今天，蜡和添加剂行业面临的最大挑战无疑包括环境监管问题和可持续性考虑。然而，目前在挑战和关注清单的顶部是成本和性能。在提供低成本的同时，对高性能的需求在当今的市场中确实非常相关和重要。

在Jiang等人最近的一项研究中，¹作者讨论了用于水基建筑涂料的新型聚合物粘合剂技术。新的聚合物粘合剂技术本质上是基于分子的胶体自组装，旨在提高涂层性能和减少VOCs。这种设计方法的另一个名字是自底向上方法，它涉及到在一个界面上组织分子。这种方法固有的挑战是在大范围内指导分子的位置。虽然在基于涂层自组装的新粘合剂技术的开发方面已经取得了一些进展，但人们也应该意识到，使用蜡添加剂设计具有定制表面功能的涂层也存在自下而上的方法。根据应用程序的不同，这种方法可能提供更经济有效的解决方案，因为通常只需要少量(基于总配方重量)(低至1-2 wt.%)。从添加剂的角度进行自下而上的涂层设计，包括正确选择蜡的化学成分(这决定了表面增强的物理性能)，以及考虑蜡添加剂在涂层表面的流动性。此外，适当的测试来证明性能(这也可以用作开发工具)在涂料中蜡的自下而上设计中是至关重要的，既要具有成本效益，又要具有预期的目标性能。

蜡-各种化学物质和表面增强效益

蜡包括各种化学物质，包括合成费托蜡(长链碳氢化合物)、低分子量聚合物、酰胺和植物和动物来源的蜡酯，如巴西棕榈蜡和蜂蜡。蜡的物理特性包括熔融(软化)点，通常在~80°C-170°C之间，以及低熔体粘度(高熔体流动指数)。蜡是一种坚硬的固体材料。188金宝搏bet官网此外，像聚四氟乙烯和188金宝搏bet官网聚氨酯这样的材料，虽然不是蜡，但可以像蜡一样在涂层中使用。同样，使用不同材料的混合物(如。188金宝搏bet官网，PTFE and PE) broadens the spectrum of available surface-enhancing additives.

众所周知，蜡类助剂以润滑性、防滑性、耐划伤性、耐磨性、耐光泽性、拒水性、防堵性等形式提供涂层表面改性。然而，蜡添加剂也可以通过增加摩擦系数(COF)提供防滑性能，用于防滑地板的应用，磨砂，纹理效果，甚至用于软接触涂层应用的触觉。

蜡添加剂的不同表面增强效果与它们的化学和物理性能有关。例如，费托合成蜡相对坚硬，结晶性好，分子量约750- 1500克/摩尔。FT蜡是一种经济的表面改性剂，用于包装的润滑，木器涂层的抗划伤，粉末涂料的光泽降低和硬度。然而，与FT蜡相比，聚乙烯(PE)蜡通常具有更强的耐磨性和润滑性，而且更结晶，分子量更高(约1000 - 4000克/摩尔)。两种类型的PE蜡通常用作蜡添加剂-低密度和高密度PE -其晶体结构的数量不同。低密度PE (LDPE)比高密度PE (HDPE)有更多的分支结构，因此晶体少得多，熔点比HDPE低。PE蜡是用于油墨和涂料的最通用的蜡类型。聚丙烯蜡的分子量通常比PE蜡高，因此更耐用和弹性(更坚韧)。它们在涂层中具有良好的光泽和抗破损性，也用于提供抠图和纹理效果。和PE一样，根据不同的反应条件，PP蜡可以多为支链或直链(分别为低结晶度和高结晶度)。 Using Ziegler-Natta and Metallocene catalysts, which control the stereochemistry and thus the orientation of each monomer/pendant group in a polymer chain, physical properties like melting point can be tailored for a specific application (since melting point is directly related to a polymer’s crystallinity, which is itself related to the packing and ordering of a polymer chain).

表1总结了各种类型的蜡(包括性能类似蜡但不一定是蜡的材料)及其在涂料中的应用。188金宝搏bet官网请注意，聚氨酯珠甚至列在表1中，因为它们与PMMA珠和交联PDMS珠一起，被用于赋予触觉特性，如橡胶感或柔滑感的涂层。这些珠子可以使塑料、木材、纸张和玻璃等基材感觉豪华。，内饰汽车人造皮革)。

