所有水性木器涂料中约有80％使用了二氧化硅作为消光剂，用以更好地在外观上吸引客户并提供对木器表面的保护。

二氧化硅作为消光剂具有多种优势，包括各种形态，结构和电荷特性。

本文的目的是研究消光剂对水性工业木器涂料性能的影响，并提出一种用于这些配方的二氧化硅消光剂的新产品概念。

一、◆用于消光剂生产的二氧化硅技术
 

二氧化硅消光剂有各种大小和形状。

通常，二氧化硅消光剂由相对较大的二氧化硅颗粒组成，其平均粒径远高于1微米。目前主要有三种具有不同形态的二氧化硅商业技术：
 

•硅胶颗粒：固体，具有剪切力稳定性的消光剂并具有清晰的孔结构和狭窄的孔径分布；
 

•沉淀二氧化硅：剪切力稳定性较差，并且孔径分布比硅胶要大得多；
 

•热解二氧化硅：由气相二氧化硅制成的复合消光剂，具有大孔，低密度和在剪切下的低稳定性。

这三种二氧化硅类型会影响消光效率、耐化学性、透明度、流变性和耐机械磨损失光性。

通常，二氧化硅消光剂表现出优异的消光效率。

然而，就耐化学性和机械性而言，它会降低涂层的性能。

为了弥补二氧化硅消光剂的性能缺点，可以使用有机消光剂。但有机消光剂通常具有低消光效率。
 

以下讨论描述新型二氧化硅消光剂的开发，该消光剂不仅可以提供高消光效率，而且还具有出色的耐化学性和耐机械磨损失光性。

二、◆消光效率

二氧化硅消光剂的消光效率取决于产品和涂层的对应参数。

决定消光剂涂层效率的主要因素是颗粒体积浓度。

较高的浓度会导致表面的微观粗糙度增加，从而达到较低的光泽度。

可以通过简单地添加更多的消光剂或选择具有更高孔容的二氧化硅来提高颗粒的浓度。

较高的孔容意味着颗粒密度较小，因此每单位质量的颗粒更多。
 

第二个因素是粒度分布情况。

对于给定的漆膜厚度，较大的颗粒具有较大的概率来改变表面粗糙度。

然而，太大的颗粒容易导致通常不可取的明显粗糙度。

热解二氧化硅代表一类特殊的消光剂，这些颗粒是密集聚集的气相二氧化硅颗粒。

由于经过高温，气相二氧化硅颗粒的较低硅烷醇密度导致较低的剪切力稳定性。

分散过程中的高剪切力会使二氧化硅颗粒破碎（破碎情况取决于浓度），渗透并形成由颗粒和网状结构组成的随机网络[2,3]。

这种结构由于颗粒会干扰表面和次表面的散射，可以产生低的60度光泽但缺乏低的85度光泽。

三、◆耐化学性

为了确保用于室内的涂料在使用过程中不易发生外观变化，涂料会做耐化学性测试。

用于室内木器涂料的测试物质是基于实际的日常使用，通常包括水、酒精、咖啡和其他着色物质。

化学品的化学特性不同，涂层受损的机理差异会很大。
 

单组分丙烯酸清漆通常能使水蒸气在整个涂膜中扩散。

当水渗透到涂层表面时，该区域会形成大量浑浊雾影。

在有光泽的清漆中，吸收的水最终会挥发，使涂料恢复其透明外观[1]。

如果涂料中含有多孔二氧化硅消光剂，则这种清漆的渗透/挥发机理会发生很大变化。

二氧化硅的高多孔结构截留了吸收的水，并大大减慢了挥发速度。

此外，当二氧化硅与水接触时，它会发生结构重组。

这种重组最终导致二氧化硅颗粒收缩，并在二氧化硅表面和有机成膜物质之间形成微裂纹（图2b）。

这些新形成的裂缝大到足以散射光，导致在暴露于水后产生白色雾影的外观。

由于其结构特点，热解二氧化硅会相对好于结构稳定的硅胶或沉淀二氧化硅。

四、◆流变学

沉降行为如前所述，二氧化硅消光剂是相对较大的颗粒，平均粒径远高于1微米。

与以布朗运动为主的亚微米颗粒相反，这种性质使它们易于在牛顿液体中沉降。

沉降速度直接受粒径或半径r，颗粒与本体介质之间的密度差Δρ，零剪切粘度η和堆积系数的影响（方程1）。
 

尽管沉降会很快发生，但在水性漆中，很少产生难以再分散的固体硬沉淀二氧化硅颗粒。再分散仅需要较低剪切力。

应用性能
 

二氧化硅具有独特的结构并且具有两性性。

它们的结构和电荷性质使二氧化硅能够与中高剪切缔合性增稠剂相互作用。

相互作用的程度在很大程度上取决于增稠剂的化学性质。

疏水改性的环氧乙烷氨基甲酸酯（HEUR）增稠剂因其可靠的流动性能和良好的保色性而被广泛使用。

然而，因为环氧乙烷主链吸附到存在的二氧化硅上，HEUR不能完全发挥增稠作用。

流变特性的改变会导致不良的应用性能，例如喷涂过多。

添加更多的增稠剂或用其他增稠剂（例如HASE或NSAT）替代是降低这种负面效果的两种方法。

每种二氧化硅技术都可以观察到这种效果。但是，热解二氧化硅的形态性质决定了它们容易通过增加低剪切粘度来抵消。
 

五、◆机械磨损失光性
 

与溶剂型涂料相反，机械磨损失光是消光水性涂料的最大缺点之一。

机械磨损会导致哑光表面的光泽度显著增加。

