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来源：慧正资讯 2023-05-05 11:05
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下面，整理由西顿内部交流分享的——《水性聚氨酯涂膜光泽基本理论分享》，以飨读者。本文仅供交流学习，也欢迎同行一起讨论、探讨、指正。
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。
参考文献：
王武生: 水性聚氨酯涂料光泽控制——理论与实践
