本文讨论了纳米氧化物颗粒的掺入对提高溶剂涂料和水性涂料划痕耐磨性的不同机理。根据纳米粒子的浓度和它们在涂层中的取向，得到了不同的结果。除了纳米粒子的核心，表面的修饰(边界相)对Al2O3或SiO2的性能也有很大的影响。

在当今的透明和着色涂料中，对增强划痕和耐磨性的需求正在增加。保持其初始属性的永恒表面的想法是该领域正在进行的研究的驱动力。今天，不仅汽车或高端家具，而且瓷砖、大理石、木材、木地板、塑料、纸张和乙烯基地板等基材都有透明的表面涂层，以保护其表面不受磨损和划伤。有多种方法可以提高这些涂层的抗划伤性。

这些新的纳米二氧化硅和氧化铝颗粒也可以加入到着色涂料中。纳米二氧化硅和氧化铝颗粒不仅具有抗划伤性，而且可以帮助耐磨，更好的附着力，染色和耐腐蚀性，因为纳米颗粒创建了更密集的涂层结构。纳米粒子与硅酮、丙烯酸酯、二氧化硅和蜡有协同作用。

最近推出的含有氧化铝纳米颗粒的添加剂可以为溶剂、水性和UV涂料提供更好的抗划伤性。这些直径为20-80纳米的新型纳米氧化铝颗粒分散在不同的介质中，容易与低剪切结合到水性、溶剂性或无溶剂的uv固化体系中。通常，0.5-2.0%的低剂量可提供显著和长期的抗划伤、磨损和/或耐磨性，而不会对涂层的光泽、颜色、清晰度或其他物理性能产生不利影响。

由于表面活性改性聚(二甲基硅氧烷)、丙烯酸酯或蜡在涂层表面的取向和交联，以及整个涂层的包含，增强了纳米颗粒的性能。在不需要高光泽度的地方，纳米氧化铝颗粒与抹平蜡和消光剂的组合可以使涂层具有半光泽度。

在无机紫外线吸收剂中，氧化锌和氧化铈因其几乎完全吸附UV- a, B和c而脱颖而出。颗粒尺寸从微米减小到纳米，使配方剂能够配制出既能增强木材基材外观，又能为木材、金属和塑料基材提供长期保护，防止紫外线降解的透明涂层。典型的有机紫外线吸收剂将与现有的无机紫外线吸收剂进行比较。

测试程序

涂料配方采用以下添加剂掺入步骤。使用40毫米Cowles叶片的Dispermat CV以600转/分的速度混合2分钟。对于蜡和NANO的组合，首先将蜡以600转/分的速度混合2分钟，然后将NANO以600转/分的速度混合2分钟。所提到的所有添加剂剂量(纳米Al2O3或SiO2、蜡、丙烯酸酯、硅酮)均基于总配方重量。

应用程序
基材:美石板(用于磨损试验)和密封Byko图(用于划痕试验)。

应用工具:3mil鸟刀。

涂层:3层在美森耐板上，1层在碧高图上。

厚度:每层4毫升湿。干膜的厚度取决于涂层的固体百分比。

干燥时间:每次涂漆间隔2小时，最后一次涂漆后至少48小时。

打磨:干燥2小时后，(第一层和第二层)分别用200砂纸打磨，以确保其他涂层的适当附着力。

定义
划痕-用尖的或锋利的东西在表面上划一个薄薄的浅口或记号。

损坏-降低涂层的坚固性、完美性或完整性;玷污:破坏或玷污表面

抗划伤涂层(SRC) -一种涂在基材上的薄层涂层，用于防止用尖的或尖锐的东西划伤表面。

抗磨损性-材料的耐磨性。它是通过磨损试样，然后用光泽度计测量磨损区域的光泽度，并将结果与试样的未测试区域进行比较。

磨损或磨损-当涂层材料在与硬颗粒接触时发生脱落。颗粒可以位于第二材料的表面(二体磨损)，也可以作为两个表面之间的松散颗粒存在(三体磨损)。磨料磨损可以通过质量损失来测量，如Taber磨损。

硬度-固体材料对永久变形的抵抗力。

划痕试验
通过在BYK-Gardner的磨损测试仪(干式)上安装(9微米)抛光纸垫进行20次两次摩擦，评估每个样品的抗划伤性能。用BYK-Gardner的micro-TRI-gloss在刮擦面板前后测量光泽度(20o, 60o)(5个读数的统计平均值)。保光率(%)计算如下:



%光泽度保持= 100 *划痕区域的光泽度

原来的光泽

划伤检测包括损伤和划伤两个方面。

磨耗试验
试验方法:ISO 9352或ASTM D 1044。方法使用Taber磨料机(来自Taber Industries) CS-10磨料轮，1000克负载，100,250,500,750和1000个循环。


