不含聚四氟乙烯的蜡助剂

聚四氟乙烯 (PTFE) 是一种在涂料应用中具有独特性能的物质，适用于所有种类的涂料，以改善总体机械性能并提高抗划伤性及耐磨性，同时降低表面摩擦力。如将聚四氟乙烯用作涂料助剂，对光泽度或其它光学性能的影响非常小，也适用于食品接触应用。该物质本身具有化学惰性且耐温，而相较于巴西棕榈蜡或聚乙烯蜡等其它蜡助剂，也具有更高的密度。由于聚四氟乙烯密度较高，蜡助剂可在整个涂层中定向，而大多数其它蜡助剂则定向至涂层表面，且仅在涂层与空气界面相互作用（图 1）

聚四氟乙烯蜡助剂既可单独使用，也可与其它蜡基助剂结合使用，例如聚乙烯 (PE) 蜡。如采用该方式，聚四氟乙烯蜡助剂必须具有非常精细的粒度与极窄的粒径分布。因此，它的供货形式通常为微粉或有机溶剂分散液。^{1, 2}

聚四氟乙烯是典型的全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS），而氟化聚合物本身及其生产都是PFAS排放的主要来源。此大类合成化学品在现代社会有着非常广泛的应用。PFAS常用于防雨纺织品及户外服装的表面处理与浸渍，可提高耐候性和耐用性。此外，也可用于高性能消防服及消防泡沫，以及煎锅、烹饪锅、食品包装等日常用品，可实现防粘及易清洁等特性。同时，PFAS也适用于各种油漆、镀铬以及建筑材料，可提高产品耐用性。

尽管PFAS在上述应用领域中优化并改善了多种性能，但其缺点和负面影响仍不可忽视。部分PFAS对人体具有毒性，也是众所周知的环境污染物。由于碳氟键是有机化学中最牢固的化学键之一，因而非常持久且不易降解。此特性可为涂料应用带来持久性能，但却对环境有害，因为大多数此类物质会从排放源通过长途运输而扩散，并累积于自然环境中。研究表明，PFAS极易污染水源，包括雨水、地下水、饮用水、土壤等，而受污染场所的清理不仅难度高，且价格昂贵。此外，人体血液中也经常发现此类物质。经实验发现，PFAS会削弱人体免疫系统，并与胆固醇升高及肝损伤密切相关。

正因如此，全球监管机构已开始调查检测含有PFAS的聚合物，并号召全球公众及科学界关注PFAS的使用，及其可能带来的危害。包括欧洲化学品管理局、美国环境保护署和中华人民共和国生态环境部在内的全球主要监管法规机构，都已针对 PFAS 的使用出台了期限、限制、禁令及指导条例。^3-8

全新产品线介绍

针对聚四氟乙烯所具备的独特性能，我们已开发了部分常用聚乙烯/聚四氟乙烯蜡助剂的替代产品方案。毕克化学的全新蜡助剂产品可提供相当的性能，同时着重于提高耐磨性和抗划伤性。新产品系列可根据体系降低摩擦系数 (COF)，且对光泽度影响极小，同时也适用于食品接触应用。全新开发的三款替代产品现已开始供货，用于溶剂型和水性体系中与现有聚四氟乙烯标准蜡助剂的直接比较，请参见图2。三款新产品均采用固体供货形式，并微粉化至超细粒径 D90:10μm，以保证在各种不同应用领域中实现可靠的性能。CERAFLOUR 1050采用聚乙烯蜡基，特别推荐用于清漆和雾影敏感体系。CERAFLOUR 1051采用改性聚乙烯合金作为蜡基，并可在一系列广泛的应用领域中实现最佳效果。而CERAFLOUR 1052同样也使用改性聚乙烯合金，推荐用于摩擦系数要求较低的体系。