使用蜡裁剪表面涂层性能

为了利用自下而上的方法来使用蜡添加剂定制涂层的表面性能，必须首先确保蜡的适当润湿/分散。在测试一种新的蜡添加剂时，客户面临的最常见的问题之一可能是将干燥的蜡正确地融入涂层中。对于粉末涂料，适当的蜡分散需要在熔融混合挤压过程中有足够的能量(即，将蜡添加到预混合料中)。对于液体涂层，在研磨阶段使用高剪切分散剂是合适的，以确保蜡被适当湿润。同样，也可以在涂料中使用水性分散的蜡或蜡乳液。

由于目标是可靠地预测和调整涂层中蜡添加剂的表面性能，因此考虑蜡将迁移到涂层表面的机制也很重要。蜡主要通过两种机制中的一种分层到表面上-滚花或球轴承机制。在含有低熔点蜡或与聚合物粘合剂不相容的蜡的热固化涂层中，可能会发生蜡融化、冷却和再结晶，在涂层顶部形成薄的连续层的开花机制。²在风干液体涂层(例如溶剂型或水基)中，单个颗粒可能迁移到涂层表面的球轴承机制。图1给出了蜡颗粒在涂层本体和表面的说明;一些蜡颗粒通过滚珠轴承机构迁移到涂层表面。

控制分层过程和表面性能还需要控制蜡的粒径、粒径分布和颗粒密度。例如，在特定的应用范围内产生可重复粒径和分布的规格，确保均匀的光泽保持和外观(包括清晰度和DOI)以及哑光和缎面涂层的均匀光泽降低。此外，控制颗粒大小和分布有利于一致的性能，如耐磨性，润滑性和耐抛光性。因此，使用受控平均粒径(包括指定的最大粒径D99或D100，取决于蜡供应商)的微粉化蜡，并通过光散射、NPIRI和Hegman计进行测量。此外，由于在液体涂层中蜡颗粒的密度通常在0.89-2.2 g/cc之间，这取决于连续相的密度，颗粒可能会沉降或漂浮(注意，在粉末涂层中，涂层的成分也被观察到根据它们的密度分层)。密度也是一个重要的考虑，当剂量的蜡添加剂由组合两种或更多的材料(如。188金宝搏bet官网，melt blends, composites) into a liquid coating as the modified density of the additive will also impact the migration of the additive in a coating.^3.蜡的颗粒尺寸在表面消光中也起着重要的作用，因为人们通常希望将颗粒尺寸与有效消光的涂层厚度相匹配。

证明性能-抗划痕/Mar测试方法

最引人注目的方法之一是将精心设计和工程设计的添加剂与竞争对手区别开来，向最终用户(客户)提供数据——如果可能的话，包括真实的和/或模拟的数据。真实世界的数据意味着承诺的性能已经在现场进行了测试(或者可能非常接近现场测试)。模拟测试，如果可以将其与现实世界的性能相关联，也可以对预测材料的性能非常有用(特别是当现场测试可能由于需要的时间长而不实际时)。当然，在自下而上的设计方法中，人们需要一种可靠的方法，将表面性能与特定的添加剂化学和物理性能相关联。

纳米划痕检测方法

在许多涂料中，一个非常相关和关键的表面性能属性是耐划伤性。在制造、运输和处理涂覆基板(例如金属罐)过程中，抗划伤性对表面保护很重要。在Osterhold最近对涂层中抗划痕和损坏方法的综述中，⁴在评估抗划伤性的实验室方法和现实世界的现场测试之间发现了相关性。Gregorovich等人也描述过的实验室方法(纳米划痕法)，⁵包括用一个压痕器(有一个半径为几微米量级的尖端)刮擦一个表面来模拟结婚。值得注意的是，尽管“结婚”和“划痕”经常互换使用，但“结婚”对表面造成的损伤可以被认为是表面的轻微划痕，而“划痕”表示更严重的损伤。⁴用于纳米划痕测试的仪器用压头对涂层施加渐进载荷，并记录导致涂层破裂的载荷(称为临界载荷)。有趣的是，当从纳米划痕测试中确定的临界负载与汽车透明涂层的光泽降低进行了非常接近真实世界的现场测试，模拟洗车过程中的损伤时(称为Amtec测试)⁴-发现了显著的相关性。当然，人们可以从这些实验中得出结论，洗车刷可能会潜在地减少汽车清漆的使用寿命。

考虑到可以将这种类型的涂层耐刮性测试更进一步，使用它作为一种可靠和可预测的方法，用Wong等人描述的图形方法对涂有精心设计和工程的蜡添加剂的涂层进行排名。⁶通过确定正常载荷与压头尖端投影面积的斜率，以图形方式估计划痕硬度。一旦确定了压头在特定载荷下所产生的划痕宽度，就可以计算出尖端的投影面积。高分辨率显微镜和/或AFM可以用来测量一系列涂层的划痕宽度。划痕硬度有可能被用来作为一种开发工具，以排名涂料添加了各种抗划痕蜡添加剂。此外，如果一个真实世界的模拟，如Amtec测试，将与这个确定划痕硬度的图形方法相关联，这将是有趣的。

