建筑涂料市场的需求需要新的聚合物来满足严格的硬度特性，同时保持低聚结需求。在过去，聚合物的硬度和封堵性能可以通过使用高tg单体和增加聚合物配方中挥发性聚结剂的量来提高。由于环保意识的变化，建筑涂料的VOC限制要求较少的聚结剂，较少的溶剂或使用低VOC的聚结剂。1在深基涂料体系中，低聚结要求下满足所需硬度变得更加困难，因为低voc着色剂的高负荷加剧了这一问题。在使用低voc着色剂的深底涂料系统中，最常见的性能问题是粘性和“绿色感觉”。绿色感觉这个词通常指的是即使经过很长时间的固化，油漆仍然保持粘性。低voc着色剂引入了许多表面活性剂、分散剂、保湿剂和聚结剂，导致了这一问题。粘性类似于绿色的感觉，但是这个术语是指随着时间的推移而消失的短期粘性，并被定义为在短时间接触后在压力下与基材形成可测量强度的连接的能力。2由于这些问题，市场需要一种低挥发性有机化合物的聚合物，该聚合物适用于低挥发性有机化合物、彩色深底涂料体系，具有低粘性或几乎没有绿色感。这种未被满足的市场需求还必须与其他常见涂料性能进行平衡。

所述低voc涂料体系的另一个重要特征是硬度剖面。有许多不同的方法来评估涂层的硬度，各种各样的测试可能会导致对硬度性能的不同结论。3.一些常用的试验有柯尼格硬度、铅笔硬度、抗块状硬度、耐印刷性、耐擦洗性和各种粘性法。这些方法中的每一种并不总是与其他方法相关，这可能导致对涂层硬度的不同结论。因此，涂层的最终硬度必须根据最终用户所需的应用或功能来平衡。建筑涂料的其他一些重要性能包括耐油和羊毛脂性、耐化学性、耐磨性、耐刮性、灵活性和可洁净性。如果涂料要用于外部应用，它们还必须承受热量、温度变化、水分、氧气、阳光和冻融循环。3.对聚合物设计的基本理解，因为它影响聚合物的功能，是满足当前建筑涂料需求的关键。本研究开发了一种测量表面粘性的测试方法，以加速聚合物的开发，适用于建筑、高光度、室内外涂料应用，重点是在低voc着色剂高负荷的深基系统中的性能。目前的聚合物技术很难满足硬度和低粘性的要求，同时保持前面描述的其他性能。许多聚合物的开发侧重于增加聚合物的硬度，并假设粘性也会改善;然而，情况并非总是如此。本研究比较了硬度和粘性的不同测量，以评估是否可以得出直接的相关性。文献中有很多关于粘性测量方法的参考文献，包括Zapon、剥离粘性、滚球粘性和探针粘性，以及涂层的主观手感。许多测试方法都有局限性，且不一致。本研究利用改良的探针-粘性试验在拉伸试验机上的使用，以定量和可重复的粘性测量取代其他主观粘性试验。拉伸测试仪配备了探针夹具，以量化高负荷低voc着色剂的深基涂料体系的粘性性能。 Correlation analysis between results of the probe tack test and other hardness tests was used to make conclusions on the overall hardness performance of industry-leading paints and polymers.

实验

着色剂基准研究

本研究主要关注我们的高光泽(HG)聚合物技术EPS HG-1的性能。将EPS聚合物与市场领先的竞争性聚合物和七种市售涂料基进行了比较。EPS HG-1和市场领先的聚合物被配制成VOC低于17 g/L的透明漆基。所配制的透明基础涂料中的VOC来自于涂料配方中使用的一种分散剂。研究中使用的所有商用涂料均为高质量、高光泽涂料，VOC含量从0到150克/升不等。商业涂料底料包括室内版和室外版，研究中所有9种底料都用12盎司着色剂着色。在使用的7种商用涂料中，一种行业领先的150g /L VOC商用涂料，在RT中具有早期硬度和低粘性性能，本文中称为IL-150，被用作EPS HG-1和竞争性聚合物的基准比较。分析了所有其他商业涂料基;然而，直接比较将只与伊尔-150基地进行。使用了四种不同的着色剂品牌; the details are shown below:

