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西顿前沿| 水性聚氨酯涂膜光泽理论基础的分享

作者:西顿应用实验室

西顿新材料一直专注于产品研发和技术创新,致力于提升产品品质。在产品研发中,注重技术交流和培训,取长补短,共同进步。

一、水性聚氨酯涂膜光泽理论基础

涂层的表面观感取决于其对光线的反射、折射、吸收、涂层内颜料散射、涂层下基材反射等多种因素,光泽实质上是涂膜在外界光源照射下肉眼接受到的所有反射光、散射光。


涂料领域通常所说的光泽是镜面光泽通常用反射率R来进行评价。


上式中: R—涂膜的反射率;i—入射角; n—涂膜材料的折光指数

涂膜折光指数越高,涂膜反射率越高,镜面光泽也越高


常规聚氨酯材料的n通常在 1. 5 左右,假如i为 45°,如果涂料表面完全平整则计算反射率为 4. 85%。如果将聚氨酯折光指数提升到 1. 6,其反射率为 6. 29%。


1、分子结构对光泽度的影响


分子结构决定材料的折光指数,折光指数影响反射率


选择摩尔折射度高的基团,折光指数高




2、表面结构对光泽度的影响

水性聚氨酯是聚氨酯以颗粒形式分散在水介质中,其涂膜为颗粒堆积膜。虽然成膜过程中粒子会出现变形,粒子间出现融合,但其表面粒子的痕迹一直存在。这种痕迹形成的表面凹凸会对入射光造成漫反射,使得水性聚氨酯涂膜表面光泽低于溶剂型聚氨酯涂膜。



水性聚氨酯比溶剂型聚氨酯成膜粗糙度大

水性聚氨酯粒径大,成膜粗糙度大

3、调控表面粗糙度的方法

1. 控制乳液粒径——小粒径,粗糙度小,光泽度高。

2. 控制颗粒剪切模量——颗粒软,易形变,粗糙度小,光泽度高。

3. 添加成膜助剂——本质是降低颗粒剪切模量。

4. 采用后固化交联方式

——将相对分子质量设计得很低,其分散体粒子剪切模量也就不高,成膜后固化交联也可以获得高硬度涂层,如水性UV聚氨酯,2K PU涂膜。

二、丰满度与通透度

涂层丰满度一直是被消费者关注的美学热点,感觉上的一种厚实感,但到底什么是丰满度,怎么去评价却无标准。

丰满度的核心应该是厚度。更准确来说,应该是看起来的厚度。因为有时仪器测定涂层具有相同的厚度,丰满度却表现出极大差别。有些厚涂层看起来还会显得单薄、干瘪。

根据光学原理,感觉厚度 hv 与实际厚度 h 之间的关系如式:


其中: n—涂膜的折射率

透明涂层的折射率越高,涂膜看起来就越薄。

降低涂膜的折射率可以增加涂膜的丰满度。

1、涂膜的通透度

水性聚氨酯涂层的通透度主要与分子结构有关,一切形成相分离、结晶都会降低涂层透光率。相分离和结晶会形成多相结构,相之间会形成界面,相区的折射率也会有差异。相区界面就会散射光线而影响透光率。


三、水性聚氨酯消光与自消光树脂

消光的核心——涂膜表面的漫反射

消光对涂层表面粗糙度是有要求的,根据反射原理,要达到很好的消光效果,涂层高低起伏程度必需达到下式所示的要求。


h—涂层表面粗糙起伏差; λ—光的波长; α—光的入射角

对于波长λ为 380 ~ 780 nm 的自然光,α 一般选择60°。因此要使涂层具有很好的效果,粗糙度应该大于 1. 0 μm。

1、消光粉消光

消光粉的消光机理:

在涂膜干燥过程中,从厚的湿涂膜变为薄的干涂膜时,涂膜厚度降低,在涂膜变薄过程中,部分消光粉颗粒被顶托在涂膜表面,形成粗糙表面

消光粉是一类密度很低、蓬松带有大量空腔的物质,如二氧化硅消光粉。二氧化硅消光粉并不是中空球体,实质上它是一种类似一团棉球的物质。

消光粉在溶剂型和水性的不同表现:


2、消光粉消光存在的问题

消光粉在水性体系使用遇到 2 个难以解决的难题:

其一是涂膜在外力摩擦下会增光形成表面光亮划痕

——由于消光粉未被填充、机械强度低。蓬松的消光颗粒在外力挤压下会塌陷而使涂膜表面失去粗糙度。

其二是消光涂层发灰,黑度下降

——由于消光粉未被填充,消光粉空腔中存在空气,空气的折光率为1,远低于树脂,折射率差造成空腔界面强烈散射光线,外部光线未达到涂层基底就在涂层中被消光粉空腔散射,而散射的光线缺乏色泽为白光。

3、自消光水性聚氨酯

自消光水性聚氨酯目前主要的发展方向是大粒径水性树脂,利用大粒径水性树脂在成膜后涂膜保有的粒子痕迹形成粗糙表面

需满足以下两个条件:

1. 粒径必须大于 1 μm。

2. 粒子形变要小。如果粒子形变能力强,成膜过程中会出现粒子变形塌陷,粗糙度会降低。

4、自消光水性聚氨酯存在的痛点

自消光水性聚氨酯涂膜的表面凹凸粒子为实心结构,其摩擦增光现象得到有效改善,但牺牲了成膜物性。

分散体粒子粒径大,剪切模量高,使其不能完善成膜。为了使得涂膜表面粒子不融合获得粗糙表面,其涂膜内部粒子难以融合。

涂膜是粒子堆积结构而非致密的膜结构



四、展望——聚氨酯微球消光

1、小粒径高物性树脂+大粒径微球

大粒径颗粒在涂膜表面富集形成粗糙表面

小粒径成膜树脂构成致密涂层本体

这种结构才是最为完美的消光涂层结构:涂层表面有一定的粗糙度,涂层保持高通透性,涂层物化性能不受影响。


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