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如何提高水性木器漆的抗划伤性?
2021年03月03日    阅读量:928    新闻来源:PCI可名文化  |  投稿

作者|Michelle Bauer, Tanya Hunter, and Yvette Gomez, ICL Phosphate Specialty—Halox, USA


当下,许多细分涂料市场对高性能水性涂料的需求仍然是主要趋势。其中,木地板、橱柜和家具涂料对这一需求尤其明显。为了迎合该趋势,急需开发创新的解决方案来提高涂料的性能涂料在线coatingol.com。终端用户一直在寻求增加耐久性和降低环境影响的水性涂料,比如,提高抗划伤性将改善木器漆的持久美观性和保护性。目前,经过实验已经在多种树脂体系中证实过一种全新且易于使用的有效方法来提高水性木器涂料的耐划伤性。在保持涂膜性能的同时,提高抗划伤性的性能测试将在性能超过同类竞品的水性涂料、紫外线(UV)固化体系中进行。

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简 介

一般来说,所有涂层应用中都需要关注耐久性,但根据涂层的最终用途及其所需的保护性能,其耐久性的含义可能会有很大的不同。建筑外墙涂料要求在抗紫外线和防潮方面具有优异的耐久性,而高性能工业涂料的耐久性则指的是长期防腐性能。此外,工业木器涂料的耐用性也很重要,它要求的是外观美观,具备抗划伤、抗形变的功能。除了美观之外,漆膜上的划痕会导致涂层早期保护性能失效。在工业木器涂料市场上,优异的抗划伤性已被视为一种不能满足OEM需求的性能。


现阶段,常见的大多数抗划伤助剂依赖于蜡在涂层表面的变化。聚乙烯蜡的密度的改变,可以提供滑动性能,并使其迁移到涂层表面。但由于蜡助剂的疏水性,往往存在诸如难以分散和表面张力变化等复杂情况的表面缺陷。因此,必须充分了解蜡在各树脂体系、熔点、颗粒大小和密度等特点,才可以达到蜡助剂生产商所吹捧的优势。PTFE聚四氟乙烯,是一种坚韧的蜡状合成树脂,由于其光滑的表面和疏水性,可用于许多应用,包括抗划伤。


其他抗划伤助剂依赖于高硬度的矿物来改善划痕。氧化铝、锆和硅酸盐是常见已知的具有高莫氏硬度的材料。这类材料的密度也很高,因此很难将其悬浮在涂层表面,故而对涂层的抗划伤性有很大影响。而且通常来说,它们的粒径一般也较大,容易产生混浊并降低光泽度。


近年来,最新的纳米技术为高光泽透明材料配方的改进提供了契机。4抗划伤性能在高光泽涂层中非常重要,因为一旦出现缺陷,很容易被观察到。纳米材料在提供相同硬度的同时,会减少光泽度并保持清晰度。但是纳米颗粒的高比表面积常常使其难以分散,并且在干燥状态下使用时会产生呼吸健康危害。


ICL发明了一种抗划伤助剂,它结合了硬质硅酸盐材料和纳米颗粒的优点,纳米颗粒具有抗划伤性能,同时还能将致密的硅酸盐材料悬浮在涂层表面。本产品是一种水性涂料体系中易于使用的液体材料。现已完成该新品对比市场产品的性能测试试验。

实 验


选取了六种市售抗划痕助剂,代表涂料制造商用于提高工业木器涂料耐划痕性的常用化学品。产品详情见表1。这项研究,对每种助剂进行至少三个梯度的试验,从而根据抗划伤性能的提升程度确定最佳添加量。每种产品的涂层都经过了下面列出的所有测试。使用无抗划伤助剂的涂料配方作为(空白)对照。为了便于识别产品,本文将使用示例ID。


