多功能水性消光剂的开发

作者 Scott Smallwood，高级科学家，麦可门公司，美国俄亥俄州，辛辛那提市

在过去几年里，受COVID-19冠状病毒的影响，家居装饰材料DIY市场迅速增长。与此同时，低光泽哑光涂料的使用也受到了消费者的欢迎，终端用户需要一种易于涂敷和维护的涂料。

哑光漆的低光泽度通常是通过使用气相二氧化硅或碳酸钙等粉末来实现的，处理这些材料的工人需要防尘设备和PPE。此外，哑光饰面容易抛光，室内涂料需要具有耐刮擦和耐沾污性能。目前，该行业使用各种添加剂来达到所需的性能。本文讨论了一种水性添加剂如何在不使用防尘设备和PPE的情况下，为低光泽哑光涂料提供所需的性能。

背景

麦可门的目标是创造一种不含VOC和APEO的多功能水性消光剂，该消光剂可以在室内建筑涂料中提供优异的性能，着重点是哑光面漆，因为它在市场上越来越受欢迎。我们对当前哑光涂料配方的研究表明，人们会添加各种粉末、硅和各种乳液以达到所需的性能。基于这项研究，我们确定了对水性添加剂的潜在需求，这种添加剂可以很容易地储存和掺入到涂料配方中（从而减少除尘需求），同时仍能为终端用户提供所需的性能。

我们通过确定可用于测试行业所需性能的起始配方（SPF），开始了我们的开发工作。该配方用作参考，并通过用实验添加剂替换用于消光和其他性能的原来的成分，来评估候选材料。

我们选择了陶氏Rhoplex™ VSR-1050作为哑光配方中的SPF，因为它具有高端的性能，可以与当今市场上的高端哑光涂料相媲美。为了进行比较，我们在项目范围内添加了三种具耐磨损和刮擦性能的高端哑光涂料。

通过测试，我们评估了样品的以下性能：

･ 光泽减少
･ 耐刮擦
･ 耐抛光
･ 耐沾污
･ 修补
･ 抗粘结
･ 重涂性

试验材料以22%的固体含量(原来SPF配方1比1的替换)和15%的固体含量添加到SPF中，以评估比较三种市售高性能涂料和参考样的性能。表1显示了原SPF配方与用测试材料替换了22%固体份的SPF配方。

测试结果

第一个测试的是光泽度降低的情况（ASTM D523）。在Leneta 3B样纸上，将涂料涂施3密耳厚，放置在水平表面上，静置固化五天。固化后，使用BYK Micro Tri-Gloss光泽测量仪在60度和85度下评估样品的初始光泽。图1显示，试验材料与参考样漆和市售样漆具有相似的性能。每个样品都测试了三份。

接下来，在60度和85度下评估了耐抛光性。在LenetaP121-10N耐洗刷片上涂敷7密耳厚度的样品涂层，水平放置，静置固化七天后再进行评估。

使用Aida布包好1000g重量，进行10次双摩擦，并于之前和之后在60度和85度下读取光泽度。通过该方法，对每个样品进行了三份测试。

接下来，我们根据ASTM D2486评估耐擦洗性。在Leneta P121-10N耐洗刷片上，将样品涂敷至7密耳厚度，然后水平静置干燥七天。将每种测试涂料放置在一个½英寸宽、10密耳的垫片上，然后使用标准尼龙毛刷和研磨介质（SC-2）进行擦洗，直到整个垫片宽度处出现漆膜失效。每400次循环后，加入10克研磨擦洗溶液和5毫升水；并密切留意发生失效时的循环次数。

图4显示，22%的试验材料要优于两种市售涂料，并与参考样漆相当。同样，15%的试验材料相当于其中一种市售涂料。

通过ASTM D4946标准对耐粘结性能进行了评估。如图5所示，所有受试样品均未表现出粘结倾向。

在密封的Leneta WB涂膜测试卡纸上涂施涂料样品，使其湿膜厚度平均为3密耳。然后让漆膜水平干燥七天。在室温和120°F条件下，将其切割为1½英寸X 1½英寸的正方形，并面对面放置在8号橡胶塞上，上面施加的重量为1000g。30分钟后移除重量和塞子，我们通过分离试样并使用ASTMD4946标准（合格/不合格评估）对其进行评估，从而确定其抗粘结性。所有样本均未出现粘结现象。

我们还测试了涂料修补后的光泽或颜色变化。样品测试是在Leneta R6-912 Upson卡纸上进行的，使用测试样漆进行底涂，并让其固化一整夜。固化后，使用3/8英寸的Linzer Professional Cover（Performance Select Gold Series Cover639-301）的滚筒再次涂覆测试涂料。经过一夜的干燥后，将测试样漆用Linzer 2英寸鬃毛刷和聚酯刷对样板进行修补。然后，让其再经过一夜干燥后，用光度计在60度和85度下评估样板的前后结果。最后，使用X-Rite颜色计算机对样板的ΔE变化前后的结果进行评估。

