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基于水曲柳基材的水性漆漆膜性能研究

皇权飞 黄艳辉 张唯 林欣雨 王雪聪

皇权飞, 黄艳辉, 张唯, 林欣雨, 王雪聪. 基于水曲柳基材的水性漆漆膜性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 140-146. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
引用本文: 皇权飞, 黄艳辉, 张唯, 林欣雨, 王雪聪. 基于水曲柳基材的水性漆漆膜性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 140-146. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
Huang Quanfei, Huang Yanhui, Zhang Wei, Lin Xinyu, Wang Xuecong. Film properties of waterborne paint based on Fraxinus mandshurica substrate[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 140-146. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
Citation: Huang Quanfei, Huang Yanhui, Zhang Wei, Lin Xinyu, Wang Xuecong. Film properties of waterborne paint based on Fraxinus mandshurica substrate[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 140-146. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088

基于水曲柳基材的水性漆漆膜性能研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
基金项目: 北京林业大学大学生创新创业训练项目"竹材水性漆高附着工艺及机理研究"(X202010022286),大学生创新创业训练项目“竹木水性漆涂饰工艺及附着机理研究”
详细信息
    作者简介:

    皇权飞。主要研究方向:环保涂饰。Email:1039053978@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者:

    黄艳辉,讲师。主要研究方向:环保涂饰。Email:huangyanhuizhou@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: TQ630.1

Film properties of waterborne paint based on Fraxinus mandshurica substrate

  • 摘要:   目的  水曲柳作为优良的硬质木材,常被用来制造中高档家具。水性漆是一种非常环保的涂料,研究其在水曲柳基材上的漆膜性能对于水性漆性能的提高和涂饰工艺的优化具有重要的现实意义,还可为水性漆在木材上的大规模工业化应用提供理论支持和科学依据。  方法  以水曲柳为基材,用商业水性漆对其进行涂饰,待漆膜完全固化后按照相应标准测定漆膜的各个性能,并用SEM和FTIR分析水性漆在基材上的附着机理。  结果  得到的漆膜厚度为96.63 μm,硬度为H,附着力高至0级,耐水性可达1级;涂饰前后总色差值ΔE为9.86,说明本涂饰较好地保持了水曲柳本身的颜色。由于底漆均匀地覆盖在基材表面,封闭了基材中亲水性的羟基,使得涂饰底漆后基材表面的接触角提高了10°,疏水性能得到提升。涂饰后基材的表面光泽度明显提高,且其平行纹理方向的光泽度比垂直纹理方向的高了40.4%。这主要是由于组成木材的细胞大多呈轴向排列,水性漆主要填充在纵向排列的细胞腔中,很难渗入到以纳米级孔隙为主的细胞壁中。水性漆与基材主要以机械互锁的物理形式相结合,此外也发生了化学反应。1 148 cm− 1处峰强度增加,说明水性漆中的羧基与基材中的羟基发生了酯化反应;出现了新的1 063 cm− 1峰,说明基材中的纤维素与水性底漆中的羟基发生了醚化反应。  结论  水性漆能在水曲柳表面形成较好的附着,保护性能较好,且能有效提高基材的视觉效果,进而提高其商业价值。
  • 图  1  涂饰工艺流程图

    Figure  1.  Painting process flowchart

    图  2  涂饰前后基材径切面SEM图

    Figure  2.  SEM pictures of the radial section of the substrate before and after painting

    图  3  基材涂饰后漆膜附着力测试图

    Figure  3.  Test picture of film adhesion after substrate painting

    图  4  涂饰前后基材横切面SEM图

    Figure  4.  SEM images of the cross section of the substrate before and after painting

    图  5  涂饰前后色度值对比

    Figure  5.  Comparison of chromaticity values before and after painting

    图  6  涂饰底漆前后动静态接触角示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of dynamic and static contact angles of primer before and after painting

    图  7  水性漆与水曲柳涂饰前后的红外表征

    Figure  7.  Infrared characterization of waterborne paint and Fraxinus mandshurica before and after painting

    表  1  水性漆漆膜的厚度、硬度、耐水性与附着力

    Table  1.   Thickness, hardness, water resistance and adhesion of waterborne paint film