起因很复杂并主要取决于几个因素，包括所需的光泽度，树脂的特性和消光剂。

通常，机械磨损摩擦失光随着光泽度的降低而增加。

二氧化硅的机械磨损失光趋势取决于消光剂的化学和物理性质。

未经处理的二氧化硅显示出高机械磨损失光趋势，而有机蜡处理过的二氧化硅因增强了结构，可以得到显著的改善。

但有机蜡含量超过某个临界值会降低耐机械磨损失光性，因为过量有机蜡会在微粗糙表面特征之间扩散迁移。

热解二氧化硅由于不耐剪切力而容易产生机械磨损失光。
 

六、◆材料和样品制备
 

所有原料均按原样使用。将两种新的二氧化硅2和3与两种市售的二氧化硅1和4以及有机消光剂进行比较

二氧化硅测试配方的分析基于NeoCryl®XK-12，一种用于室内木器漆的室温自交联丙烯酸分散体。

将消光剂（6m/s，10分钟）分散到最终的清漆中。涂膜既可用于黑色测试卡，也可用于木制基材（100克/平方米）。

七、◆分析技术

对液体涂料样品的消泡性能和流变特性进行了表征。

消泡性能是通过拍照来确定的。

流变学测试（MalvernPanalytical，Kinexus®pro，CR测试（0.1–300–0.1s-1）和扫频测量（0.1Pa，10–0.01s-1）），用以确定消光剂对沉降行为和应用性能的影响。

将漆料涂在（螺旋刮刀刮涂，100μm，干燥7天）黑色Leneta卡片上，来进行消光效果和机械磨损失光测试；

它们还被涂覆于核桃木和枫木制成的多层木板（喷涂，2x50μm湿膜，干燥7天）上以进行耐化学性测试。

按照DIN68861-1/DINEN12720的指导，在10GU（60°）下进行耐化学性测试。

选择测试物质和暴露时间以适合家具或厨房橱柜表面的应用情况。

使用改良的TABER®BRASER®方法（TABER®ABRASER5131，样品架E100-125，Scotch-Brite™纤维绒7498F-SFN，200个循环）进行机械磨损失光测试。

耐化学腐蚀性等级（DIN68861-1）结果如表4所示。

 八、◆消光效率
 

工业水性木器涂料的施涂量通常在80-120g/m²之间。

这些系统的最佳平均粒径为6.5至8.5μm。

通过平衡固含量和由聚结与相互扩散引起的平均漆膜收缩，可达到消光剂研磨细度之间的平衡，并找到最佳的范围。

该规则适用于剪切力稳定的硅胶和复合二氧化硅。由于剪切下的低稳定性和渗透特性，该近似值不适用于热解二氧化硅。
 

二氧化硅1、2和4在60°测量角处的消光曲线和所得效率相当。

二氧化硅3和有机物1具有相当的效率（图3）。

在85°测量角度下的消光效率情况则有所不同。

热解二氧化硅显示出缺乏光泽控制。

该材料在85°测量角要求下不适用于半哑光和哑光饰面。

所有硅胶型消光剂在大角度测量下均表现出相似的行为。
 

九、◆耐化学性
 

在10GU（10度光泽）下，二氧化硅3和有机物1对所有测试物质均产生了最佳的耐化学性。

二氧化硅2和4具有良好的耐化学性。

二氧化硅1结果差。

与其他市售的二氧化硅消光剂相比，两种新产品二氧化硅2和3在耐水、耐咖啡和耐红酒侵蚀方面均表现出改善。

二氧化硅2和3的新型有机处理可防止水和化学物质渗透到孔隙结构中。
 

十、◆透明度

二氧化硅消光剂有时会在水性清漆中引起白色雾影。

在深色木类型（例如胡桃木）上，该问题更明显。

物理原因是空气滞留在颗粒的多孔二氧化硅结构中。

在干燥过程中，聚合物分散颗粒中的大颗粒（直径40–120nm）不能填补挥发掉的水。

通过减少未定型间隙体积可以提高透明度。二氧化硅2、3和4产生了很高的透明度。

未经处理的二氧化硅1和有机物1则带来明显的雾影。
 

十一、◆机械磨损失光

与其他样品相比，二氧化硅2、二氧化硅3和有机材料1的耐机械磨损失光性有显著改善。二氧化硅1和4显示出高机械磨损失光趋势。

该结果与理论相符：未经处理的硅胶和热解二氧化硅表现较差，而经过有机处理的二氧化硅则表现出良好的性能。

十二、◆流变学

所有二氧化硅都对粘度有很大的影响（图8）。

经过有机处理的二氧化硅2和3比未处理的型号更有效地降低了粘度。

配方中仅包含易于吸附到二氧化硅表面的HEUR增稠剂。

热解二氧化硅也产生了这种效果，然而，新形成的气相二氧化硅颗粒增加了低剪切和中剪切区的粘度。

有机消光剂的流变特性与气相法二氧化硅相似。在配制水性涂料至所需粘度时，应谨慎注意流变学。
 

扫频测量表明，漆的表现类似于粘弹性液体。二氧化硅1、2和3在流变曲线中遵循相同的趋势。

二氧化硅是会导致弹性模量增加，与提出的机理相符。

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