陶瓷微球在水性木器漆中消光性能的探讨

bboyxiaohei1 · 发表于 2013-11-7 16:31:50

　　随着时代的发展和生活水平的提高，人们的审美观点也在变迁着，对木器漆漆膜的要求从越亮越好越硬越好，发展到目前希望漆膜具有一定的哑光度并且有良好的手触感。目前市面上销售的木器漆面漆基本都是半哑光泽，一方面显示出木制家具的典雅高贵，另一方面半哑光泽对漆膜的透明清澈度影响不大。目前在中国国内市场应用的木器漆特别是家具用木器漆还是以双组份聚氨酯漆为主，应用在这一体系中的各种消光材料，特别是二氧化硅类的消光材料的应用技术已经非常的成熟了，价格也非常的便宜，本文就不予讨论了。
　　
　　最近几年，作为未来木器漆发展方向的水性木器漆在国内越来越受到重视，如何在水性木器漆中实现完美的消光就成为一个重要的议题。从消光原理看，我们使用的消光材料之所以能够消光是因为它在光洁平滑的涂层表面制造了微小的粗糙度，使得入射光线发生漫反射而不是镜面反射，从而具有哑光的效果（如图1）。表面粗糙度越大，漫反射越厉害，光泽度越低。
　　图1：漆膜哑光示意图

　　研发水性木器漆的工程师都知道，任何固体粉料的加入几乎都会影响涂膜表面的反光效果。如果是在白色漆或者是实色漆体系（所谓的浑水漆）中消光，普通填料也可以实现良好的消光效果（如图2）。比如说加入些超细的重质碳酸钙或者滑石粉等等，既可以消光，又不存在影响漆膜透明性的问题，因为浑水效果就是为了遮盖木纹。因为色漆体系中有大量的润湿分散剂，沉降性问题也不严重。水性木器漆消光真正的挑战来自透明效果的面漆，所谓的清水木器漆。
　　图2：普通填料在漆膜中的消光示意图和显微镜照片

　　目前在水性木器漆中应用的消光材料分为两大类：一类是有机的消光蜡浆等产品，但是由于相容性问题以及消光效率低等原因，这类产品从来就没有成为过水性木器漆消光材料的主流；另一类就是以各种无机二氧化硅粉体为主的消光粉得到广泛的应用，但是这类产品仍然存在这样那样的问题。无机二氧化硅消光材料在制造表面微小粗糙的时候同时也破坏了涂膜的完整性，就好像大海里散布着星罗棋布的岛礁，使得水或者其他溶剂可以通过消光材料和涂膜之间的间隙渗透进去，从而影响水性木器漆的耐水性及耐醇性。另一方面由于二氧化硅材料的折射率与树脂折射率的差异，以及二氧化硅粒径的处于微米级范围，随着消光粉添加量的增加，漆膜的透明度越来越差，不能够很好的显示木纹效果。
　　
　　理想的消光材料应该是：保证一定消光效果的同时，要求消光材料对水性木器漆漆膜的各项理化性能影响最小，对生产工艺改变不大，以及储存稳定性良好。即在同样添加量的情况下有着最佳的消光效果，在同样消光效果的情况下有着最佳的透明度。同时我们还必须要求消光材料对体系粘度影响不大，易分散，易添加，不易沉降。
　　
　　本文我们介绍下美国3M实心陶瓷微球在水性木器漆面漆中作为消光材料的研究。3M实心陶瓷微球是一系列微观为正球形的粉体填料。大家知道，球形是比表面积最小的形状，正是由于实心陶瓷微球的这一特性决定了它在水性木器漆中各种性能表现。图3展示了3M实心陶瓷微球和几种常见的可以用作消光材料的粉体的显微镜照片对比。
　　图3各种消光材料的显微镜照片对比

　　对于二氧化硅消光粉而言，影响其消光效率的主要是平均粒径的大小。一般来说，粒径越大消光效率越高，但是当粒径达到一定数值后，消光效率反而有所降低。另外二氧化硅的有机表面处理，孔隙率，比表面积以及粒径分布范围也会对透明度，分散性和抗沉降性有所影响。其实这些指标对所有的消光材料的评估都具有意义。美国3M公司的实心陶瓷微球共有三个牌号，除了平均粒径和粒径分布的差异外，其他的性能都差不多，具体见表1：
表1：3M高强度陶瓷微球白色系列（碱性氧化硅铝陶瓷）技术数据