表1:根据配方质量评估抗划伤助剂及其添加量

样品

化学名称

生产商推荐添加量

试验最佳添加量

空白

空白对比样

0

0

NSSD

纳米稳定型硅酸盐分散液

2-8

6

PTFE

 LDPE/PTFE蜡分散体

2-5

3.5

PEW

改性PE蜡乳液

2-6

6

HDPE

HD PE蜡乳液

1-2

1

NAOD

纳米氧化铝分散体

1-5

3

NSD

纳米硅分散体

0.5-2

1

NCS

表面改性纳米二氧化硅胶体

1-5

3


在水性UV固化的聚氨酯丙烯酸酯体系中测试三种助剂的性能。这种类型的配方可以为木制橱柜和家具提供保护和美化作用。该涂层经过厨柜制造商协会(KCMA)和办公家具标准确定的关键性能测试,以证明其耐久性、抗冷裂性、耐化学性、铅笔硬度、浸水性、泰伯磨损性、附着力、光泽、雾度以及聚焦性、耐刮擦性等性能。


用于评估的UV光固化木器漆的配方成分见表2。这是一种固体含量为25%的配方,使用Tg为51°C的树脂。每层涂层采用三步固化法:首先在环境温度下风干15分钟,然后在66°C下烘箱干燥15分钟,最后三次通过美国紫外固化系统,该系统使用标准的卤素汞灯,每次通过时辐射度约300 mj/cm2。


表2:用于评估抗划伤助剂的水性UV配方

成分

质量(%)

UV固化聚氨酯丙烯酸酯分散体

77.4

光引发剂

0.9

聚氨酯流变助剂

0.4

硅酮表面活性剂

0.4

20.9

总计

100

抗划伤助剂

1.0-6.0%


硬度和耐用性一样,都属于具有一些歧义的术语。整个涂料行业有很多测试方法,但却不可能以单一方法的测试结果定义其硬度。硬度可以从很多方面来解释,无论是耐磨性、被物体穿透性还是硬度刮伤。故而,通常采用多种测试方法来表征涂层的硬度属性。在这项研究中,抗划伤性是通过比较在载重为两磅的情况下对1号钢丝棉进行10次、25次和50次来回摩擦后20°光泽值的变化来测量的。泰伯耐磨性则是在1000克重量下,使用CS-17砂轮进行1000次磨耗测试。试验前在桦木饰面板上涂三层涂料进行泰伯试验。铅笔硬度试验则是在玻璃基材上测试单层漆膜。


在Leneta卡上涂布3密耳湿膜并按前文所述条件固化后评估光泽度和雾度。使用光泽计测试20°/60°/85°的数值。通过在玻璃板上涂布漆膜,可以直观地评估涂膜的雾度。


漆膜的附着力根据美标ASTM D3359标准在桦木和玻璃板基材上进行测试。测试木板用HPLV喷雾器喷涂四层透明涂层,每层厚度1-1.25密耳。


抗开裂性测试方法是将桦木面板涂层在低温和高温条件下循环试验。涂层板在-20°C下放置在冰箱中一小时。然后将面板立即转移到80°C烤箱中放置一小时。每次循环后,观察面板是否变色或开裂。


抗形变测试是将常见的家常食品和化学品涂布少许在涂膜上,而后盖上表面皿,放置24小时。检测物质为水、50%的409溶液、红酒、醋、柠檬汁、橙汁、葡萄汁、芥末、番茄酱、咖啡、橄榄油和100%乙醇。污渍清除大约24小时,观察涂层的恢复情况。

 

