在过去的几十年里，水性涂料的市场份额不断增加，而溶剂型涂料的市场份额则有所下降。这一转变有几个驱动因素，但主要动机之一是在配方中转向更环保的介质。这些水性配方通常还补充了其他助溶剂，以解决与使用水基分散体相关的一些问题。例如，加入乙二醇是为了降低水的冰点，以在暴露于冻结条件下保护配方，并在成膜过程中减缓水的蒸发，以努力在最终应用中提供更强的稳定期。挥发性聚结物还被用于暂时降低乳胶中高分子量聚合物的玻璃化转变温度，以允许在较低温度下形成足够的薄膜，同时最终仍能产生坚硬、耐腐蚀的最终薄膜。
然而，现在政府机构和消费者正在推动通过减少水性配方中相关的VOC含量来进一步减轻对健康和环境影响的担忧。这意味着从配方中显著减少或消除乙二醇和挥发性聚结物。尽管人们希望提供低voc涂料，与高voc涂料相比，其性能具有同等的优势，但迄今为止，能够提供上述关键性能的助溶剂的令人满意的替代品仍然难以实现。为了更好地理解这些固有的挑战，考虑潜在的基本机制是有益的。
在以乳胶为基础的分散体或配方中，冻结过程始于一些初始冰晶的形成。当这些冰晶生长或形成更多的冰晶时，水密度的净减少有效地增加了分散体的固体体积，并迫使乳胶颗粒挤得更紧。由于最初形成的冰含盐量低，剩余液态水中的电解质浓度会增加，这就压缩了静电稳定晶格的双层保护层。这些综合因素会降低初始乳胶的稳定性，并导致颗粒之间的接触。如果在这些条件下乳胶的稳定性不够，这种聚合在解冻时是不可逆的，并导致不希望的凝固。由于在这些低温条件下，聚合物流动和颗粒聚结会发生，这种情况会随着许多低voc涂料中使用的低Tg或更软的粘合剂而进一步加剧。因此，如果不使用乙二醇来减少冻结条件下冰晶的形成，许多低voc水性涂料无法提供足够的冻结/解冻(F/T)稳定性(图1)。
水溶性涂料的另一个重要特性是开放时间，它受到配方中乙二醇的减少或去除的显著影响。涂层的开放时间是指湿漆涂到基材上后仍可工作的时间，允许通过重新刷漆或滚涂进行修正，而不会导致表面缺陷。在乳化剂基涂料中，一旦乳胶颗粒接触并开始结合，这个时间就结束在成膜过程中，因为在这一点上，来自任何附加涂料的水都不能重新分散颗粒以产生新的流动。这个时间比薄膜干燥时间要短得多，后者是基于粒子聚结的完成。由于溶剂型配方中的低分子量聚合物在初次应用后更容易重新分散，即使是传统的水性配方在开放时间性能方面也相对不足。如果不使用乙二醇来减缓薄膜中水分的蒸发，以充分延迟初始颗粒之间的接触，低voc涂料配方在这方面的挑战从根本上来说甚至更大。
在这项研究中，提出了两种旨在帮助解决这些挑战的新添加剂。FT添加剂旨在改善低至零voc粘合剂和乳胶漆的冻融稳定性。研究并讨论了FT添加剂对水性涂料F/T稳定性的影响。OTE添加剂的目标是增加低voc到零voc粘合剂和乳胶漆的打开时间。研究并讨论了OTE添加剂对水性涂料开放时间延长的影响。
挑战是确定一种乳胶漆的方法，既能满足低到零voc的要求，又能产生F/T稳定性，并在不影响整体膜性能的情况下提高打开时间。除了F/T稳定性和打开时间外，还讨论了对其他涂料质量如光泽度和润湿性的好处。
实验
在表1和表2所示的低voc丙烯酸半光漆配方中，添加剂FT和OTE的使用水平分别为约1%(基于总配方重量)。在每种情况下，对照配方都与含有FT或OTE添加剂的原型进行了比较，同时添加和不添加传统润湿剂。对于不添加润湿剂的原型，分别将FT和OTE添加剂的一部分转移到研磨中，并在不增加配方中它们的总体使用水平的情况下作为重量的替代品进行替代。
涂料配方
涂料配方的制备如表1和表2所示。涂料配方的所有评估都在涂料初始制备后至少24小时后进行。
结果与讨论
英国《金融时报》的添加剂
含FT添加剂的研究结果见表3。在最初的F/T循环后，Control Paint失败了，而在原型中添加FT添加剂，无论是否添加润湿剂，在5个F/T循环测试中，所生成的涂料都没有凝固的迹象。此外，在五次F/T测试后，这两个原型的粘度略有增加。本配方中FT添加剂的水平是一个建议的起点，但不能推广到所有配方。在特定配方中，达到理想性能所需的添加剂数量取决于许多因素，如粘合剂化学性质、粘合剂粒度、油漆PVC、配方中使用的其他添加剂和试剂的水平等。
