《ACS Omega》：A Sustainable Approach to the Comparative Evaluation of Mechanical Surface Performance in Pigmented Paint and Transparent Varnish Systems Applied on Wood Panels
编辑推荐：
选择合适的涂层化学组成对延长木制品使用寿命和提高可持续制造中的资源效率至关重要。本研究比较评估了应用于东方山毛榉（Fagus orientalis L.）木板上的透明清漆和白色颜料涂料系统的机械表面性能。研究人员针对透明和颜料配方，研究了四种代表性涂层化学组成
选择合适的涂层化学组成对延长木制品使用寿命和提高可持续制造中的资源效率至关重要。本研究比较评估了应用于东方山毛榉（Fagus orientalis L.）木板上的透明清漆和白色颜料涂料系统的机械表面性能。研究人员针对透明和颜料配方，研究了四种代表性涂层化学组成——丙烯酸、聚氨酯、水基和纤维素。采用K?nig摆杆硬度测试（K?nig pendulum hardness testing）、耐刮擦性测试（scratch resistance testing）和扫描电子显微镜（SEM）表征机械性能和损伤演化。进行了统计分析，包括方差分析（ANOVA）、邓肯多重范围检验（DMRT）和相关性分析（correlation analysis），以评估涂层化学组成和涂层架构对表面性能的显著性。结果表明，与水基和纤维素涂层相比，丙烯酸和聚氨酯系统表现出更优越的硬度和耐刮擦性。此外，在相同树脂化学组成内，透明清漆始终优于其颜料对应物，表明涂层架构显著影响机械耐久性。SEM观察揭示，刮擦诱导的损伤机制（包括裂纹萌生、局部变形和涂层断裂）强烈依赖于涂层组成和微观结构特征。这些发现表明，丙烯酸和聚氨酯透明清漆系统提供了最高的机械耐久性和表面保护性能，有助于延长木制品精加工应用中的使用寿命并提高资源效率。
在可持续生物经济转型背景下，木材因其碳封存潜力、优异的强度重量比和可回收性而成为重要材料。东方山毛榉（Fagus orientalis L.）因其均匀质地和加工特性广泛应用于家具和装饰面板。然而，木材表面易受机械磨损、刮擦和环境暴露而退化，缩短产品使用寿命。当前工业中常用丙烯酸、聚氨酯、水基和纤维素涂层系统保护木材，但存在关键问题：基于相同树脂化学组成的透明清漆与颜料涂料系统之间的直接比较十分有限，涂层架构（即颜料颗粒引入对内部结构的影响）对机械耐久性的作用尚未阐明。因此，研究人员开展本研究，旨在比较评估四种化学类型的透明清漆和白色颜料涂料系统在东方山毛榉木板上的机械表面性能，为延长产品寿命和资源高效利用提供科学依据。该论文发表在《ACS Omega》。
研究人员为开展本研究主要采用了以下关键技术方法：使用K?nig摆杆硬度测试（依据ASTM D4366标准）评估涂层表面硬度；采用Taber 511刮擦测试仪（依据ASTM D7027-20标准）测定耐刮擦性，通过逐步递减载荷确定临界载荷；利用扫描电子显微镜（SEM）观察刮痕损伤形态；结合方差分析（ANOVA）、邓肯多重范围检验（DMRT）和皮尔逊相关性分析进行统计评估。样本来源为东方山毛榉（Fagus orientalis L.）木板，所有涂层样品由UNLU Co.（土耳其）提供。
研究结果部分如下：