    试件 Sample厚度 Thickness/μm硬度 Hardness耐水性 Water resistance附着力 Adhesion
    A1 96.53 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
    A2 95.88 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
    A3 97.25 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
    A4 97.14 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
    A5 95.68 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
    A6 97.32 HB 1级 Grade I 0级 Grade 0
    平均值 Average value 96.63 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
    方差 Variance (S2 0.432 6
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    表  2  基材涂饰前后光泽度

    Table  2.   Glossiness of substrate before and after painting

    试件
    Sample
    未涂饰 GZT
    Uncoated GZT
    涂饰后 GZT
    After painting GZT
    未涂饰 GZL
    Uncoated GZL
    涂饰后 GZL
    After painting GZL
    A1 3.43 11.07 4.50 16.03
    A2 4.90 13.63 6.03 19.30
    A3 5.13 14.57 6.30 20.30
    A4 3.53 12.05 4.30 16.40
    A5 4.35 12.65 5.17 18.31
    A6 4.15 13.01 5.39 17.72
    平均值 Average value 4.25 12.83 5.28 18.01
    注:GZT为光泽度仪两个光斑的连线垂直于木材纹理方向时所测得的光泽度值;GZL为光泽度仪两个光斑的连线平行于木材纹理方向时所测得的光泽度值。Notes: GZT is the glossiness value measured when the line of two facula of glossmeter is perpendicular to the direction of wood texture;GZL is the glossiness value measured when the line of two facula of glossmeter is parallel to the direction of wood texture.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-31
  • 修回日期:  2020-05-29
  • 网络出版日期:  2020-07-18
  • 刊出日期:  2020-07-25

基于水曲柳基材的水性漆漆膜性能研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
    基金项目:  北京林业大学大学生创新创业训练项目"竹材水性漆高附着工艺及机理研究"(X202010022286),大学生创新创业训练项目“竹木水性漆涂饰工艺及附着机理研究”
    作者简介:

    皇权飞。主要研究方向:环保涂饰。Email:1039053978@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者: 黄艳辉,讲师。主要研究方向:环保涂饰。Email:huangyanhuizhou@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: TQ630.1

摘要:   目的  水曲柳作为优良的硬质木材,常被用来制造中高档家具。水性漆是一种非常环保的涂料,研究其在水曲柳基材上的漆膜性能对于水性漆性能的提高和涂饰工艺的优化具有重要的现实意义,还可为水性漆在木材上的大规模工业化应用提供理论支持和科学依据。  方法  以水曲柳为基材,用商业水性漆对其进行涂饰,待漆膜完全固化后按照相应标准测定漆膜的各个性能,并用SEM和FTIR分析水性漆在基材上的附着机理。  结果  得到的漆膜厚度为96.63 μm,硬度为H,附着力高至0级,耐水性可达1级;涂饰前后总色差值ΔE为9.86,说明本涂饰较好地保持了水曲柳本身的颜色。由于底漆均匀地覆盖在基材表面,封闭了基材中亲水性的羟基,使得涂饰底漆后基材表面的接触角提高了10°,疏水性能得到提升。涂饰后基材的表面光泽度明显提高,且其平行纹理方向的光泽度比垂直纹理方向的高了40.4%。这主要是由于组成木材的细胞大多呈轴向排列,水性漆主要填充在纵向排列的细胞腔中,很难渗入到以纳米级孔隙为主的细胞壁中。水性漆与基材主要以机械互锁的物理形式相结合,此外也发生了化学反应。1 148 cm− 1处峰强度增加,说明水性漆中的羧基与基材中的羟基发生了酯化反应;出现了新的1 063 cm− 1峰,说明基材中的纤维素与水性底漆中的羟基发生了醚化反应。  结论  水性漆能在水曲柳表面形成较好的附着,保护性能较好,且能有效提高基材的视觉效果,进而提高其商业价值。