摆锤硬度测试- König
让涂层干燥8小时和48小时后，用König摆(König摆计数振荡次数)来测量硬度。

光学显微镜
在划痕测试后对每个样品进行显微摄影。使用MOTIC镜头在4/0.10倍率下拍摄图像。

纳米分散

就像我们试图将其他固体颗粒混合到树脂溶液中一样，如果我们只是试图将颗粒混合到溶液中，它会沉到底部，因为固体颗粒没有与溶液相容的表面积。图1表示了这些固体颗粒或纳米颗粒在树脂中的分散情况，使用适当的润湿和分散添加剂对当今涂料系统中的固体颗粒的功能至关重要。由于纳米粒子的体积小，必须使用更多的能量来分散它们。一旦这些固体纳米颗粒通过硬脂阻力或电荷斥力稳定下来，固体颗粒就很容易混合到树脂或涂层中(1000 rpm, 2分钟)。

纳米颗粒如何发挥作用

纳米粒子能够在树脂或涂层的整个长度和深度中建立均匀分布，从而使树脂或涂层在树脂或涂层内具有坚固的Al2O3或SiO2网络保护层。这是独特的纳米优势:当涂层被磨损时，仍有另一层纳米可用来抵抗划伤(图2)。

水性涂料中纳米颗粒的评价

层压裂

图4显示了另一个称为涂层压裂的问题。这就是涂层变脆的地方，当剪切力施加到涂层上时，涂层破裂或断裂。尽管该涂层与基材具有良好的附着力，但当施加剪切力(锯片)时，涂层会从表面脱落。这可以从透明涂层的白色标记中看出，或者在不透明涂层中，当施加力时从基材上脱落。在这里，纳米颗粒可以帮助它们的均匀分布，形成一个阻力网络，并具有几乎弹性的压裂特性。这样又可以增强水性涂料的性能。

耐磨性

水性涂料的另一种情况是耐磨性。今天，为了解决这个问题，人们使用蜡(聚四氟乙烯和石蜡的组合)来增加耐磨性或耐磨性。仅使用蜡的缺点是蜡很软，不能提供任何抗划伤、断裂或损坏的能力。这就是纳米和蜡可以具有出色的协同作用的地方。蜡与纳米的结合可以提高透明涂料和着色涂料的划痕、断裂、损伤和耐磨性。类似的原理适用于蜡，但这里的组合创造了一个更耐用的表面，能够保护薄膜免受划伤和磨损。图5显示了使用tabor磨料机的CF-10轮的丙烯酸/PUD配方。结果表明，蜡和纳米的组合具有最佳的综合效果。

破坏的抵抗

当纳米与硅酮结合使用时，也会产生协同效应。硅酮和纳米提高了大多数类型涂层的抗损坏性。他们一起工作在较低的表面张力的原则;它们可以根据涂层的涡流一起迁移Bénard细胞迁移(图6)。

抛光或抛光缎面或平面涂层

抛光或抛光缎面或平坦的透明涂层发生时，在配方中使用二氧化硅来平坦的完成外观。二氧化硅的问题是，二氧化硅定向到涂层的表面，当涂层被摩擦、洗涤或损坏时，最上层的二氧化硅很快就会磨损掉。再次使用纳米粒子，在二氧化硅和纳米之间产生协同效应，使二氧化硅均匀分布。这使涂层抗划伤，不再抛光(光泽)，图7。

防紫外线

在无机紫外线吸收剂中，氧化锌和氧化铈因其几乎完全吸附UV- a, B和c而脱颖而出。将颗粒尺寸从微米减小到纳米，可以形成透明涂层，既可以增强木材基材的外观，也可以为木材、金属和塑料基材提供长期保护，防止紫外线降解。典型的有机紫外线吸收剂与可用的无机紫外线吸收剂之间的比较如图8所示。

结论

纳米Al2O3和SiO2在适当的分散情况下，可以增强水性、溶剂型和UV型涂料。由于水性涂料是最难改进的涂料，因此本文重点研究了水性涂料。纳米可以通过形成颗粒网络来抵抗元素，从而提高抗划伤性。该网络还有助于防止涂层破裂和损坏。

在透明的高光涂料中，纳米颗粒足够小，可以增强抗划伤性而不会产生雾霾。在缎面和平面涂层中，纳米颗粒不仅可以提供抗划伤和抗损坏性，而且有助于涂层的抛光或非抛光。

当与蜡一起使用时，纳米颗粒可以增强着色或透明涂层的耐磨性。紫外线吸收剂，氧化锌和氧化铈因其几乎完全吸附UV- a, B和c而脱颖而出。此外，纳米氧化物由于不从薄膜降解而提供永久保护。这就是纳米技术能为今天的涂层技术带来的东西。

确认
纳米技术科学家Mandar Mulay;Thomas Sawitowski博士，纳米技术全球经理;纳米实验室经理Michael Berkei博士;罗伯特施罗德，高级化学家-沃灵福德实验室。

本文在由南密西西比大学聚合物与高性能材料学院和南方涂料技术学会主办的水性研讨会上发表，2009，新奥尔良，洛杉矶。