自动铅笔划痕与线性磨光器可重复的结果

另一种被广泛用于评估木器涂层损伤和划痕的划痕测试方法是铅笔划痕测试(ASTM D3363)。这种测试通常是手动进行的，拿一支具有特定硬度等级的铅笔，与涂层呈大约45度角，向前向下按压，在涂层上产生划痕。在使用了一系列不同硬度的铅笔后，对划痕进行目视检查，可以评估划痕硬度(也就是说，硬度等级最高、不会在表面留下永久痕迹的铅笔就是铅笔硬度)。一个训练有素、经验丰富的用户当然可以进行这样的刮擦测试并获得良好的结果。然而，还有另一种不依赖于用户的方法来执行这样的测试。线性磨光器允许用户控制在测量过程中施加的力量、线性磨光循环次数、冲程长度以及速度。例如，如果有人对开发一种新的蜡添加剂进行测试感兴趣，这种方法可以促进可控和可重复的结果。值得一提的是，必须为测试开发一种方法，在这种方法中，人们可以决定测试的最佳参数(例如，划痕速度，力的大小等)，因为铅笔划痕的ASTM并没有特别给出这方面的指导。然而，一旦确定了适当的测试条件，就可以使用这些相同的条件来测试整个系列的涂料，这对于开发工作是更可取的。

在最近的一项研究中，使用线性磨光机自动铅笔划痕来证明，添加了由HDPE、PTFE和莫氏硬度为9的纳米氧化铝组成的复合蜡添加剂的水基丙烯酸涂层的表面性能得到了增强。^3.采用自动铅笔划痕法对HDPE/PTFE蜡复合材料和HDPE/PTFE/纳米氧化铝蜡复合材料涂层进行了评价。在相同的蜡添加量仅为1 wt%的情况下，铅笔划痕硬度从3H翻倍至6H。这是一个例子，说明当与设计良好的添加剂(基于添加剂的化学和物理特性的知识)结合时，对表面性能(如耐划伤性)的适当评估方法如何在自下而上的设计方法中用于提高涂料的成本效率和性能。研究中的添加剂的改性密度与水基涂料的密度密切匹配。利用复合材料与目标性能的协同作用，采用配方方法设计添加剂。188金宝搏bet官网研究还表明，简单的干混合蜡组分(以与复合蜡相同的比例存在)不能提供与复合蜡相同的性能(即蜡组分熔合在一起)。SEM和SEM- edx对添加了这些添加剂的涂层的截面进行了分析，提供了蜡在涂层中的迁移率的快照。在这些快照中，有证据表明，当单独在涂层中添加聚四氟乙烯时，聚四氟乙烯会集中在涂层的大块和底部，而不是在涂层的表面。因此，添加剂的成本效率与添加剂在涂层中的流动性密切相关，因为添加剂必须到达涂层的表面。

结论

非常值得注意的是，少量的添加剂——仅占配方总重量的1-2 wt.%——可以在涂层表面性能上产生如此显著的差异，包括耐划伤和损坏、耐磨、耐抛光和润滑性。通过采用自下而上的方法，包括适当选择蜡的化学性质(因此目标物理性能)，考虑蜡的迁移能力(通常与颗粒密度有关)，并进行适当的测试，以证明重要的表面性能，如抗划伤性，人们确实可以成功地在涂料中使用蜡的成本效益和目标性能。是时候再看一看蜡了!

欲了解更多信息，请联系奥诺梅·阿戈里-伊维博士，电子邮件oagoriiwe@gmail.com

参考文献

¹江,美国;范·戴克(Van Dyk);莫里斯,a;波尔,j .;法、d;涂层应用的胶体粒子形态和自组装设计(2017)。艾姆斯实验室接受手稿。

²卡罗尔,jr;布拉德利,智慧化;Kalmikoff,人工智能现代涂料10月。1993．

^3.Agori-Iwe, O. 2018。用复合粒子技术创造的蜡添加剂的效率和性能。南方涂料技术学会。佛罗里达州的圣德斯汀。

⁴Osterhold, M。欧洲涂料杂志，2018第1期，52页。

⁵格里戈洛维奇,b;亚当森,k;林,L。有机涂料的研究进展，2001第43卷，第175页。

⁶黄,m;Moyse, a;李,f;苏,H.J.材料科学杂志188金宝搏bet官网，2004，卷39，页3293。