English Abstract

皇权飞, 黄艳辉, 张唯, 林欣雨, 王雪聪. 基于水曲柳基材的水性漆漆膜性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 140-146. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
引用本文: 皇权飞, 黄艳辉, 张唯, 林欣雨, 王雪聪. 基于水曲柳基材的水性漆漆膜性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 140-146. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
Huang Quanfei, Huang Yanhui, Zhang Wei, Lin Xinyu, Wang Xuecong. Film properties of waterborne paint based on Fraxinus mandshurica substrate[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 140-146. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
Citation: Huang Quanfei, Huang Yanhui, Zhang Wei, Lin Xinyu, Wang Xuecong. Film properties of waterborne paint based on Fraxinus mandshurica substrate[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(7): 140-146. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200088
  • 水曲柳(Fraxinus mandshurica)主产于中国东北地区,与核桃楸(Juglans mandshurica)、黄菠萝(Phellodendron amurense)合称为东北“三大硬阔”[1],其以材质优良、纹理美观、光泽良好且硬度、耐磨性较高而著称,是一种常用的中高档家具和木制品用材。众所周知,木制品易吸湿变形,水曲柳也一样,它含有亲水性的化学成分,如具有羟基的半纤维素,易受湿气或水的损害而产生变形甚至变色、腐朽[2]。涂料可以在木材表面形成一层防护膜,避免木材直接暴露于外界环境中,防止木材开裂变形,进而延长木材及其制品的使用寿命,还可以改善木材产品的视觉效果,提升其附加值[3]

    传统溶剂型涂料中含有苯、甲苯、二甲苯和高致癌性物质,会对环境和人类健康造成严重损害,而水性漆是以无毒无害的水做溶剂或分散剂,与油性漆相比,不含挥发性有机物(VOCs),绿色环保,且减少了有机溶剂的浪费,有利于节约资源[4]。近年来,随着绿色环保生活理念的普及,水性漆得以快速发展,并被广泛应用于家具、室内装饰、建筑等各个领域。同时,水性漆的种类与性能也得到了迅速发展。Özgenç等[5]以树皮提取物作为天然光稳定剂,制备出了一种具有较高紫外吸收能力且能抗紫外降解的水性丙烯酸涂料。Cui等[6]合成了一种交联氧化石墨烯(GO),并将其作为水性聚氨酯(WPU)复合涂层的增强剂,提高了涂层的防腐性能。Ma等[7]在水中用N-(β-aminoethyl)-γ-aminopropyltriethoxysilane对SiO2进行了改性,然后将改性后的SiO2接枝到聚氨酯链中,制成了一种环保型哑光水性涂料。

    无论是何种水性涂料,评价其好坏的主要指标都是漆膜性能。研究表明附着力是决定漆膜性能的关键,而漆膜在基材上的附着分为物理附着与化学附着两种类型,物理附着多取决于基材自身的性质(如粗糙度和孔隙率等),化学附着则取决于漆与基材的化学反应程度[8]。姚路路等[9]认为水性涂料主要依靠物理的氢键和范德华力等作用力与基材结合在一起。黄艳辉等[4]认为木材具有多孔结构,且含有羟基,有利于水性漆的物理吸附并有可能与其所含的羧基发生化学反应。

    为进一步系统地研究水性漆的漆膜性能与附着机理,本研究以中高档家具首选的水曲柳为基材,分析水性漆在水曲柳表面上的附着性能和保护机理,以便为水性漆在木材上的应用提供理论支持和科学依据。

    • 选用产于中国东北的水曲柳径切板,气干至含水率11%,锯取规格为100 mm × 100 mm × 10 mm的试样18块。所选用涂料为嘉宝莉配套底面漆(底漆固含为38.7%,面漆固含为34.6%),主要成分为丙烯酸改性聚氨酯。涂饰所使用的羊毛刷规格为2寸和5寸,砂光基材所用的砂纸型号为80#、120#、180#、240#、320#和400#。测漆膜硬度所用的铅笔为中华牌铅笔,硬度为9H至6B。