除水渍试验外,还通过在玻璃板上涂覆一层涂层,经过固化,然后分别在距离4小时和24小时将其浸入水中观察,并在24小时恢复后进行涂层试验。观察涂层的发红和起皱情况。

实验结果


在特定涂层应用中,树脂体系是提供所需的抗划伤性能的主要成分。UV固化涂层能够在紫外固化阶段完成后立即达到高硬度水平。传统的水性涂料在环境条件下需要更长的干燥时间,或者强制风干才能达到类似的效果。而应用配方则可以通过添加本研究中确定的助剂来进一步增强抗划伤性能。图1显示了每种助剂处于最佳添加量时,UV光固化涂料体系的抗划伤性。图中曲线的关键测量值是在用钢丝棉来回擦拭固定次数后测量的20°光泽的失光百分比。结果显示,纳米稳定性硅酸盐分散体(NSSD)在该系列中比其他所有产品的(抗划伤性)改进效果更加显著。NSSD的关键成分兼具硬度及悬浮在涂层表面的流变性能,使其在这种高光泽透明配方中表现出优异的抗划伤性能。其次,表现较好的助剂是含有聚四氟乙烯的蜡分散体,其光泽损失是NSSD的三倍。此外,纳米复合材料显示出与聚四氟乙烯相似的抗划伤性。总体来说,其他助剂对比空白对照样,抗划伤性能均有一定的改善。


图1:根据20°角失光度百分比来测量抗划伤性能

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ASTM D3363,通常被称为铅笔硬度,描述了使用已知硬度的铅来测量涂层的耐划伤性方法。虽然结果可能因操作员和铅本身而异,但当严格控制测试技术的数据集时,该方法则是一个有价值的工具。在该数据集内,划痕测试中显示的硬度也反映在铅笔硬度结果中。NSSD的硬度是性能排在第二的竞品的两倍。图2显示了每种助剂对涂层硬度的影响。


图2:根据美标ASTM D3363测试铅笔硬度

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测量涂层硬度的第三种方法是ASTM D4060的泰伯耐磨性。如表3所示,在500和1000次循环后测量涂层的质量损失。该测试测量涂层抵抗逐渐磨损的能力和由划痕引起的形变。这种方法可以有效确定划伤和磨损性能的平衡点。结果表明,所有助剂都为涂层体系或多或少提供了一定的益处。化学物质HDPE、NAOD和NCS都可以改善磨损,而NSSD提升耐磨损的效果一般。耐磨性主要由树脂体系的硬度控制,但该测试结果显示助剂也能起到一定的作用。


表3:在质量损失下的泰伯耐磨性测试

样品

50次循环

100次循环

空白

-5.3

-10.3

NSSD

-5.4

-9.7

PTFE

-3.6

-9.3

PEW

-3.6

-7.1

HDPE

-3.8

-5.6

NAOD

-1.7

-5.8

NSD

-3.8

-8.2

NCS

-3.0

-4.5


该系列测试中的其余性能对于研究高性能、性能均衡的木器漆非常重要,但本研究中的助剂并未打算进一步改善这些性能。制备涂料时,一种性能提高往往会导致另一种性能下降。其性能的平衡每个配方师都能给出不同的评价,其结果是任何特定涂层都存在一定的优势和劣势。因此,必须对所有关键性能进行测试,才可以获得涂层耐久性的真实测量值。


抗划伤助剂能够影响的一个关键特性是光泽变化(图3)。最初的光泽度数值显示,许多助剂在最佳添加量下产生的光泽度损失最小,包括HDPE、NAOD、NSD和NCS。这四种产品中有三种是基于纳米粒子技术,这可能解释了它们对光泽度影响较小的原因。NSSD的光泽度略有下降,但仍属于高光等级。粒度可能是决定光泽度降低程度的关键属性。在测试的添加剂中,PEW的粒径最大,因此光泽度显著降低。透明涂层的雾度或不透明度也有类似的结论。重要的是,透明涂层使基材尽可能不变形。而透明度则由所用材料的折射率及其主要颗粒尺寸控制。雾度可以通过20°角光泽值对比空白样的变化来解释。雾度的视觉表现是通过在玻璃上涂一层薄膜后,将一副图案置于薄膜后,观察图案的失真,如图4所示。本文中PEW是唯一一种具有视觉失真的助剂。


图3 后添加每种抗划伤助剂后涂层的光泽度

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图4  雾度试验是将涂膜涂布在玻璃板上后,背面放置一幅图案,观察图案的失真程度