  • 着色剂A -低voc通用着色剂。
  • 着色剂B -低voc纯水性着色剂。
  • C-含挥发性有机碳，乙二醇基通用着色剂。
  • 着色剂D -低voc通用着色剂。

对于每个着色剂品牌，使用了四种不同的颜色，包括红、黑、蓝和黄色氧化物(YOX)。总共制作了144种涂料，代表了涂料基材、着色剂品牌和颜色的所有可能组合。

室温拉伸试验机的研制

用探针夹具对拉伸试验进行了改进，以量化成品涂层在RT时的表面粘性。所使用的设备是MTS Insight机电拉伸测试仪。油漆是使用4毫米的鸟棒在铝q板a -612(0.025“× 6”× 12“)上应用，并允许在环境条件下干燥24小时。干燥后，面板被切割成3和5/16 ' × 3 '的尺寸。切割的面板被放置在测试夹具中，涂漆的一面朝上，测试夹具被固定在拉伸测试仪的底部夹具中。探针夹具被夹入上部夹具，探针平面平行于涂料表面。然后，探针在不同的力和接触时间条件下与涂料表面接触。在设定的保持时间后，以不同的分离速率将探针夹具从油漆样品中移除，并以力为单位测量将夹具从油漆样品中移除所需的力。本研究使用的仪器设置和一般运行示意图分别如图1和图2所示。每个粘性力测量是在一个单独的面板上进行的，并记录了3到6个面板的平均值。 The optimized run parameters used are described in the results section.

图3显示了导出到Excel的两个推力测量的数据输出示例。粘性力定义为从涂料样品上拆卸夹具时测量的最大力值。正如文献中讨论的那样，测得的粘性越低，涂料样品的粘性就越低。4

对每个样本集进行统计分析，比较每个样本的平均值是否与集合中的其他样本不同。由于干燥条件的影响尚未确定，只能对同一日期测试的样品得出粘胶剂的结论。因此，不同日期制备的样品的粘性测量不能绝对地相互比较;然而，根据每个测试集中使用的控件，可以注意到策略结果的趋势。

高温块试验

采用ASTM D4946建筑涂料抗堵塞性能试验标准。在50ºC的烤箱中，以1公斤的重量，在24小时的固化时间后进行测试。

HT粗棉布耐印花

试验方法ASTM D2064建筑涂料用粗棉布耐印染性。测试在24小时固化时间后运行，在60ºC下运行1小时，重量为500克。从烤箱中取出后，取下砝码，用粗棉布将样品置于RT下静置30分钟。30分钟后，取下粗棉布，对样品进行评级。评分范围为0-10分，10分为无印痕，0分为棉布完全印在涂层上。

HT棉球印花阻力

ASTM D2064用于抗粗棉布印花，修改为使用棉球代替粗棉布。程序与列出的ASTM相同，但有一些修改:在Leneta图表上进行拉降(3密尔湿)，并在1天和7天从图表上切割2英寸的正方形。用半个棉球代替粗棉布，放在颜料样品和橡胶塞子大端的底部之间。在60ºC下，在塞子上方放置500克重物，持续1小时。从烤箱取出后，让样品在室温下静置30分钟。冷却30分钟后，用一个平稳的动作将棉花扯下来。样品的粘棉量为0-10(100%粘棉为0,0%粘棉为10)。

