水性涂料在北美建筑涂料领域占据主导地位并不奇怪，这主要是由于它们对环境友好，便于消费者使用。在2017年独立建筑涂料市场研究中，北美建筑水性涂料市场的规模超过470万吨。¹住宅重新油漆和改造市场，包括消费者自己动手(DIY)和承包商油漆，占该细分市场的67%以上。这一细分突出表明，新房主、现有房主和承包商粉刷房屋的数量每年都在增加。

对于这些部分，高度重视平衡的性能。这些性能和应用目标在产品标签声明中被强调。通过对14个顶级涂料生产线的调查，人们可以看到抗污性、耐久性和单层隐藏是三个最受重视的性能优势。图1显示，在同一产品上，那些最重要的声明经常被多次突出显示，以强调它们的价值。此外，所有的光泽强调相同的要求，表明良好的交叉光泽性能。这里将介绍一项基准实验室研究来评估这些说法。

然而，聚合物开发商和涂料制造商面临的挑战是实现这些主张的改进和平衡。实现平衡性能的挑战部分是由于这些性能属性中的一些通常是相互对立的。确定要优化的性能目标，理解要利用的测试方法，并交付创新的解决方案是成功的产品开发的核心。本文将概述挑战，并提出聚合物和涂料配方解决方案，以实现这些目标。

评估商业涂料标签声明的方法

耐久性、耐污性和一层遮盖性被赋予如此巨大的价值，这并不奇怪，因为它们都与涂料保护和美化作用的实际方面有关。本节强调了它们的意义和用于评估这些好处的方法。

消费者将耐久性作为内墙涂料的主要特征，期望在第一次粉刷后能长期保持其外观的持久完成。为了评估耐久性，许多行业依赖于ASTM D2486等标准化方法来测试干燥涂层的耐磨性。

一层皮对于消费者能否轻松改变墙面颜色至关重要，这与流变性、被毛重量和TiO有关₂分散稳定性。色调强度是TiO的相对测量₂分散性和使用内部测试方法进行评估，其中着色剂添加到成品油漆中，并通过比色法测量落差。

最后，像消费者报告、ASTM和MPI这样的组织都建立了测试方法来评估耐污性，也被称为可洗性或可清洗性。每种方法包括四个方面:评估的污渍类型、污渍停留时间、洗涤介质和评估耐污性的方法。所有产品都专注于抗亲水性和疏水性污渍，污渍停留时间从10分钟到24小时不等。洗涤介质也有很大的不同，从使用标准或商业磨料或非磨料清洁剂。几种方法被用来评估耐染色性，从定量到定性技术。色差(ΔE)将染色区域与未染色区域的亮/暗、红/绿和黄/蓝联系起来，同时也可以使用数值尺度进行主观测量。或者，在家庭污渍评估是常见的情况下，可以使用客户特定的方法。

总之，我们可以看到，由于程序的多样性，使用有代表性的测试方法来评估涂料性能是一个挑战。由于重视耐久性、耐污性和一层涂层，采用合适的测试方法对提高涂层性能提出了挑战。

基准测试和聚合物开发的实验方法

抗擦洗方法

通过将7密厚的湿漆膜涂在擦洗控制板旁边的黑色Leneta图表上，在25C/50%相对湿度(RH)下干燥7天，然后在Gardner耐磨磨损机上使用Leneta SC-2擦洗介质进行擦洗，从而评估其相对耐擦洗性。记录到失败的擦洗周期，并比较来自同一图表的三个值的平均值，结果作为对照的百分比报告。

耐洗性试验方法

一种多染色方法评估了商业平面和半光漆中亲水性污渍(热咖啡和Carlo Rossi勃艮第加州餐酒)和疏水性污渍(#2铅笔，蓝色蜡笔，Bic钢笔和Covergirl hot Chaleur 305红色口红)的去除。在黑色的莱内塔图表上准备了7密耳厚的湿式落水，并干燥了三天。将污渍涂抹在漆膜上2小时，然后使用非磨蚀性Leneta SC-1清洁剂清洗100次。干燥后，使用毕克加德纳分光光度计测量ΔE值与未染色部分的抗染色性。这种方法如图2所示。在基准测试研究中，使用了1-10的评分，其中10代表完全去除污渍，1代表没有去除污渍。

色彩强度法

通过向FlakTek杯子中加入控制量的黑色着色剂来评估色调强度，然后加入控制量的油漆，然后通过高速搅拌机混合30秒。在不透明度图表上涂抹3密尔厚的湿降液，并在25C/50% RH下风干一夜。对漆膜的密封区域进行了四次%Y反射率测量，并计算了每次的Kubelka-Munk (KM)值。每种涂料的着色强度以控制涂料KM值的百分比报告。

