所有水性木器涂料中約有80％使用了二氧化硅作為消光劑，用以更好地在外觀上吸引客戶并提供對(duì)木器表面的保護(hù)。

二氧化硅作為消光劑具有多種優(yōu)勢(shì)，包括各種形態(tài)，結(jié)構(gòu)和電荷特性。

本文的目的是研究消光劑對(duì)水性工業(yè)木器涂料性能的影響，并提出一種用于這些配方的二氧化硅消光劑的新產(chǎn)品概念。

一、◆用于消光劑生產(chǎn)的二氧化硅技術(shù)
 

二氧化硅消光劑有各種大小和形狀。

通常，二氧化硅消光劑由相對(duì)較大的二氧化硅顆粒組成，其平均粒徑遠(yuǎn)高于1微米。目前主要有三種具有不同形態(tài)的二氧化硅商業(yè)技術(shù)：
 

•硅膠顆粒：固體，具有剪切力穩(wěn)定性的消光劑并具有清晰的孔結(jié)構(gòu)和狹窄的孔徑分布；
 

•沉淀二氧化硅：剪切力穩(wěn)定性較差，并且孔徑分布比硅膠要大得多；
 

•熱解二氧化硅：由氣相二氧化硅制成的復(fù)合消光劑，具有大孔，低密度和在剪切下的低穩(wěn)定性。

這三種二氧化硅類型會(huì)影響消光效率、耐化學(xué)性、透明度、流變性和耐機(jī)械磨損失光性。

通常，二氧化硅消光劑表現(xiàn)出優(yōu)異的消光效率。

然而，就耐化學(xué)性和機(jī)械性而言，它會(huì)降低涂層的性能。

為了彌補(bǔ)二氧化硅消光劑的性能缺點(diǎn)，可以使用有機(jī)消光劑。但有機(jī)消光劑通常具有低消光效率。
 

以下討論描述新型二氧化硅消光劑的開發(fā)，該消光劑不僅可以提供高消光效率，而且還具有出色的耐化學(xué)性和耐機(jī)械磨損失光性。

二、◆消光效率

二氧化硅消光劑的消光效率取決于產(chǎn)品和涂層的對(duì)應(yīng)參數(shù)。

決定消光劑涂層效率的主要因素是顆粒體積濃度。

較高的濃度會(huì)導(dǎo)致表面的微觀粗糙度增加，從而達(dá)到較低的光澤度。

可以通過簡(jiǎn)單地添加更多的消光劑或選擇具有更高孔容的二氧化硅來提高顆粒的濃度。

較高的孔容意味著顆粒密度較小，因此每單位質(zhì)量的顆粒更多。
 

第二個(gè)因素是粒度分布情況。

對(duì)于給定的漆膜厚度，較大的顆粒具有較大的概率來改變表面粗糙度。

然而，太大的顆粒容易導(dǎo)致通常不可取的明顯粗糙度。

熱解二氧化硅代表一類特殊的消光劑，這些顆粒是密集聚集的氣相二氧化硅顆粒。

由于經(jīng)過高溫，氣相二氧化硅顆粒的較低硅烷醇密度導(dǎo)致較低的剪切力穩(wěn)定性。

分散過程中的高剪切力會(huì)使二氧化硅顆粒破碎（破碎情況取決于濃度），滲透并形成由顆粒和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)[2,3]。

這種結(jié)構(gòu)由于顆粒會(huì)干擾表面和次表面的散射，可以產(chǎn)生低的60度光澤但缺乏低的85度光澤。

三、◆耐化學(xué)性

為了確保用于室內(nèi)的涂料在使用過程中不易發(fā)生外觀變化，涂料會(huì)做耐化學(xué)性測(cè)試。

用于室內(nèi)木器涂料的測(cè)試物質(zhì)是基于實(shí)際的日常使用，通常包括水、酒精、咖啡和其他著色物質(zhì)。

化學(xué)品的化學(xué)特性不同，涂層受損的機(jī)理差異會(huì)很大。
 

單組分丙烯酸清漆通常能使水蒸氣在整個(gè)涂膜中擴(kuò)散。

當(dāng)水滲透到涂層表面時(shí)，該區(qū)域會(huì)形成大量渾濁霧影。

在有光澤的清漆中，吸收的水最終會(huì)揮發(fā)，使涂料恢復(fù)其透明外觀[1]。

如果涂料中含有多孔二氧化硅消光劑，則這種清漆的滲透/揮發(fā)機(jī)理會(huì)發(fā)生很大變化。

二氧化硅的高多孔結(jié)構(gòu)截留了吸收的水，并大大減慢了揮發(fā)速度。

此外，當(dāng)二氧化硅與水接觸時(shí)，它會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)重組。