统计分析

使用Minitab Version 17或JMP Version 12.1.0进行统计分析。使用Tukey t检验分析来比较每个样品集中每种涂料与其他涂料的拉伸试验机粘性测量的方法。此统计检验仅用于比较数据集中的样本，以便在样本均值在统计上彼此不同时得出结论。该检验用一个圆表示每个样本，如果任何两个圆重叠且交角小于90度，则该检验得出的结论是，这两个样本的样本均值在统计上彼此不同。Tukey分析用于比较数据集中每种涂料的平均粘性平均值。

刮附测试(缩略图刮附测试)

ASTM D2197标准的有机涂层刮附测试方法，使用Gardco平衡梁刮附和Mar tester MODEL PA-2197B，带环形触头夹具，以克为单位测量刮附值。通常，刮附测试是在金属面板上进行的;然而，该测试被修改为在Leneta纸或聚酯薄膜图表上完成。这消除了测试的金属附着力方面，并允许很好地比较划伤涂层以分析硬度。这种硬度量化类似于对涂层进行缩略图划痕以评估薄膜硬度失效。使用Leneta图表的一个缺点是纸张上的最大力约为5000g刮附值。超过这个值，纸质图表就会损坏，硬度就无法准确量化。无论如何，在500g到5000g的刮附值之间，该测试提供了足够的信息来显示油漆的刮附性能，并量化行业常见和主观的缩略图刮擦测试。

耐擦洗试验

采用ASTM D2486标准的墙壁涂料耐擦洗性测试方法。

摆锤硬度试验

柯尼格硬度采用毕克摆硬度计，柯尼格摆在振荡模式下。

结果与讨论

RT拉伸试验机的研制

在进行着色剂基准研究之前，需要一种测试方法来量化涂料在RT下的粘性。以下标准用于测试方法的开发:

  • 定量化的策略和取代需要主观感受面板;
  • 可重复和可重复的测量;
  • 测试与面板主观感受的相关性;
  • 高效，易于完成，与工业常用的测试设备。

运行参数的实验设计

在DOE中优化了运行参数，以测量漆膜的粘性。关于不同运行参数的仪器设置的详细信息将在实验部分进行描述。影响DOE的因素有:

  • 湿膜厚度(4、7、10密耳);
  • 固化时间(1,4,7天);
  • 力(5,10和15磅);
  • 保持时间，或探针接触时间(5,10和15秒);
  • 运行速度，或分离速度(0.1,2.6和5 in/min)。

实验设计的帕累托图如图4所示。如图5所示，在每个运行速度下样本的平均值的图表显示，在较低的运行速度下，信号的范围增大。运行速度也是设计研究中最重要的因素。DOE中除了运行速度之外的其他因素被设置为创建尽可能短的运行时间。最终运行条件为:

  • 湿膜厚度:4密耳;
  • 治疗时间:24小时;
  • 力:5 lbF;
  • 保持时间，或探头接触时间:3秒;
  • 运行速度，或分离速度:0.2 in/min。

测量系统分析

采用所述设置和优化运行参数，在拉伸试验机上对各种涂料体系进行了多规R+R研究。测量系统的工艺变化通常在10-25%之间，这取决于操作人员和涂料的组合。在大多数情况下，胶尺研究由三种操作人员和三种涂料进行。在拉力试验机上的粘性测量系统在统计上显示是可重复和可重复的，并在本研究中用于确定样品集内涂料的粘性性能。粘性测量仅用于与该组其他涂料样品的比较测量，因为干燥条件会影响漆膜的粘性。

着色剂基准研究

正如实验部分所讨论的，这项研究包含9个碱基，每个碱基有16种涂料，总共有144种涂料。将参考的三种涂料基础将是EPS HG-1 (VOC为17克/升)，一种具有竞争力的聚合物(VOC为17克/升)和IL-150 (VOC为150克/升)。其余商业涂料基础的数据将被展示，但是除了IL-150之外，该系列的其他单独涂料将不会被标注。