商业产品标签声明和基准测试以识别性能差距

本节概述了上节中八种涂料的基准测试，以更好地理解性能的实际平衡以及耐久性和耐污性的差距。由于TiO用量的不同，着色强度没有进行评估₂用于商业涂料。

图3显示了平面和半光漆的耐污性结果。在这些图表中，除去所有污渍的油漆的评分为10，因此总共有6个污渍，油漆的最高评分为60。

值得注意的一点是，虽然大多数涂料声称具有优异的抗污性，但所有涂料的抗污性都低于最大值的50%，大多数涂料的抗污性低于满分60分中的20分。此外，由于平原液的配方为较高的颜料体积浓度(PVC)，颜料和扩展剂的类型和水平会影响染色相互作用。最后，有些污渍尤其具有挑战性，比如闪闪发光的钢笔和葡萄酒，以及半光颜料的口红。

图4概述了耐擦洗性结果，红线描绘了1000次擦洗循环，这通常是室内涂料可以接受的。然而，如图4所示，只有一半匹配或超过1000个循环。半光漆，另一方面，提供更大的耐久性。这并不奇怪，因为在半光泽配方中较高水平的树脂会导致更大的颗粒-颗粒相互作用和相互扩散，从而改善薄膜的形成和涂层的耐久性。

总而言之，我们对8条顶级室内涂料线的耐污性和耐久性进行了基准测试。根据产品标签上的声明，预期这些涂料在耐洗性和耐擦洗性方面表现得非常好;然而，实验室测试表明，平面涂料的耐擦洗性存在缺陷，并且两种光泽的可洗性都是可变的。

我们平衡多光泽性能的方法

本文的其余部分概述了一种树脂的发展，它在室内涂料中提供了可洗性、耐擦洗性和着色强度的平衡。通过对本体单体、功能单体种类和水平的精心选择，以及工艺条件和表面活性剂的选择，对这些属性进行优化。此外，介绍了水性涂料配方中各组分对耐污性的作用。应该强调的是，在产品开发人员的工具箱中有大量的工具，但正确使用这些工具对于实现平衡的性能至关重要。

适当选择聚合物组成以提高抗擦洗性和耐污性

乳液聚合物中单体的选择与涂料的玻璃化转变温度(Tg)、MFFT和疏水性等性能密切相关。本文概述了如何正确选择单体对涂料性能产生意想不到的影响。更具体地说，我们观察到一种替代体单体在抗擦洗性和可洗性方面都有意想不到的改善。这是值得注意的，因为这两个属性通常是相互矛盾的。

如图3所示，红色口红是一种具有挑战性的污渍，它是由高度着色的酚醛颜料在疏水介质中组成的。图5概述了修改散装单体组成时口红的可洗性。在每个面板的左边是一个半光筛选配方的商业丙烯酸树脂，右边代表实验树脂。对于只含有BA和MMA本体单体的聚合物，口红的耐洗性ΔE为1.29(越低越好)。在保持Tg不变的情况下，通过引入第三个共聚单体，将ΔE提高到0.59。

这种替代体单体组合物的另一个好处是涂层的耐久性大大提高。如图5所示，随着单体组成的改变，抗磨砂性能提高了36%。这是有吸引力的，因为额外的擦洗周期允许更大的配方灵活性，并有助于支持耐久性的要求。

总之，通过优化单体组成，我们已经确定了一个强大的杠杆，以提高抗污性和耐久性。

正确选择功能单体类型和水平，提高耐久性和耐污性

功能单体在低水平上用于赋予涂层功能或乳化聚合物的稳定性。它们涵盖了广泛的功能和化学性质，从(甲基)丙烯酸，含磷和含硫乙烯基和(甲基)丙烯酸单体，水解硅烷，(甲基)丙烯酰胺，尿素(甲基)丙烯酸酯和环境交联剂。

本节概述功能单体的类型和水平如何影响耐久性和耐污性。在表1中，不含功能单体的基础聚合物达到了抗擦洗性的基本水平。然而，低水平的共聚单体2可以提高近50%的抗擦洗性，而较高水平的共聚单体2可以提高130%。使用同样高水平的具有相似化学性质的功能单体，共聚单体3只能适度提高抗擦洗性。此外，单体2提高了两种具有挑战性的污渍的可洗性，钢笔和口红(图6)。

总之，通过筛选功能单体的类型和水平，我们已经确定了同时提高抗污性和耐久性的另一个杠杆。

平衡功能单体组成及工艺改进TiO₂效率

一层皮是与TiO相关的高价值产品标签声明₂分散稳定性。颜料的稳定性是通过评估色调强度量化，概述在实验部分。虽然分散剂被加入到配方涂料中以促进颜料的湿润和稳定，但聚合物的相互作用也有助于这种稳定性，如本节所强调的。

