿，放置24小時。檢測物質為(wei) 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。汙漬清除大約24小時，觀察塗層的恢複情況。

除水漬試驗外，還通過在玻璃板上塗覆一層塗層，經過固化，然後分別在距離4小時和24小時將其浸入水中觀察，並在24小時恢複後進行塗層試驗。觀察塗層的發紅和起皺情況。

實驗結果

在特定塗層應用中，樹脂體(ti) 係是提供所需的抗劃傷(shang) 性能的主要成分。UV固化塗層能夠在紫外固化階段完成後立即達到高硬度水平。傳(chuan) 統的水性塗料在環境條件下需要更長的幹燥時間，或者強製風幹才能達到類似的效果。而應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(shang) 性能。圖1顯示了每種助劑處於(yu) 最佳添加量時，UV光固化塗料體(ti) 係的抗劃傷(shang) 性。圖中曲線的關(guan) 鍵測量值是在用鋼絲(si) 棉來回擦拭固定次數後測量的20°光澤的失光百分比。結果顯示，納米穩定性矽酸鹽分散體(ti) (NSSD)在該係列中比其他所有產(chan) 品的（抗劃傷(shang) 性）改進效果更加顯著。NSSD的關(guan) 鍵成分兼具硬度及懸浮在塗層表麵的流變性能，使其在這種高光澤透明配方中表現出優(you) 異的抗劃傷(shang) 性能。其次，表現較好的助劑是含有聚四氟乙烯的蠟分散體(ti) ，其光澤損失是NSSD的三倍。此外，納米複合材料顯示出與(yu) 聚四氟乙烯相似的抗劃傷(shang) 性。總體(ti) 來說，其他助劑對比空白對照樣，抗劃傷(shang) 性能均有一定的改善。

圖1：根據20°角失光度百分比來測量抗劃傷(shang) 性能

ASTM D3363，通常被稱為(wei) 鉛筆硬度，描述了使用已知硬度的鉛來測量塗層的耐劃傷(shang) 性方法。雖然結果可能因操作員和鉛本身而異，但當嚴(yan) 格控製測試技術的數據集時，該方法則是一個(ge) 有價(jia) 值的工具。在該數據集內(nei) ，劃痕測試中顯示的硬度也反映在鉛筆硬度結果中。NSSD的硬度是性能排在第二的競品的兩(liang) 倍。圖2顯示了每種助劑對塗層硬度的影響。

圖2：根據美標ASTM D3363測試鉛筆硬度

測量塗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次循環後測量塗層的質量損失。該測試測量塗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(shang) 和磨損性能的平衡點。結果表明，所有助劑都為(wei) 塗層體(ti) 係或多或少提供了一定的益處。化學物質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(ti) 係的硬度控製，但該測試結果顯示助劑也能起到一定的作用。

表3：在質量損失下的泰伯耐磨性測試

該係列測試中的其餘(yu) 性能對於(yu) 研究高性能、性能均衡的木器漆非常重要，但本研究中的助劑並未打算進一步改善這些性能。製備塗料時，一種性能提高往往會(hui) 導致另一種性能下降。其性能的平衡每個(ge) 配方師都能給出不同的評價(jia) ，其結果是任何特定塗層都存在一定的優(you) 勢和劣勢。因此，必須對所有關(guan) 鍵性能進行測試，才可以獲得塗層耐久性的真實測量值。

抗劃傷(shang) 助劑能夠影響的一個(ge) 關(guan) 鍵特性是光澤變化（圖3）。最初的光澤度數值顯示，許多助劑在最佳添加量下產(chan) 生的光澤度損失最小，包括HDPE、NAOD、NSD和NCS。這四種產(chan) 品中有三種是基於(yu) 納米粒子技術，這可能解釋了它們(men) 對光澤度影響較小的原因。NSSD的光澤度略有下降，但仍屬於(yu) 高光等級。粒度可能是決(jue) 定光澤度降低程度的關(guan) 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。透明塗層的霧度或不透明度也有類似的結論。重要的是，透明塗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製。霧度可以通過20°角光澤值對比空白樣的變化來解釋。霧度的視覺表現是通過在玻璃上塗一層薄膜後，將一副圖案置於(yu) 薄膜後，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 後添加每種抗劃傷(shang) 助劑後塗層的光澤度