全新系列产品的技术性能

为确保全新替代产品可以达到过去几十年根据聚四氟乙烯蜡助剂而制定的市场标准，产品开发都基于对机械性能要求较高的各类测试体系及应用领域。

食品及饮料罐头需要长期保持内部食物或饮料的品质。由于储存时间长，必须尽量减少包装与食品之间的相互作用。罐头听内部通常具有有机涂层，以保护罐头听的完整性不受内部食物的影响，同时也防止罐头金属与食物之间发生化学反应。另一方面，罐头听外部也具有涂层，以避免罐头听在储存或运输过程中遭到损坏，并提供美观的包装。这也就意味着罐头内部和外部的涂层，都需根据特定要求满足不同的抗划伤和摩擦系数等性能。罐头行业的抗划伤测试通常采用 TQC-sheen机械划伤测试仪 705（图 3）。将测试面板夹紧并缓慢移动，同时测试针划伤面板表面，施加不同负载直到涂层被破坏。⁹

测量表面摩擦系数通常采用Altek 9505流动性/润滑性测试仪。施加重量并在样品上横向移动，可确定摩擦系数并直接显示于电子模拟仪表上。10 通过这两种测试方法所得到的蜡助剂新产品等级结果，请参见图4。测试体系为溶剂型无双酚-A聚酯/氨基清漆，所有蜡助剂用量均为总配方1%的固体蜡。

CERAFLOUR 999和CERAFLOUR 996 R是基于聚四氟乙烯改性聚乙烯蜡的微粉化蜡助剂，在此测试中作为市场标准比较样品。此外，图中还包含不添加蜡助剂的空白样品。测试结果清楚表明，所有助剂产品均可将涂层表面摩擦系数从 0.30（不使用蜡助剂），降低至0.06左右（使用蜡助剂）。含聚四氟乙烯产品和无聚四氟乙烯新产品的测试所得数值具有高度可比性，涂层硬度也同样显示相近结果。不添加蜡助剂的空白样品则表现出较低的性能水平，抗划伤性能仅100g。而每一种蜡助剂的使用都可将抗划伤性能提高至900 g。结果表明，可采用无E聚四氟乙烯新产品替换聚四氟乙烯蜡助剂，且无性能损失。

另一个特别重要的应用领域是卷材涂料，在金属成型前需先完成涂装。预涂漆金属的高品质涂层表面具有广泛丰富的颜色及质地，包括哑光或高光泽度、高滑度、橘纹或纹理。预涂金属材料也包括了各种等级的钢、铝以及合金。尽管卷材涂料所使用的有机涂料干膜厚度低于汽车涂料等后涂装，但仍然提供了非常出色的机械性能与光学性能。连续卷材涂装工艺通过卷材间的一致性，可提供最高标准的质量保证。11 这意味着所需的摩擦系数和耐磨性数值，必须精确可靠值，且调整至完美水平，以保持施工工艺的正常运行，并允许所有类型的零件在涂装过程后仍可确保切割与成型。同时，也不会对涂装本身或切割成型工具造成损坏。除了优异的机械性能外，涂层还必须提供恒定的光泽度和良好的流平性，并在应用后无需闪干时间。¹²

有效评估卷材涂料耐磨性，可采用Taber泰伯耐磨测试（图 5）。该测试中，将约100毫米的方形或圆形测试板安装至转盘平台上，该转盘平台以固定速度绕垂直轴旋转。对两个泰伯磨轮施加特定压力，与测试样品接触形成摩擦，从而使两个磨轮发生滑动旋转。转盘转动时，样品带动磨轮沿相反方向转动。一个磨轮由内向外摩擦测试样品，而另一个磨轮则由外向内摩擦，同时使用吸尘系统清除测试过程中产生的松散碎屑。 ¹³

经过特定转动圈数后，以毫克为单位测量重量损失。如图6所示，蜡助剂CERAFLOUR 996 R和CERAFLOUR 999依然作为市场标准产品，与溶剂型聚酯/氨基卷材涂料体系进行比较。所有蜡助剂用量均为总配方1%的固体蜡。结果显示，新型蜡助剂CERAFLOUR 1050、CERAFLOUR 1051及CERAFLOUR 1052的耐磨性能，与含聚四氟乙烯标准产品具有高度的可比性。相较于不添加助剂的空白样品，新助剂都可明显降低磨损，并保持相同的高光泽度。