　　下面本文通过评估水性木器漆中消光材料的几项指标，比较下3M实心陶瓷微球与二氧化硅消光粉作为消光材料在水性木器漆透明哑光面漆中的应用。为能够在同一条件下进行比较，我们先列举一个典型的水性木器漆哑光配方如表2。我们选择三种实心陶瓷微球产品和一种未作表面处理的国产二氧化硅消光粉以及做过表面处理的进口二氧化硅消光粉，二者具有相同的粒径。通过对比未添加消光粉的基础漆以及分别添加1-4%的各品种消光材料的哑光漆，制备二十一种漆的50微米湿膜，在恒温恒湿的条件下干燥7天后测试性能。
　　表2：典型的水性木器漆哑光面漆配方

消光性能的比较和分析
　　我们选择用WGG-60光泽度仪对制备的二十一个漆膜进行60度光泽测定，得到的结果如表3。从数据分析我们可以得出结论，二氧化硅消光粉的消光效率明显高过实心陶瓷微球。国产的消光粉和进口的消光粉由于粒径相同，几乎具有相同的消光效率。同样质量不同粒径的三种实心陶瓷微球随着添加量的增加，光泽不断下降。但是在同样添加量的情况下，W-410具有最好的消光效果，W-610其次，而W-210的消光效果几乎没有，主要原因还是和实心陶瓷微球的粒径有关系。这也符合粒径越大消光效率越高，但是粒径大到一定程度消光效率反而下降的规律。W-210对于可见光的反射散射最小，因此在光固化涂料和电子束固化涂料中能够得到很好的应用。
　　表3：不同品种消光材料和不同添加量情况下的漆膜60度光泽对比

漆膜透明度的比较和分析
　　除了消光效率外，我们为哑光水性木器漆选择消光材料的另一个重要考虑因素就是漆膜的透明度。前文叙述过可以用来消光的材料有很多，包括各种重钙滑石粉等等，但是这些材料如果用在色漆中尚可，用在清漆中对透明度的影响就比较大了。木器漆除了保护木制家具外，还有一个重要的方面就是能够充分展现木材的纹理效果。
　　透明度的测试主要通过在透明玻璃板上制备同样厚度的漆膜，结合肉眼的判断，采用相对评估的办法，1为透明度最佳，10为透明度最差，得到的对比结果如表4。国产消光粉在同样添加量的情况下比进口消光粉的透明度要差一些，随着添加量的增加，两种消光粉透明度的差异愈来愈大。而实心陶瓷微球总体来说透明度要远远好过二氧化硅消光粉，但是随着实心陶瓷微球粒径的增加，透明度也越来越差。
　　表4：不同品种消光材料和不同添加量情况下的漆膜透明度对比

漆膜耐水性的比较和分析
　　水性木器漆的耐水性主要由成膜物质树脂决定，其他的助剂产品起辅助作用。而任何消光材料的加入对于漆膜耐水性都会有负面的影响，因为消光材料破坏了漆膜的完整性，漆膜表面越粗糙破坏程度越大，水再次进入漆膜的路径越多，漆膜的耐水性越差。我们按照国标漆膜耐水性的测试方法，以及漆膜滴水试验来做判断。1代表耐水性最好，10代表耐水性最差，对比结果如表5。
　　我们发现由于二氧化硅消光粉的无定形疏松结构，大大的影响了漆膜的完整性，所以使用二氧化硅消光的漆膜比用实心陶瓷微球消光的漆膜耐水性要差一些，进口的二氧化硅消光粉由于做过有机的表面处理，其漆膜的耐水性略微好过未处理的国产二氧化硅消光粉。而对于实心陶瓷微球而言，即使添加量很大的情况下也不会对漆膜的耐水性有较大的影响，比较而言W-610对耐水性的影响最小。
　　表5：不同品种消光材料和不同添加量情况下的漆膜耐水性对比

