“完美匹配：同时拥有高性能和成本优势”

作者：Jan Pilger，特种涂料实验室主管；Thomas Bernhofer, 涂料技术服务经理，昕特玛德国公司，德国，Marl

在过去的几年里，有关健康、环境挑战以及可持续性发展的话题得到了进一步的关注，尤其是在年轻一代中。这一大趋势遍及全球所有行业，在汽车、化工和制造业中尤为明显。过去的两年里，对挥发性有机化合物(VOC)、甲醛、乙醛、二氧化钛(TiO₂)和若干限量异噻唑啉酮等化学物质进行了条例修订和重新分类，并在不同地区对化学工业实施了许多新的和经修订的法规条例。

有鉴于此，昕特玛公司开发了一种新型的苯乙烯丙烯酸树脂，具有优异的耐水性、耐擦洗性和遮盖力，这有可能优化油漆和涂料行业的树脂和颜料的用量，从而提高涂料性能、减少碳足迹和成本。基于这种新型树脂的配方还可满足“低排放内墙涂料”类别RAL UZ 102标签（“蓝天使”）2018标准。在下面的文章中，详细介绍了我们的内部研究，通过显示高颜料体积浓度（PVC）和在哑光（<10GU85°）和平光（<5 GU 85°）的光度范围内的涂料配方的试验结果，证实了上述优点，这些涂料配方在中欧市场，特别是DACH地区很受欢迎。我们还将详细介绍在其他国际市场上经常遇到的中光泽>10 GU 85°墙漆配方的结果。本研究以市场标准苯乙烯丙烯酸聚合物为基准。

减少树脂用量：节约配方成本，不影响性能

我们实验室开发的新型苯乙烯-丙烯酸树脂（表1）涂料配方显示出了优异的耐湿擦洗性和遮盖力，符合EN13300 1级标准。然后，我们进一步优化了涂料配方，了解降低树脂含量，同时仍能满足1级EN 13300要求的可能性。

在一系列的涂料样品中，我们将树脂含量以1%的递减量从17%减少到7%，并相应地调整了颜填料，以确保所有涂料样品具有相同的固体含量，并且所有涂料样都经过了包括液体和干膜性能在内的整个应用测试周期。试验结果表明，使用该新型聚合物，树脂含量从17%降低到8%的涂料配方仍能满足EN13300 1级耐湿擦洗性和遮盖力要求（图1）。因此，涂料配方中PVC的含量从67%提高到了81%。在树脂含量为7%时，Revacryl Ultragreen TM 的性能仍优于市售基准产品（表2），尽管两者都仅能满足EN13300 2级湿擦洗性能。

所有涂料样品在室温和40°C下进行了四周的稳定性试验，在测试期间并未发现有不稳定现象。

减少钛白粉（TiO₂）用量以降低成本，减少碳足迹

TiO₂的高折射率（n20D = 2.609）是影响墙漆配方遮盖力的主要因素。然而，TiO₂是一种较贵的成分，在1级EN13300配方中，它可能占原材料成本的25%至30%。此外，生产TiO₂所需的大量能源（每吨TiO₂ [1] 产生5.3吨二氧化碳)大大增加了涂料配方的碳足迹。此外，欧盟委员会已将TiO₂重新归类为H351致癌物质²，怀疑人通过吸入粉末混合物会致癌，新的分类将于2021年10月1日实施[2]。因此，行业一直在寻找机会，在不显著影响性能（尤其是遮盖力）的情况下，减少配方中TiO₂的用量。

与树脂添加量的优化研究相类似，在粘结剂含量为8%的情况下，我们将一系列不同TiO₂添加量的涂料样品进行了比较，TiO₂含量从20%开始，以1%的量递减。通过调整填料（如高岭土和碳酸钙）来控制涂料样品的固体含量（表3），并对涂料样品进行了有选择的应用测试，主要集中在遮盖力、耐湿擦洗和贮存稳定等性能上。