除了冻结/解冻稳定性外，还对其他关键性能涂料的性能进行了评估，并在表3中列出。结果表明，FT添加剂对表面活性剂的浸出和低温固化均无明显影响。然而，额外的分散稳定性导致每个原型的膜光泽增加。FT添加剂还可以去除配方中使用的传统润湿剂，而不会显著影响涂料的关键性能，显示出潜在的多功能优势。
结果与讨论
OTE添加剂
涉及OTE添加剂的研究结果见表4。对照涂料的开启时间较差，而在原型中添加OTE添加剂，无论是否添加润湿剂，都能获得明显更好的开启时间，如图2所示。本配方中OTE添加剂的水平是一个建议的起点，但不能推广到所有配方。在特定配方中，达到理想性能所需的添加剂数量取决于许多因素，如粘合剂化学性质、粘合剂粒度、油漆PVC、配方中使用的其他添加剂和试剂的水平等。
除了延长开放时间外，OTE添加剂的加入还可以改善涂层的其他性能，如表4所示。与FT添加剂的使用类似，胶体稳定性的改善导致每个原型的薄膜光泽度的增加。在同样的情况下，冻融稳定性也得到了改善，尽管在相同的条件下，相对于基于粘度上升的FT添加剂而言，其稳定性并不那么强劲。耐擦洗性结果表明，通过优化配方，例如，通过使用OTE添加剂进行功能替换，去除传统润湿剂，可以将该涂料对水敏感性的负面影响降至最低。
OTE添加剂的其他应用
OTE添加剂也被发现是一种有效的开放时间延长剂，用于工业涂料和其他类似的高成膜应用。除建筑涂料外，OTE添加剂被发现是水性丝网印刷油墨的优良缓凝剂(防止油墨在丝网上干燥)，从而实现了增塑剂的替代。其他应用和功能优势仍在研究中。
结论
两种新的添加剂，FT和OTE，已经开发了专利应用，用于提高无溶剂涂料的性能。这两种产品都不含APEO和溶剂，可以很容易地加入到水性配方中。在本研究中，对于低voc的丙烯酸半光粉配方，添加剂提供了显著提高冻融稳定性或显著增加打开时间。此外，还观察到诸如提高光泽度和颜料润湿性等其他多功能好处，从而开发出性能更高的低voc涂料。
参考文献
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栏:
标准涂料性能评估
ASTM D562-10用风暴式粘度计测量克列布斯单位(KU)粘度的涂料稠度的标准试验方法
ASTM D4287-00 (2010)使用锥形/板式粘度计测定高剪切粘度的标准试验方法
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ASTM D4062-11用拉降法测定油漆平整的标准试验方法
ASTM d4400 - 99 (2012) E1用多管涂胶器测定涂料抗凹陷性的标准试验方法
ASTM D2805-11用反射法测定涂料遮盖力的标准试验方法
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ASTM D2486-06 (2012) E1墙漆耐刷洗性标准试验方法，Gardco刷洗测试仪(Paul N. Gardner Co.)
ASTM d4828 - 94 (2012) E1有机涂料实际可洗性的标准试验方法，Gardco擦洗测试仪(Paul N. Gardner Co.)
ASTM d2243 - 95 (2008)水性涂料抗冻融性的标准试验方法
冻融稳定性测试
采用ASTM D2243-95测定乳胶漆的冻融稳定性。在测量粘度之前，用铲子将解冻的油漆用手充分混合。
开放时间评估
开放时间根据ASTM D7488-10进行评估。在恒定湿度/温度的房间(CTCH)中，使用黑色乙烯基Leneta擦洗板固定在铝拉板上作为基材。Leneta磨砂板被分为8个水平部分。使用陶氏压膜机绘制250微米湿膜厚度涂料。在每个部分上，在浇上油漆后立即用刷子的手柄尖端做一个标记(X)。然后在垂直的部分上涂上测试涂料，在一个方向上将每个部分刷过初始铸造部分。垂直切片以2分钟的时间间隔重复，每个时间间隔使用相同数量的笔刷。在评价结果之前，涂层在CTCH室中干燥24小时。
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