**测量结果**：通过方差分析（ANOVA）评估了测量方法和涂层类型对硬度和耐刮擦性的影响，所有主效应及其交互作用均具有统计学显著性（p < 0.05）。邓肯多重范围检验（DMRT）结果表明，无论透明清漆还是颜料涂料系统，性能排名一致为：丙烯酸 > 聚氨酯 > 水基 > 纤维素。研究人员将此归因于丙烯酸和聚氨酯体系的高度交联聚合物网络结构增强了内聚力，而纤维素涂层则呈现热塑性特性。此外，在所有树脂化学组成中，透明清漆系统的性能值均高于对应颜料涂料，表明颜料颗粒的引入引入了颗粒-基体界面，可能成为应力集中点。
**DMRT比较结果**：针对摆杆硬度和耐刮擦性分别进行DMRT分析，结果进一步证实了上述排名。透明丙烯酸清漆摆杆硬度最高（107.80），耐刮擦性为4.00 N；而纤维素清漆最低（64.70和2.80 N）。颜料涂料中丙烯酸涂料硬度100.80，耐刮擦性3.75 N；纤维素涂料最低（57.70和2.55 N）。透明清漆系统在所有配方中均表现出系统性优势。研究人员强调，涂层化学和涂层架构共同决定了机械表面性能。
**涂层厚度特征**：使用显微镜测量干膜厚度，所有系统平均值在222–238 μm范围内，最大差异约16 μm（小于8%平均厚度）。研究人员认为厚度差异不足以解释性能差异，机械行为主要由聚合物化学、交联密度和微观结构控制。
**摆杆硬度结果**：测试后SEM观察显示无涂层断裂或损伤，确保测试的完整性。SEM图像显示透明纤维素清漆表面光滑均匀，而颜料纤维素涂料表面较粗糙，存在微尺度突起，归因于颜料颗粒影响成膜流平性。
**刮擦结果与示意图模拟**：刮擦测试排名与摆杆硬度一致。透明聚氨酯清漆表现出有限的塑性变形和轻微的侧向堆积，而颜料聚氨酯涂料则显示更明显的裂纹、断裂和脱粘。示意图（图6）概念性展示了损伤机制：透明聚氨酯清漆的载荷主要通过均匀应力分布和弹性-塑性变形容纳；颜料涂料中颗粒界面促进应力集中，加速裂纹萌生。
**SEM分析**：SEM显微图（图7）显示透明聚氨酯清漆的刮痕光滑连续，仅有轻微侧向堆积；颜料聚氨酯涂料则出现明显的侧向材料位移、局部断裂和微裂纹，甚至部分脱粘。差异归因于颜料颗粒引入的异质界面成为应力集中点。
**摆杆硬度与刮擦测量比较**：皮尔逊相关性分析显示两者之间存在极强的正相关（r = 0.99, p < 0.01），表明两种方法一致反映了涂层的固有机械完整性，但所评估的方面互补：摆杆测试表征抗表面变形能力，刮擦测试直接评估抗局部损伤能力。
在讨论部分，研究人员指出涂层性能受聚合物化学、交联密度、内聚力和微观结构均匀性共同控制。透明清漆的优越性源于其更均匀的结构，避免了颜料界面引起的应力集中。水基和纤维素涂层因交联密度较低或热塑性行为而性能较弱。
研究结论翻译如下：
本研究通过K?nig摆杆硬度测试、耐刮擦性测试、扫描电子显微镜（SEM）和统计分析，比较评估了应用于东方山毛榉（Fagus orientalis L.）木板的四种透明清漆系统和四种颜料涂料系统的机械表面性能。实验结果表明，涂层化学组成显著影响硬度和耐刮擦性能。在透明清漆和颜料涂料两组中，性能排名一致为：丙烯酸 > 聚氨酯 > 水基 > 纤维素。最高的摆杆硬度和耐刮擦值来自丙烯酸涂层，其次是聚氨酯系统，而纤维素涂层的机械载荷抵抗性最低。第二个主要发现是相同树脂化学组成内透明清漆系统始终优于颜料涂料系统。统计评估证实透明涂层比其颜料对应物具有更高的硬度和耐刮擦值。这一行为表明涂层架构对表面耐久性有显著贡献，除了粘合剂化学组成外。颜料颗粒的存在似乎引入了微观结构异质性，促进了局部应力集中并降低了抗刮擦损伤能力。摆杆硬度与耐刮擦测量之间的强一致性表明两种方法均有效反映了所研究涂层的固有机械完整性。此外，SEM观察揭示了不同涂层配方之间刮擦诱导损伤演化的明确差异，包括裂纹萌生、局部变形、涂层断裂和涂层-基底相互作用机制的变化。微观发现提供了直接证据，表明高交联和结构均匀的涂层对机械退化具有更大抵抗力。结果进一步表明涂层性能受聚合物化学、交联密度、涂层内聚力和微观结构均匀性的综合影响。丙烯酸和聚氨酯系统得益于更发达的聚合物网络结构，从而提高了承载能力和抗表面损伤能力，而水基尤其是纤维素系统对局部机械应力的抵抗性较低。从可持续性角度看，这些发现表明涂层选择应不仅基于配方类型，还应基于长期机械耐久性。能够在机械载荷下保持表面完整性的涂层系统有望降低维护频率、重涂需求、材料消耗、劳动力需求以及木制品使用寿命期间相关的环境负担。因此，丙烯酸和聚氨酯透明清漆系统可能代表延长产品寿命和提高木材及家具应用资源效率的有利涂层解决方案。