圖4 霧度試驗是將塗膜塗布在玻璃板上後，背麵放置一幅圖案，觀察圖案的失真程度

無論是哪種類型的塗層，在提高其他性能時，附著力都是必須保持的關(guan) 鍵性能。根據ASTM D3359十字膠帶撕脫測試附著力的標準，該方法可以用來表征樣品之間附著力較大差異的結果，由0到5等級表示。一般來說，由於(yu) 其多孔性，很容易與(yu) 木材表麵粘合。所有助劑在木材上的附著力都能達到5B級。但PTFE和HDPE卻使木材的不同塗層間附著力失效，這就意味著助劑對塗層的表麵能有顯著影響。因此，當應用時存在多層塗層，其性能表現往往會(hui) 非常差。為(wei) 了放大樣品間的差異性，通常也會(hui) 在玻璃基材上測試附著力。表4列出了在玻璃基材、木材和塗層間附著力的測試結果。

表4 劃格法附著力測試結果

耐化學汙漬測試是將汙漬暴露在便於(yu) 觀察的透明玻璃下的漆膜上，放置24小時後進行評估的，這種模擬的測試方法相對嚴(yan) 苛一些。表5匯總了其測試結果。采用以下級別對結果進行分類：
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小時後耐化學汙漬測試等級

空白對照樣和添加助劑的配方之間的關(guan) 鍵區別是耐水性略有下降。隻有PTFE樣品顯示出與(yu) 空白對照樣具有相同的性能等級。從(cong) 綜合結果來看，NSD性能表現的分數比空白對比樣更高。PEW的耐化學性稍差，其他產(chan) 品都沒有顯著區別。

恢複等級測試結果見下表(表6)。24小時後，NSSD具有與(yu) 空白對照組相同的累積分數。事實上，所有產(chan) 品在恢複期後其性能評級都會(hui) 相應提高。其中PTFE、PEW和NSD三種產(chan) 品優(you) 於(yu) 對照組。

表6：24h後耐化學汙漬恢複性測試

在化學汙漬測試中，耐水性同時也會(hui) 被測量。而且，在玻璃基材的浸水測試中還會(hui) 進一步測試耐水性。對大多數塗層而言，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小時後即可表征塗層的疏水性之間的差異。測試照片很難拍攝出效果，但是塗層浸水後的性能結果詳情請見表7。該測試進一步表明，所有產(chan) 品對這種水性UV固化塗料的耐水性都有不同程度的影響。

表7：浸水測試觀察結果

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(ge) 循環的極寒和極熱溫變測試。這一特性對於(yu) 確保塗層材料能夠承受在多種氣候時依舊保持性能穩定非常重要。

結 論

對於(yu) 木質櫥櫃和家具來說，抗刮傷(shang) 性能是一項非常關(guan) 鍵的性能，因為(wei) 它可以延長這些木製品的使用時間。助劑作為(wei) 重要的配方添加劑，可以改善塗料性能。綜合測試結果，可以看出助劑能夠影響高光澤透明塗層的性能。在PTFE和HDPE性能測試過程中，發現含蠟產(chan) 品影響塗層的表麵能從(cong) 而造成無法挽回的缺陷—附著力降低。且大多數測試中抗劃傷(shang) 助劑在耐化學性和耐水性方麵都有一定的性能下降風險。這些助劑的預期效果是通過降低劃傷(shang) 的可能性來提高塗層的耐久性。隻有NSSD在抗劃傷(shang) 性能方麵有較好的表現，而在其他性能方麵的表現卻有所下降。這些結果顯示（本文測試助劑的性能）超過了塗料市場目前市售助劑的性能。