表2概述了我们已经确定的提高色调强度的杠杆。作为基准，当共聚单体4不存在并进行控制过程时，色调强度处于控制水平。通过添加低水平的功能单体，显色强度显著提高(24%)。此外，在保持相同水平的共聚单体4的情况下，改变工艺会导致色调强度的负变化。这些范围可以与阿科玛的商业乳液聚合物相比较，后者在相同的半光配方中可获得109%的着色强度。

总之，我们已经确定了一种可以用于改善TiO的功能单体₂进一步优化工艺条件时的分散效率。这代表了另一个杠杆，以促进改善涂料性能。

乳胶表面活性剂对胶体稳定性和可洗性的影响

虽然本体单体和功能单体在乳液聚合物性能中起着主要作用，但聚合表面活性剂除了作为稳定剂的主要作用外，也对性能起着重要作用。本节重点介绍了两种情况，评估表面活性剂类型以提高反应清洁度，尽管由此产生的变化也会影响耐污性。

正如基准研究中强调的那样，红酒和咖啡是家庭污渍的挑战。图7中左边的面板表示使用助表面活性剂来提高反应器清洁度时观察到的可洗性。在面板的下半部分，抗污性能优异，而乳液聚合的洁净度较差。然而，只需添加0.2%的阴离子表面活性剂，就可以得到更清洁的过程。不幸的是，低水平的阴离子表面活性剂对咖啡和葡萄酒的可洗性产生了负面影响，如面板的上半部分所示。图中所示的ΔE测量值是使用下半部分作为参考。

类似地，图7右侧的面板表示当改变主要表面活性剂以提高反应器清洁度时，红色口红的可洗性。同样，在控制乳胶系统中使用的主要表面活性剂(底部)被发现对口红具有良好的可洗性，尽管反应器的清洁度很差。使用不同的阴离子表面活性剂可提高洁净度;然而，如右图面板上半部分所示，口红的耐洗性较差，ΔE为+0.75。

综上所述，表面活性剂包的正确选择对于优化乳胶的稳定性和性能至关重要，可洗性会受到极大的影响。

涂料配方组分对可洗性的作用

在产品开发周期中，主要关注的是粘合剂对涂料性能的影响;然而，涂料配方的成分同样重要。这是由于涂料配方中颜料和添加剂的化学性质和可用性的广泛阵列，以及它们对涂料性能的影响。

图8中的三个可洗性面板显示了改变涂料配方成分对咖啡和红酒可洗性的影响。每个面板的下部是用优化的半光配方的粘结剂制备的涂层。每一个的顶部部分代表了涂料配方的变化，如上所述的面板。在这三种情况下，这种变化都对咖啡和红酒的可洗性产生了负面影响。这三个面板表明了识别乳液聚合物组成和突出所需性能的涂料配方的重要性。可以想象，在同一配方中混合这些影响可能会导致非常差的涂料性能。

内部涂层的平衡多光泽性能

正如所讨论的，乳液聚合物的组成部分进行了优化，以在半光漆配方中获得优异的耐久性、耐污性和着色强度。图9展示了由本体单体、功能单体、工艺条件和表面活性剂稳定包组成的乳液聚合物如何在平面和半光泽中提供优异的性能。与每个面板底部所示的商用树脂相比，原型树脂对口红、钢笔、蜡笔、咖啡和红酒的耐污性有所提高。此外，原型树脂表现出优异的耐擦洗性，在平面漆中擦洗次数超过1000次，在半光漆中擦洗次数超过2500次。此外，与目前商用树脂相比，着色强度为12-15%，这在客户层面上节省了大量成本。

结论

北美建筑涂料领域主要由住宅改造和重新油漆领域主导，这是商业DIY涂料的适用领域。这些产品是通过产品标签上的声明来销售的，从这些声明的摘要中可以看出，耐用性、抗污性和一层皮是高度重视的。从这项工作中可以明显看出，在测试耐洗性和耐擦洗性时，实际性能与产品标签上的声明并不完全相关。

为了在室内涂料领域设计一种性能更好且平衡的乳液聚合物，阿科玛确定了聚合物和配方驱动因素，以提高上述三个性能目标。通过优化本体聚合物组成、功能单体类型和水平、工艺条件和稳定包装，原型树脂表现出良好的性能平衡。涂料配方优化也被证明对涂料性能有重大影响，其中分散剂，增稠剂和颜料的选择是至关重要的。这种树脂可以实现多种光泽的性能平衡，其中平面和半光漆表现出优异的性能。

参考

1 K。Furst, E. Kriz和S. Shaw, Freedonia行业研究#3493，美国建筑涂料市场，2017年2月;https://www.freedoniagroup.com/brochure/34xx/3493smwe.pdf, 2019年3月18日访问。

欲了解更多信息，请发送电子邮件至jeremy.grove@arkema.com。