在同样的聚酯/氨基卷材涂料体系中，不含聚四氟乙烯的蜡助剂新产品也展现出明显的额外优势。相较于无蜡助剂空白样品，新产品均表现出优异的流平性和出色的图像鲜映性 (DOI)。如图7所示，灯反射以光泽角显示于涂层表面，所有不含聚四氟乙烯的新产品都实现了出色的流平性，其中蜡助剂1051在该测试体系中表现出特别优秀的光学性能。

PTFE蜡助剂另一个特别重要的应用领域是一般工业涂料，其广泛的应用范围涵盖了从计算机及消费电子产品涂料，手喷漆和包装桶涂料到农业、农机以及汽车内饰用涂料等。工业涂料需要应用于多种基材，并需要适用所有类型的涂层技术，例如辐射固化、常规干燥、加热固化或双组分固化。此类涂料可以是溶剂型、无溶剂或水性体系，但其共同点是，都需要实现优良的抗划伤与耐磨性能。该应用领域的另一种测试方法是根据 Wazau SN 27650 进行磨损测试（图 8）。

该测试仪可测定涂层的耐磨性能，适用于承受较小机械应力的表面，例如与纺织品或纸张的摩擦。根据标准，耐磨性测试可在任何平坦的表面进行。将纸带以100厘米/分钟的恒定速度拉过具有涂层的面板，并以施加特定负载的圆桶将纸带压至样品区域。使得载体材料可见所需要的纸带长度（厘米），将作为耐磨性能的衡量标准。此外，也可以根据需求设置纸带在样品上移动的长度（厘米）。¹⁴

将不含聚四氟乙烯的蜡助剂新产品用于有机助溶剂含量为 10% 的水性单组份丙烯酸乳液中，并进行Wazau 耐磨性测试和 Taber 耐磨性测试（图 9）。每种蜡助剂用量均为总配方2%的固体蜡。Taber测试使用 CS10磨轮在每侧500 g压力下转动1,000圈；Wazau耐磨损测试则以涂层可承受的最大纸带长度进行评估，并在每个样品测试纸带长度超过300厘米时，进行视觉评估。结果表明，所有不含聚四氟乙烯的新产品在测试中均表现出良好的性能。Taber测试磨损量从无蜡助剂空白样品的25毫克，降低至使用蜡助剂新产品的4毫克。其测试结果与两种含聚四氟乙烯标准蜡助剂都具有高度可比性。而Wazau耐磨测试显示，所有无聚四氟乙烯新产品可承受的机械应力都与含聚四氟乙烯标准蜡助剂相同。特别值得指出的是，相较于不含蜡助剂的空白样品及含聚四氟乙烯蜡助剂，包括纸带长度超过300厘米后的磨损图片都显示，使用新产品的涂层磨损较小，且更加均匀。

经过开发阶段大量的样品测试，以及在各个应用领域、涂料体系中使用不同方法的评估后，可以得出结论，新推出的无PTFE聚四氟乙烯蜡助剂具有潜力可替代基于PTFE聚四氟乙烯的PE/PTFE聚乙烯/聚四氟乙烯蜡助剂（图 10）。新产品可在不使用PTFE聚四氟乙烯的情况下实现优秀的性能，例如耐磨性和耐刮擦抗划伤性；并且作为PTFE聚四氟乙烯蜡助剂的替代产品，不会对人类健康造成有害影响，或导致环境污染。以上所示测试结果是从一系列广泛的研发过程及扩展测试中精选的重要数据，同时也为全新替代产品的性能提供了实验依据。根据测试结果的全面概述，也建议在使用新产品替代PTFE聚四氟乙烯蜡助剂前进行额外评估，因为各个产品的实际性能将取决于具体的应用体系。推荐测试主要包括：特别针对清漆和雾影敏感体系测试CERAFLOUR 1050，针对低摩擦系数体系测试CERAFLOUR 1052，以及针对多应用领域实现最佳总体性能的体系测试CERAFLOUR 1051。