原子力显微镜为水性木器涂料带来了新的可能性

行业对水性、低气味涂料产品的需求不断激励制造商和供应商研究新的、更好的、更耐用的配方。转向水性配方的挑战在于能否提供溶剂型产品所期望的性能水平。这在木器涂料领域尤其普遍，由于对性能和耐用性的极高要求，水性低气味产品的接受速度较慢。

目前，水性涂料为500万干磅，仅占木器涂料市场的10%，估计为5000万干磅。这类游戏的总市场规模为4亿美元。水性木器涂料的使用预计将以每年7-10%的速度增长，而溶剂型木器涂料的使用将减少。如果将性能增强带入市场，并且在制造层面实施法规变更，则水性系统的增长很可能会加速，占据整个市场的更高比例。

提供高性能水性木器涂料的关键很可能在于原子力显微镜(AFM)，这是一种先进的技术，用于结构的可视化，以便详细了解基材的特性和涂层对其的影响。利用原子力显微镜，可以通过扫描探针技术对原子和分子细节进行可视化。

最近通过更传统的方法(如扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM))对聚合物进行高分辨率成像的工作受到了限制，因为探针很难成功成像像木材这样复杂的表面，而且样品制备技术非常繁琐。使用原子力显微镜，样品制备要容易得多，但迄今为止，大多数工作都是在应用于玻璃或云母衬底的聚合物薄膜上完成的。在这些情况下，AFM已被证明是评估聚合物薄膜形成的一个很好的工具。

尽管高分辨率成像技术已经存在了一段时间，但要想有效地使用它，还需要获得高级的解释技能，这是一个额外的挑战。根据多伦多大学化学系M. Cynthia Goh教授的一项研究，由于图像增强程序的丰富，原子力显微镜很容易帮助或误导研究人员。然而，这是一项必要的技术，以获得聚合物如何在不同的基材上工作的核心。

根据Goh的说法，从分子结构中理解宏观性质的演变是凝聚态物质研究的主流主题。这一目标在聚合物领域尤为重要。在基本层面上，我们面临的挑战是理解某些结构形成的原因和方式，以及如何控制它们。这一信息在技术上具有重大意义，因为高分子材料的性质不仅取决于它们的原子构成，而且取决于它们的形态。

Nacan一直在与Goh合作，将她的技能应用于木器涂料的聚合物物理研究。本文将讨论所进行的测试、总体结果以及对未来产品开发的影响。这些测试进行了一年，并提供了可能对木器涂料和其他产品类别中乳胶配方的发展产生重大影响的结论性结果。

原子力显微镜

理解AFM是什么以及它是如何工作的是至关重要的。用探针尖端跟踪表面作为测量地形的方法已经有一段时间了。事实上，电唱机的工作原理与此类似。触针轮廓仪是研究表面硬度的常用仪器，已被用于检测表面粗糙度和形貌，但有划伤样品的倾向。扫描电镜有其局限性，不能获得三维信息，扫描电镜的分辨率和对比度都很差。其他技术，如透射电镜，也只能提供二维数据。

然而，AFM可以应用于任何材料，提供更高的分辨率(即原子水平)，并且由于尺寸和所涉及的力的减小而导致的表面损伤要小得多。与样品相互作用的探针尖端安装在悬臂上，悬臂将作用在尖端上的力转换为可测量的量。AFM在可视化方面可以提供以下四个主要优势。

精度。AFM可以很容易地观察到从亚纳米到数百微米的各种长度尺度的结构。
高分辨率。它可以看到非常高的垂直分辨率的表面，并提供详细的三维可视化。
减少伤害。原子力显微镜能以相对无损的方式对样品进行成像。
实时监控。随着条件的变化，形态的变化可以实时实现。

测试过程

在研究木材的宏观结构时，最终目标是设计一种聚氨酯丙烯酸乳胶，它可以完全覆盖木材，并提供比现有产品更高的性能和耐用性。

采用原子力显微镜(AFM)检测木材表面性能，测量木材表面粗糙度的垂直距离。测试是在红橡木和枫木上进行的，这是最常用的地板覆盖物。

在微米级的图像中，对木材进行了三个阶段的检查:裸露的木材，涂上密封剂涂层后，涂上面漆后。制备了两种聚氨酯分散丙烯酸杂化样品，一种乳胶粒径小于100纳米，另一种乳胶粒径大于200纳米。物理性质图(见图1)表明，除了粒径外，乳胶配方的所有其他性质都保持不变。

AFM图像在红橡木上的表面图如图1所示。该表面图的Z(高度)比例尺为400纳米，肉眼无法看到。垂直距离，如截面分析(见图2)所示，显示了200纳米的最大范围。这表示表面非常粗糙或凹凸不平。

作为一种更细的木材，枫木记录的垂直范围为130纳米(见图3和图4)。

在红橡木和枫木上分别涂上粒径小于100纳米的丙烯酸乳胶密封涂层。两种木材表面的表面图表明粗糙度大幅降低(约为20纳米)(见图5-8，第16页)。面漆是在密封漆之后涂上的，对表面粗糙度的影响相对较小。

使用粒径大于200nm的聚氨酯-丙烯酸乳液样品配方在枫木上重复该过程。在涂上密封涂层后，表面变得不那么均匀，截面分析表明垂直距离减少到只有50纳米(见图9和图10，第118页)。为了消除其他可能的缓解因素，使用不同的聚结溶剂(即20%的texanol)来确保膜的均匀性不受影响。在改变溶剂和重复实验中，发现结果几乎是一样的。

整体涂层性能结果如图2所示。

测试了两种乳胶配方(即较小和较大的粒径)的附加性能，包括光泽度、附着力和耐磨性。在所有情况下，大粒径乳胶的耐化学性都比小粒径乳胶差。很明显，小粒径配方提供了更好的密封性，优越的耐化学性和更高的光泽度。