拉力试验机粘性试验

优化后的运行参数用于RT的拉伸测试仪，以力为单位测量基准着色剂研究中涂料的粘性。如前所述，从涂料样品中移除探针夹具所测量的力越低，涂料的RT低粘性性能越好。在环境温度下，对B牌着色剂的每一种底漆的YOX颜色进行分析。图6所示为B品牌着色剂YOX涂料样品的粘性测量的Tukey t检验统计分析、箱线图和平均菱形图。Tukey分析用于比较数据集中每种涂料与其他涂料的平均粘性。结果表明，EPS HG-1涂料在粘性测量方面的性能与IL-150涂料没有统计学差异。EPS HG-1聚合物在粘性测量方面也比市场领先的竞争性聚合物和大多数其他商业涂料低。从这些数据中可以得出结论，即使在17 g/L VOC的情况下，EPS HG-1涂料在环境条件下也具有与IL-150涂料相当的低粘性性能，并且比样品组中的其他涂料具有更好的低粘性性能。

高温阻塞电阻

高温阻块测试数据如图7所示。每个漆基的16ht块等级垂直显示。具有竞争力的聚合物，EPS HG-1和IL-150油漆基标。总体而言，EPS HG-1对测试的16种着色剂中的14种具有7级或更高的阻隔等级;然而，基地有两次失败。竞争粘合剂有6个值小于4(少量膜失效)，3个样品的膜完全失效。与EPS HG-1基材相比，商用涂料各不相同，但总体表现较差。IL-150漆基在商用漆基中表现最好，只有一次失败，其余的评分在1到8之间。IL-150基础只有4种油漆等级为7到8，而EPS HG-1基础有14种油漆等级大于7。由此得出，在17 g/L VOC时EPS HG-1漆基比150 g/L VOC的IL-150漆基以及样品组中的其他商用涂料和聚合物具有更好的封堵性能。

HT粗棉布耐印花

粗棉布耐印性的数据如图8所示，每个漆基的16种涂料的数据垂直表示。EPS HG-1被评为8至10(10代表油漆上没有留下印记)，测试了所有16种涂料的耐印性。所有其他商业涂料和有竞争力的粘合剂的平均打印评级都低于5。IL-150油漆底漆的评分为1分7,6分0，其余油漆底漆的评分低于4。17 g/L VOC EPS HG-1漆基与其他聚合物和所有测试的高质量商用涂料相比，具有优异的耐印刷性能。

HT棉球抗粘性

在着色剂基准研究中测试的涂料的HT棉球粘性数据如图9所示。HT棉球粘滞值为0-10,10代表0%的棉花粘在暴露的油漆样品上，0代表100%的棉花粘滞。每个基础的16种涂料中的每一种都进行了排名，其值在图9中垂直表示。在总共测试的16种涂料中，有14种涂料的EPS HG-1底漆的额定值为10(含0%的棉花)，其他两种涂料的额定值为9(含10%的棉花)。在HT棉球粘滞测试中，IL-150商用涂料有7个等级为0(100%粘滞)，16种涂料中有14种等级为3或更低(70%或更多粘滞)。着色剂B体系的HT棉球粘性测试结果如图10所示。对棉球粘性试验结果的目视评估表明EPS HG-1在高温下仍保持低粘性性能。图中所示的竞争聚合物和商业涂料底料有大量的粘棉，并据此进行了评级，如图9所示。图中仅为B系着色剂;然而，测试的其他三种着色剂品牌的结果与图10中所示的几乎相同。 The EPS HG-1 polymer technology maintained low-tack performance in both the RT tensile tack test and the HT cotton ball tack test, whereas the IL-150 paint base was rated to have low-tack performance at RT but failed for tack performance at elevated temperatures. From the two tack tests performed, the EPS HG-1 paint base at 17 g/L VOC was concluded to have the best low-tack performance at both RT and HT testing compared to the other paint bases tested.