這種重組最終導(dǎo)致二氧化硅顆粒收縮，并在二氧化硅表面和有機(jī)成膜物質(zhì)之間形成微裂紋（圖2b）。

這些新形成的裂縫大到足以散射光，導(dǎo)致在暴露于水后產(chǎn)生白色霧影的外觀。

由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱解二氧化硅會(huì)相對(duì)好于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硅膠或沉淀二氧化硅。

四、◆流變學(xué)

沉降行為如前所述，二氧化硅消光劑是相對(duì)較大的顆粒，平均粒徑遠(yuǎn)高于1微米。

與以布朗運(yùn)動(dòng)為主的亞微米顆粒相反，這種性質(zhì)使它們易于在牛頓液體中沉降。

沉降速度直接受粒徑或半徑r，顆粒與本體介質(zhì)之間的密度差Δρ，零剪切粘度η和堆積系數(shù)的影響（方程1）。
 

盡管沉降會(huì)很快發(fā)生，但在水性漆中，很少產(chǎn)生難以再分散的固體硬沉淀二氧化硅顆粒。再分散僅需要較低剪切力。

應(yīng)用性能
 

二氧化硅具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)并且具有兩性性。

它們的結(jié)構(gòu)和電荷性質(zhì)使二氧化硅能夠與中高剪切締合性增稠劑相互作用。

相互作用的程度在很大程度上取決于增稠劑的化學(xué)性質(zhì)。

疏水改性的環(huán)氧乙烷氨基甲酸酯（HEUR）增稠劑因其可靠的流動(dòng)性能和良好的保色性而被廣泛使用。

然而，因?yàn)榄h(huán)氧乙烷主鏈吸附到存在的二氧化硅上，HEUR不能完全發(fā)揮增稠作用。

流變特性的改變會(huì)導(dǎo)致不良的應(yīng)用性能，例如噴涂過多。

添加更多的增稠劑或用其他增稠劑（例如HASE或NSAT）替代是降低這種負(fù)面效果的兩種方法。

每種二氧化硅技術(shù)都可以觀察到這種效果。但是，熱解二氧化硅的形態(tài)性質(zhì)決定了它們?nèi)菀淄ㄟ^增加低剪切粘度來抵消。
 

五、◆機(jī)械磨損失光性
 

與溶劑型涂料相反，機(jī)械磨損失光是消光水性涂料的最大缺點(diǎn)之一。

機(jī)械磨損會(huì)導(dǎo)致啞光表面的光澤度顯著增加。

起因很復(fù)雜并主要取決于幾個(gè)因素，包括所需的光澤度，樹脂的特性和消光劑。

通常，機(jī)械磨損摩擦失光隨著光澤度的降低而增加。

二氧化硅的機(jī)械磨損失光趨勢(shì)取決于消光劑的化學(xué)和物理性質(zhì)。

未經(jīng)處理的二氧化硅顯示出高機(jī)械磨損失光趨勢(shì)，而有機(jī)蠟處理過的二氧化硅因增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)，可以得到顯著的改善。

但有機(jī)蠟含量超過某個(gè)臨界值會(huì)降低耐機(jī)械磨損失光性，因?yàn)檫^量有機(jī)蠟會(huì)在微粗糙表面特征之間擴(kuò)散遷移。

熱解二氧化硅由于不耐剪切力而容易產(chǎn)生機(jī)械磨損失光。
 

六、◆材料和樣品制備
 

所有原料均按原樣使用。將兩種新的二氧化硅2和3與兩種市售的二氧化硅1和4以及有機(jī)消光劑進(jìn)行比較

二氧化硅測(cè)試配方的分析基于NeoCryl®XK-12，一種用于室內(nèi)木器漆的室溫自交聯(lián)丙烯酸分散體。

將消光劑（6m/s，10分鐘）分散到最終的清漆中。涂膜既可用于黑色測(cè)試卡，也可用于木制基材（100克/平方米）。

七、◆分析技術(shù)

對(duì)液體涂料樣品的消泡性能和流變特性進(jìn)行了表征。

消泡性能是通過拍照來確定的。

流變學(xué)測(cè)試（MalvernPanalytical，Kinexus®pro，CR測(cè)試（0.1–300–0.1s-1）和掃頻測(cè)量（0.1Pa，10–0.01s-1）），用以確定消光劑對(duì)沉降行為和應(yīng)用性能的影響。