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无论是哪种类型的涂层,在提高其他性能时,附着力都是必须保持的关键性能。根据ASTM D3359十字胶带撕脱测试附着力的标准,该方法可以用来表征样品之间附着力较大差异的结果,由0到5等级表示。一般来说,由于其多孔性,很容易与木材表面粘合。所有助剂在木材上的附着力都能达到5B级。但PTFE和HDPE却使木材的不同涂层间附着力失效,这就意味着助剂对涂层的表面能有显著影响。因此,当应用时存在多层涂层,其性能表现往往会非常差。为了放大样品间的差异性,通常也会在玻璃基材上测试附着力。表4列出了在玻璃基材、木材和涂层间附着力的测试结果。


表4  划格法附着力测试结果

样品

木材

涂层间

玻璃基材

空白

5B

5B

1B

NSSD

5B

5B

3B

PTFE

5B

2B

2B

PEW

5B

5B

4B

HDPE

5B

1B

0B

NAOD

5B

4B

0B

NSD

5B

5B

1B

NCS

5B

5B

0B


耐化学污渍测试是将污渍暴露在便于观察的透明玻璃下的漆膜上,放置24小时后进行评估的,这种模拟的测试方法相对严苛一些。表5汇总了其测试结果。采用以下级别对结果进行分类:

5 无影响    

4 留下圆痕   

3 颜色/光泽变化   

2 漆膜变软   

1 鼓泡   

0 漆膜脱落


表5—暴露24小时后耐化学污渍测试等级

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空白对照样和添加助剂的配方之间的关键区别是耐水性略有下降。只有PTFE样品显示出与空白对照样具有相同的性能等级。从综合结果来看,NSD性能表现的分数比空白对比样更高。PEW的耐化学性稍差,其他产品都没有显著区别。


恢复等级测试结果见下表(表6)。24小时后,NSSD具有与空白对照组相同的累积分数。事实上,所有产品在恢复期后其性能评级都会相应提高。其中PTFE、PEW和NSD三种产品优于对照组。


表6:24h后耐化学污渍恢复性测试

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在化学污渍测试中,耐水性同时也会被测量。而且,在玻璃基材的浸水测试中还会进一步测试耐水性。对大多数涂层而言,在玻璃基材上测试附着力是一种苛刻的检测方法。在常温水中浸泡4小时和24小时后即可表征涂层的疏水性之间的差异。测试照片很难拍摄出效果,但是涂层浸水后的性能结果详情请见表7。该测试进一步表明,所有产品对这种水性UV固化涂料的耐水性都有不同程度的影响。


表7:浸水测试观察结果

样品

浸水4小时

浸水24小时

24小时后恢复程度

空白

非常轻微变红

非常轻微变红

无影响

NSSD

中度变红

中度变红

无影响

PTFE

轻微变红

中度变红

无影响

PEW

中度变红

严重变红

无影响

HDPE

非常轻微变红

轻微变红

轻微变红

NAOD

轻微变红

轻微变红

轻微变红

NSD

轻微起皱

严重变皱

严重变皱

NCS

非常轻微变红

轻微变红

非常轻微变红


本文中助剂对低温抗开裂性能没有影响。所有样品都可以通过8个循环的极寒和极热温变测试。这一特性对于确保涂层材料能够承受在多种气候时依旧保持性能稳定非常重要。


结 论


对于木质橱柜和家具来说,抗刮伤性能是一项非常关键的性能,因为它可以延长这些木制品的使用时间。助剂作为重要的配方添加剂,可以改善涂料性能。综合测试结果,可以看出助剂能够影响高光泽透明涂层的性能。在PTFE和HDPE性能测试过程中,发现含蜡产品影响涂层的表面能从而造成无法挽回的缺陷—附着力降低。且大多数测试中抗划伤助剂在耐化学性和耐水性方面都有一定的性能下降风险。这些助剂的预期效果是通过降低划伤的可能性来提高涂层的耐久性。只有NSSD在抗划伤性能方面有较好的表现,而在其他性能方面的表现却有所下降。这些结果显示(本文测试助剂的性能)超过了涂料市场目前市售助剂的性能。



标签:家装家具涂料辅料与设备涂装应用技术中心水性木器漆涂装
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