如图显示，所有样品在修补后都显示出相似的光泽度增加（图6）。至于颜色变化，22%试验材料的ΔE变化最小（图7）。

之前的评估表明，测试材料提供了相当于或略优于参考样漆和市售样漆的性能。此外，我们发现，通过ASTMD3450和ASTM D4828方法，测试材料提供了更显著的耐沾污效果。

使用7密耳的Dow刮刀，将样品涂抹在Leneta P121-10N耐洗刷片上。然后让漆膜静置干燥七天。

在每一个样板上，我们使用了2号铅笔、紫色蜡笔、红色唇膏、咖啡和勃艮第红葡萄酒进行粗线涂抹（图8）。用一次性吸管吸干咖啡和葡萄酒，静置10分钟，然后用纸巾擦干。

在将每块样板放入擦洗测试仪之前，让污渍静置2小时。然后使用15毫升水和10克来自Leneta的标准非研磨性介质（SC-1），用纤维海绵清洗样板。接下来，我们对去除污渍所需的周期数以及100次周期后剩余的残留物进行了评分。

对每种污渍使用以下评级系统：

･ 10: 去除90%或更多
･ 9: 去除80%
･ 8: 去除70%
･ 7: 去除60%
･ 6: 去除50%
･ 5: 去除40%
･ 4: 去除30%
･ 3: 去除20%
･ 2: 去除10%
･ 1: < 5%去除

对结果进行定性评估并记录（图9）。添加22%的测试材料的性能优于参考样和市售涂料（图10和图11）。

在污渍去除试验中观察到涂层的强大性能后，我们想了解为何涂层会具有如此优异的耐沾污性。有两种去除涂层污渍的潜在机制，一种是涂层可以作为牺牲层，在清洁时会脱落；另一种是使涂层具有释放特性，允许污渍被去除，同时保持涂层完整。为了评估测试材料的耐沾污机制，我们使用Keyence VK-X200激光显微镜研究了样板的表面，以查看擦洗是否减少了涂层的厚度。

使用VK Analyzer软件，在10倍显微镜下对参考样和22%的试验材料样品进行了分析，以评估被涂施到Leneta卡片上后各涂层的表面形貌（图12）。

图12显示，在初始评估中，参考样和22%的试验材料具有相似的形貌（从峰到谷的高度范围）。该图像和相关测量结果仅显示涂层的表面特征，而不是涂层本身的厚度。为了充分了解材料是否具有牺牲性，需要测量涂层的真实厚度。

为了测量涂层的厚度，我们首先必须确定Leneta卡片的表面顶面。这是通过识别涂层表面的气孔来实现的，这些气孔很可能是涂层涂施过程中夹带的气泡造成的。

图13-16显示了这些气孔是如何在Keyence软件的外形评估中出现的。一旦确定了这个表面，我们就能够测量从Leneta卡纸的表面到涂层峰值的平均高度。

我们对每种配方进行了七次涂敷和评估。首先，确定初始涂层厚度（取Leneta卡纸到平均峰高的距离）。然后，我们进行耐沾污测试，并在同一区域重复测量（图13-16）。

这些测量结果的汇总如图17和18所示。从这些数据中可以很容易看出，参考样的涂层失效比22%试验材料的涂层失效大得多，从橙色和灰色柱状的差异可以看出。

我们发现，在每种条件下的样品中，22%测试材料的平均涂层厚度损失仅为2微米，而参考样的涂层厚度损失为8微米。对数据的统计分析证实了这种差异的显著性，从而使我们确认，22%试验材料的耐沾污性能不是通过在清洁过程中靠牺牲膜厚来实现的。

结论

添加15%和22%麦可门开发的测试材料时，在漆膜的耐沾污测试中均优于市售涂料和VSR1050 SPF参考样（图9-11）。在15%和22%的添加量水平下，测试材料在消光、耐擦洗和耐抛光方面也具有与市售和参考样同等的性能（图1-4）。此外，22%测试材料不会产生任何粘结问题（图5），修补后也不会对光泽度和颜色产生不利影响（图6和图7）。

试验后，测试材料也不会对涂层造成“牺牲”性的影响。显微镜评估表明，与参考样相比，试验材料在擦洗后表面的材料损失要小于参考样（图13-18）。

至于加工和处理方面，测试材料是以可泵送液体的形式交付，因此在将其掺入涂料配方时，减少或消除了粉尘控制的需要。该配方也不含VOC和APEO，配方设计师在满足监管和客户需求的同时，还能使涂层获得强大的性能。最后，由于测试材料提供了室内涂料所需的许多性能，因此它可以减少终端产品所需的原材料数量。

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年4月刊中