漆膜耐醇性的比较和分析
　　水性木器漆漆膜的耐醇性是另外一个需要重点考虑的漆膜特性。和耐水性要求一样，这项性能的高低主要还是有成膜物质树脂决定的。消光材料的加入对这项性能的几乎没有太多的影响。按照国标漆膜耐醇性的测试方法，我们还是按照相对比较法，1为最好的耐醇性，10为耐醇性最差，得出结果如表6：
　　从实验测试结果看，无论是进口的消光粉还是国产的消光粉以及实心陶瓷微球，对漆膜的耐醇性影响都不是很大。进口的消光粉做过有机表面处理，耐醇性在高添加量的情况下稍微差了些。而各实心陶瓷微球由于都有最小的比表面积，意味着同样质量对漆膜的影响最小，所以耐醇性和不加实心陶瓷微球的清漆相比差异不大，尤其是W-610由于自身粒径最大，比表面积最小，所以耐醇性几乎和清漆差不多。
　　表6：不同品种消光材料和不同添加量情况下的漆膜耐醇性对比

漆膜流平性的比较和分析
　　不同于墙面乳胶漆，木器漆是一种很精细的涂料，不能够有明显的瑕疵，对流平性的要求也极高。对于采用手工刷涂的家庭装修类水性木器漆，流平性就显得格外重要。我们按照国标《涂料流平性涂刮测定法》做出评定。为了方便评分，我们仍然采用相对比较法，1分为流平性最佳，10分为流平性最差，评估结果如表7。
　　很显然，虽然我们通过配方中调整增稠剂的添加量来保证涂料有相同的涂4杯读秒粘度值，但是二氧化硅类消光粉由于极大的比表面积，对于涂料的低剪切粘度影响很大，从而导致了流平性能变差，国产的和进口的消光粉都如此。而实心陶瓷微球由于具有最小的比表面积，其吸油量也相当的小，所以对涂料的流平性几乎没有太大的影响。
　　表七：不同品种消光材料和不同添加量情况下的漆膜流平性对比

消光材料易分散性的比较和分析
　　我们在生产哑光型的水性木器漆的时候，往往会遇到这样的问题，尽管我们已经把高速分散机的转速调到很高，但是液面上的二氧化硅消光粉仍然浮在液面上，只是随着中间的漩涡一点点的被吸进去，空气中弥漫着二氧化硅消光粉的粉末，缸壁上也沾着很多的消光粉。更多的时候我们需要制作消光浆，把消光浆作为助剂添加到涂料中去，这样操作可以部分解决消光粉的分散问题，但是工艺上更加麻烦了，而且消光浆也易沉降不易保存，最好当天制备当天使用。而实心陶瓷微球的分散几乎不是一个问题，实心陶瓷微球的堆积密度远大于二氧化硅消光粉，不会在空气中四处弥漫，也不会在涂料液面上悬浮，球形的表面很容易被液体润湿也很容易被分散。
　　一般情况下，二氧化硅消光粉都会随着时间的推移而逐渐沉降，并且这样的沉降很难通过使用前的简单搅拌而分散均匀，这成为困扰水性木器漆工程师很头疼的问题。我们比较分别使用二氧化硅消光粉的水性木器漆和使用实心陶瓷微球的水性木器漆，发现二者都会沉降，而且陶瓷微球沉降得更快些。但是再分散的时候，没有做过表面处理的国产二氧化硅消光粉几乎不能够再次分散开，而做过有机表面处理的进口二氧化硅消光粉的再分散性略好过未处理的国产二氧化硅消光粉，但是分散结果仍然不十分令人满意，即使在配方中添加少量的分散剂也不能够完全解决这个问题。但是实心陶瓷微球的再分散确是十分的容易，如果能够加入极少量的分散剂，把涂料桶底部的沉降再搅拌起来是非常的容易，这样的性能也源自实心陶瓷微球规则的正球形形状。

消光材料对漆膜干燥速度的比较和分析
　　由于二氧化硅消光粉具有极大的比表面积，再加之表面有很多亲水的硅醇基，所以对于水性木器漆的漆膜干燥速度有一定的影响，比表面积越大亲水性越强，对干燥速度的影响越大。而实心陶瓷微球属于正球形粉体材料，不亲水不吸水不保水，因此对水性木器漆漆膜的干燥速度没有任何的影响。当然水性木器漆的干燥速度首先是和体系中树脂有关，还和使用的成膜助剂有关，另外还和包括温度湿度等外部环境有关。二氧化硅消光粉对干燥速度的影响其实是微不足道的，只是在同样条件下和实心陶瓷微球相比，才会有些许的差异。

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