结果表明，在保持涂料对比度高于99.5%的情况下，将TiO₂减少10-11%（从20%降至17.8%）是可行的。涂料的耐湿擦洗性没有受到影响，因此优化后的配方仍然满足EN13300 1级要求（表4）。涂料样品在室温和40°C下放置四周后仍然保持稳定。

通过涂料配方的优化（树脂和TiO₂含量均降低），根据理论计算，我们估计配方成本可节省14%，碳足迹可减少12%（117 kg/t）。

稳健的聚合物设计，配方适配性广泛

为了进一步验证新开发的苯乙烯丙烯酸聚合物的性能，我们对国际市场常见的三种中等光泽涂料配方进行了更多的实验室研究。

我们采用与之前相同的方法，选择了三种内部配方（表5，表6，表7），并进行了树脂含量优化研究，发现在保持涂料性能一致的同时，树脂含量降低了7-12%。

尽管树脂含量较低，PVC较高，但所有三种涂料配方均达到了目标光泽度。所有三个样品均表现出优异的耐湿擦洗性能，符合EN13300 1级要求，而不透明度介于1级和2级之间，具体取决于配方、所用填料的类型和用量。

采用内部方法测试了涂料的抗粘连性能，其中每种涂料都施涂了150µm的湿膜（图2），在室温下干燥24小时，然后使用抗粘连测试仪（R&H ECA 7038-6）在室温下以1kg重量测试30分钟。表8中的结果表明，所有样品均达到了可接受的抗粘连性，力值在0.5-0.8 N/cm²之间。

在室温和40℃下储存了4周后，用Haake流变仪在剪切速率D = 44 s-1下测定，发现涂料的粘度仅略有增加，具有较好的储存稳定性。

通过了RAL UZ 102标签的挥发性有机化合物（VOC）要求

通过优化后活化工艺，新型苯乙烯-丙烯酸聚合物的残余单体减少，甲醛含量（根据VdL RL 03）低于检测限量，总VOC含量可根据需要通过汽提进一步降低。然而，根据本研究中使用的优化配方，可以达到如RAL UZ 102（VOC<700ppm）等环境标签的要求。

下一代聚合物分散体更加可持续发展的未来

这项研究的发现和结果证实，新开发的苯乙烯-丙烯酸聚合物在耐湿擦洗性能方面确实有了显著提高。这表明，使用这种聚合物制成的墙面涂料可以具有更好的耐久性，使用寿命更长。由于其优异的颜料结合能力，该聚合物使涂料配方设计人员能够优化其现有配方，以降低树脂和TiO₂的含量，同时仍然满足严格的EN13300 1级标准，为消费者提供更可持续发展的解决方案。

这种新聚合物在不同的PVC和光泽度的各种配方中进行了测试。在所有测试配方中，该聚合物在关键参数方面表现出了一致的性能，包括耐湿擦洗性、不透明度和在室温和40°C下的储存稳定性等。聚合物的兼容稳定性对降低采购和原材料库存管理的复杂性方面至关重要。

在产品开发过程中，为了限制任何已知有害物质的使用，我们考虑了一些因素。因此，该聚合物不含烷基酚聚氧乙烯醚（APEO）表面活性剂、甲醛和氨。聚合和活化后的优化有助于减少单体的残留，从而也降低了产品的总VOC，使配方设计师的涂料配方甚至可以满足蓝天使环保标签对低排放墙面涂料的苛刻要求。

结论归纳

• 新型苯乙烯-丙烯酸聚合物适用于满足EN 13300-1级要求的多种配方。
• 该聚合物可以分别使潜在树脂和TiO 2 含量优化到8%至11%，使得成本节约潜力达到14%，同时也减少了碳足迹。
• 该聚合物树脂具有优异的耐水性、耐湿擦洗性和颜料稳定性。

参考资料：

[1]: TDMA-Info (December 2013): The Carbon Footprint of Titanium Dioxide Pigment
[2]:https://echa.europa.eu/de/brief-pro-file/-/briefprofile/100.033.327

这篇文章最初于2020年10月11日发表在《欧洲涂料杂志》上。

作者介绍

姓名：Thomas Bernhofer
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