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木器表面的保護。

二氧化硅作為消光劑具有多種優(yōu)勢，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
 

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較大的二氧化硅顆粒組成，其平均粒徑遠高于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：
 

•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影響消光效率、耐化學性、透明度、流變性和耐機械磨損失光性。

通常，二氧化硅消光劑表現(xiàn)出優(yōu)異的消光效率。

然而，就耐化學性和機械性而言，它會降低涂層的性能。

為了彌補二氧化硅消光劑的性能缺點，可以使用有機消光劑。但有機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性和耐機械磨損失光性。

二、◆消光效率

二氧化硅消光劑的消光效率取決于產(chǎn)品和涂層的對應參數(shù)。

決定消光劑涂層效率的主要因素是顆粒體積濃度。

較高的濃度會導致表面的微觀粗糙度增加，從而達到較低的光澤度。

可以通過簡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。
 

第二個因素是粒度分布情況。

對于給定的漆膜厚度，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致較低的剪切力穩(wěn)定性。

分散過程中的高剪切力會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)組成的隨機網(wǎng)絡[2,3]。

這種結(jié)構(gòu)由于顆粒會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，涂料會做耐化學性測試。

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

化學品的化學特性不同，涂層受損的機理差異會很大。
 

單組分丙烯酸清漆通常能使水蒸氣在整個涂膜中擴散。

當水滲透到涂層表面時，該區(qū)域會形成大量渾濁霧影。

在有光澤的清漆中，吸收的水最終會揮發(fā)，使涂料恢復其透明外觀[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)機理會發(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，當二氧化硅與水接觸時，它會發(fā)生結(jié)構(gòu)重組。

這種重組最終導致二氧化硅顆粒收縮，并在二氧化硅表面和有機成膜物質(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，熱解二氧化硅會相對好于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硅膠或沉淀二氧化硅。

四、◆流變學

沉降行為如前所述，二氧化硅消光劑是相對較大的顆粒，平均粒徑遠高于1微米。

與以布朗運動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。

應用性能
 

二氧化硅具有獨特的結(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性能和良好的保色性而被廣泛使用。

然而，因為環(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。

流變特性的改變會導致不良的應用性能，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）替代是降低這種負面效果的兩種方法。

每種二氧化硅技術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、◆機械磨損失光性
 

與溶劑型涂料相反，機械磨損失光是消光水性涂料的最大缺點之一。

機械磨損會導致啞光表面的光澤度顯著增加。

起因很復雜并主要取決于幾個因素，包括所需的光澤度，樹脂的特性和消光劑。

通常，機械磨損摩擦失光隨著光澤度的降低而增加。

二氧化硅的機械磨損失光趨勢取決于消光劑的化學和物理性質(zhì)。

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

但有機蠟含量超過某個臨界值會降低耐機械磨損失光性，因為過量有機蠟會在微粗糙表面特征之間擴散遷移。

熱解二氧化硅由于不耐剪切力而容易產(chǎn)生機械磨損失光。
 

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以及有機消光劑進行比較

二氧化硅測試配方的分析基于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試卡，也可用于木制基材（100克/平方米）。

七、◆分析技術

對液體涂料樣品的消泡性能和流變特性進行了表征。

消泡性能是通過拍照來確定的。

流變學測試（MalvernPanalytical，Kinexus®pro，CR測試（0.1–300–0.1s-1）和掃頻測量（0.1Pa，10–0.01s-1）），用以確定消光劑對沉降行為和應用性能的影響。

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

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）上以進行耐化學性測試。

按照DIN68861-1/DINEN12720的指導，在10GU（60°）下進行耐化學性測試。

選擇測試物質(zhì)和暴露時間以適合家具或廚房櫥柜表面的應用情況。

使用改良的TABER®BRASER®方法（TABER®ABRASER5131，樣品架E100-125，Scotch-Brite™纖維絨7498F-SFN，200個循環(huán)）進行機械磨損失光測試。

耐化學腐蝕性等級（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)與相互擴散引起的平均漆膜收縮，可達到消光劑研磨細度之間的平衡，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°測量角處的消光曲線和所得效率相當。

二氧化硅3和有機物1具有相當?shù)男剩▓D3）。

在85°測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量下均表現(xiàn)出相似的行為。
 

九、◆耐化學性
 

在10GU（10度光澤）下，二氧化硅3和有機物1對所有測試物質(zhì)均產(chǎn)生了最佳的耐化學性。

二氧化硅2和4具有良好的耐化學性。

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的新型有機處理可防止水和化學物質(zhì)滲透到孔隙結(jié)構(gòu)中。
 

十、◆透明度

二氧化硅消光劑有時會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和有機物1則帶來明顯的霧影。
 

十一、◆機械磨損失光

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

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)過有機處理的二氧化硅則表現(xiàn)出良好的性能。

十二、◆流變學

所有二氧化硅都對粘度有很大的影響（圖8）。

經(jīng)過有機處理的二氧化硅2和3比未處理的型號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，應謹慎注意流變學。
 

掃頻測量表明，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。

二氧化硅是會導致彈性模量增加，與提出的機理相符。

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