將漆料涂在（螺旋刮刀刮涂，100μm，干燥7天）黑色Leneta卡片上，來進(jìn)行消光效果和機(jī)械磨損失光測(cè)試；

它們還被涂覆于核桃木和楓木制成的多層木板（噴涂，2x50μm濕膜，干燥7天）上以進(jìn)行耐化學(xué)性測(cè)試。

按照DIN68861-1/DINEN12720的指導(dǎo)，在10GU（60°）下進(jìn)行耐化學(xué)性測(cè)試。

選擇測(cè)試物質(zhì)和暴露時(shí)間以適合家具或廚房櫥柜表面的應(yīng)用情況。

使用改良的TABER®BRASER®方法（TABER®ABRASER5131，樣品架E100-125，Scotch-Brite™纖維絨7498F-SFN，200個(gè)循環(huán)）進(jìn)行機(jī)械磨損失光測(cè)試。

耐化學(xué)腐蝕性等級(jí)（DIN68861-1）結(jié)果如表4所示。

 八、◆消光效率
 

工業(yè)水性木器涂料的施涂量通常在80-120g/m²之間。

這些系統(tǒng)的最佳平均粒徑為6.5至8.5μm。

通過平衡固含量和由聚結(jié)與相互擴(kuò)散引起的平均漆膜收縮，可達(dá)到消光劑研磨細(xì)度之間的平衡，并找到最佳的范圍。

該規(guī)則適用于剪切力穩(wěn)定的硅膠和復(fù)合二氧化硅。由于剪切下的低穩(wěn)定性和滲透特性，該近似值不適用于熱解二氧化硅。
 

二氧化硅1、2和4在60°測(cè)量角處的消光曲線和所得效率相當(dāng)。

二氧化硅3和有機(jī)物1具有相當(dāng)?shù)男剩▓D3）。

在85°測(cè)量角度下的消光效率情況則有所不同。

熱解二氧化硅顯示出缺乏光澤控制。

該材料在85°測(cè)量角要求下不適用于半啞光和啞光飾面。

所有硅膠型消光劑在大角度測(cè)量下均表現(xiàn)出相似的行為。
 

九、◆耐化學(xué)性
 

在10GU（10度光澤）下，二氧化硅3和有機(jī)物1對(duì)所有測(cè)試物質(zhì)均產(chǎn)生了最佳的耐化學(xué)性。

二氧化硅2和4具有良好的耐化學(xué)性。

二氧化硅1結(jié)果差。

與其他市售的二氧化硅消光劑相比，兩種新產(chǎn)品二氧化硅2和3在耐水、耐咖啡和耐紅酒侵蝕方面均表現(xiàn)出改善。

二氧化硅2和3的新型有機(jī)處理可防止水和化學(xué)物質(zhì)滲透到孔隙結(jié)構(gòu)中。
 

十、◆透明度

二氧化硅消光劑有時(shí)會(huì)在水性清漆中引起白色霧影。

在深色木類型（例如胡桃木）上，該問題更明顯。

物理原因是空氣滯留在顆粒的多孔二氧化硅結(jié)構(gòu)中。

在干燥過程中，聚合物分散顆粒中的大顆粒（直徑40–120nm）不能填補(bǔ)揮發(fā)掉的水。

通過減少未定型間隙體積可以提高透明度。二氧化硅2、3和4產(chǎn)生了很高的透明度。

未經(jīng)處理的二氧化硅1和有機(jī)物1則帶來明顯的霧影。
 

十一、◆機(jī)械磨損失光

與其他樣品相比，二氧化硅2、二氧化硅3和有機(jī)材料1的耐機(jī)械磨損失光性有顯著改善。二氧化硅1和4顯示出高機(jī)械磨損失光趨勢(shì)。

該結(jié)果與理論相符：未經(jīng)處理的硅膠和熱解二氧化硅表現(xiàn)較差，而經(jīng)過有機(jī)處理的二氧化硅則表現(xiàn)出良好的性能。

十二、◆流變學(xué)

所有二氧化硅都對(duì)粘度有很大的影響（圖8）。

經(jīng)過有機(jī)處理的二氧化硅2和3比未處理的型號(hào)更有效地降低了粘度。

配方中僅包含易于吸附到二氧化硅表面的HEUR增稠劑。

熱解二氧化硅也產(chǎn)生了這種效果，然而，新形成的氣相二氧化硅顆粒增加了低剪切和中剪切區(qū)的粘度。

有機(jī)消光劑的流變特性與氣相法二氧化硅相似。在配制水性涂料至所需粘度時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎注意流變學(xué)。
 

掃頻測(cè)量表明，漆的表現(xiàn)類似于粘彈性液體。二氧化硅1、2和3在流變曲線中遵循相同的趨勢(shì)。

二氧化硅是會(huì)導(dǎo)致彈性模量增加，與提出的機(jī)理相符。

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