刮附试验

在环境条件下，对EPS HG-1、竞争性粘合剂和IL-150涂料的A牌着色剂红色涂料样品进行了刮附测试，如图11所示。该测试的目标是模拟在涂层顶部刮擦的缩略图，并量化从纸张基材上刮擦涂层所需的力的大小。EPS HG-1和IL-150涂料最大限度地发挥了刮附测试能力，刮附值大于5000 g。与其他两种涂料相比，具有竞争力的聚合物刮附力不足，其刮附力值为2000 g。EPS HG-1涂料在17 g/L VOC浓度下的刮附性能与IL-150涂料在150 g/L VOC浓度下的刮附性能相当。这些涂料还经过了缩略图刮擦测试。EPS HG-1和IL-150的漆膜不能用指甲盖刮除，而竞争粘合剂在低压下刮除。

耐擦洗

对EPS HG-1、竞争聚合物和IL-150涂料进行了磨砂测试。对着色剂B品牌的每个底料的YOX涂料进行了测试，如图12所示。

具有竞争力的粘结剂涂料的洗涤次数少于800次，而IL-150涂料的平均洗涤次数为500次。相比之下，EPS HG-1油漆擦洗1200次。结果表明，当VOC为17 g/L时，EPS HG-1的刷洗性能优于150 g/L VOC的行业领先商用涂料和17 g/L VOC的竞争性聚合物涂料。

Koenig硬度

对每个透明基材(未着色)进行柯尼希硬度测试，对竞争性聚合物EPS HG-1使用YOX涂料，对着色剂基准研究中的每个着色剂品牌使用IL-150，如图13所示。

EPS HG-1的柯尼希硬度在所有测试的碱基中都高于竞争粘合剂，而纯碱基比竞争粘合剂高出11个单位。虽然EPS HG-1的柯尼希硬度低于IL-150涂料基础，但应注意EPS HG-1基础是一种低voc配方。此外，当VOC浓度为17 g/L时，EPS HG-1具有其他优异的硬度性能，如耐擦洗性、刮附性、耐高温阻塞性、耐高温印刷性、耐高温拉伸试验粘性和耐高温棉球粘性。IL-150涂料具有最大的柯尼希硬度，但在高温粘性测试中失败，并且在耐擦洗性、抗阻塞性和耐打印性方面排名较低。这强调了一点，柯尼格硬度本身并不一定与客户认为对涂料性能非常关键的其他硬度特性相关，必须考虑柯尼格硬度与其他性能的平衡。

总结

建筑涂料的硬度剖面是一个高度争议和具有挑战性的性质定义。本研究采用多种硬度和粘性测试程序，以充分了解建筑涂料的硬度分布。为了测量涂料的粘性，在拉力试验机上开发了一种可重复、可重复的测试程序。柯尼格硬度是一种常用的分析涂层硬度的方法，它并不总是与其他硬度和粘性测量相关联，特别是在高温下进行测试时。

这项研究是在行业领先的深基商用涂料上进行的，其着色剂含量很高。本研究还包括一种领先的竞争性商业聚合物和一种新开发的高光聚合物EPS HG-1。以EPS HG-1配制的涂料，VOC含量低于25 g/L，在各种测试方法中表现出优异的硬度，包括在室温和高温下的低粘性性能。相比之下，业界领先的150克/升VOC涂料IL-150在环境温度下具有良好的低粘性性能，但在高温下就会失效。此外，IL-150涂料在测试的大多数其他硬度特性中都存在缺陷。

总体而言，EPS HG-1聚合物的性能优于行业领先的聚合物和涂料，并具有硬度和低粘性性能的最佳平衡，客户对涂料性能的评价非常关键。

参考文献

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2Kirsch, S.等人。相分离弥散粒子薄膜的界面和体性质。有机涂料的研究进展。45(2002)193-204。

3.固体涂层的力学性能。分析化学百科全书1-15。2012.

4Çakmak等人-表达聚合物信件。5(2011)1009-1016。

本文最初发表于2016年美国涂料展/会议。