    • 用不同型号(80#、120#、180#、240#、320#和400#)的砂纸由低到高依次对基材顺纹理进行打磨,并用2寸羊毛刷除尘,涂饰前底漆与面漆分别添加5%和8%的去离子水进行调配。封闭底漆每遍涂布量为80 g/m2,面漆每遍涂布量为120 g/m2。在室温和相对湿度(65 ± 3)%的环境下,用羊毛刷均匀地将底漆与面漆各涂两遍,每两遍漆涂饰时间间隔1 d,涂饰完成后在该环境下气干7 d,待漆膜完全固化后再进行各项性能测试,具体的涂饰工艺流程如图1所示。

      图  1  涂饰工艺流程图

      Figure 1.  Painting process flowchart

    • 将无差别的18块样板分为3组(A组、B组、C组),每组6块板,并按A1 ~ A6、B1 ~ B6、C1 ~ C6依次编号,为了减少误差,每类试验至少重复3次。

    • 漆膜厚度测试选择A组试样,使用SK-500型油漆测厚仪参照GB/T 13452.2—2008《色漆和清漆 漆膜厚度的测定》进行测量,每块样板上选择6个测试点取其平均值,测试时确保仪器与基材表面紧密接触。

      漆膜硬度测试选择A组试样,使用QHQ型涂膜铅笔划痕硬度仪参照ISO 15184:1998《色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度》进行测定。

      漆膜耐水性参照GB/T 4893.1—2005《家具表面耐冷液测定法》选择B组试样测定。

    • 光泽度测试选择A组试样,使用60°光泽度仪参照ISO2813—2014《色漆和清漆—在20°、60°和85°非金属漆膜镜面光泽的测定》进行测量,测试样本涂饰前后垂直于木材纹理方向上的光泽度值(GZT)和平行于木材纹理方向上的光泽度值(GZL),GZT为光泽度仪两个光斑的连线垂直于木材纹理方向时所测得的光泽度值,GZL为光泽度仪两个光斑的连线平行于木材纹理方向时所测得的光泽度值。每块样本每个方向上各测6组数据求其平均值作为其光泽度值。

    • 漆膜附着力测试选择C组试样,使用QFH漆膜划格仪参照ISO2409:2013《色漆和清漆 划格试验》进行测定。

      选取A组试样,采用国际照明委员会CIE标准色度系统对基材涂饰前后的颜色进行定量度量。采用L*、a*、b*值定量度量涂料颜色,L*表示明度,a*表示红绿色度,b*表示黄蓝色度。△L、△a和△b分别为涂饰后与涂饰前的L*、 a*和 b*差值。△L如果是正值,说明样板较未涂饰时偏亮,如果是负值,说明偏暗;△a如果是正值,说明样板较未涂饰时偏红,如果是负值,说明偏绿;△b如果是正值,说明样板较未涂饰时偏黄,如果是负值,说明偏蓝。ΔE为总色差值,用以定量表示颜色知觉差异,它的数值越小说明颜色变化越小。

    • 选取3块试样A1、A2、A3,使用接触角检测仪(OCA 20,德国)在室温下检测基材涂饰底漆前后的接触角。将这3块试样用仪器中的注射器将水滴在基材表面,每个样品分别取同一测试表面不同的3个位置进行检测,重复3次,最后将所得数据求得平均值即为所测得的静态接触角。同时,对样品进行了动态接触角的测试。

    • 采用场发射环境扫描电镜(FEG-ESEM,XL30 ESEM FEG,FEI Company,USA)在5 kV的加速电压下,对基材涂饰前后的表面形貌进行观察,重点观察涂饰后基材与漆膜界面的形貌。

      在室温环境下采用压片法测定各试样的FTIR光谱。水曲柳基材压片的制作方法:先在基材表面刮下木粉,再将木粉与溴化钾以质量比1∶150的比例混合后在玛瑙研钵中研磨,然后在压片机中进行压片。水性漆压片的制作方法:先将水性漆底漆涂布在载玻片上,在室温下待漆膜实干后从载玻片表面刮下漆膜,再与溴化钾以质量比1∶150的比例混合后在玛瑙研钵中研磨,然后在压片机中进行压片。涂布底漆后的基材的压片制作方法:从底漆与基材界面处刮下一层界面层,然后与溴化钾以质量比1∶150的比例混合后在玛瑙研钵中研磨,然后在压片机中进行压片。压片完成后,利用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪,Thermo Scientific,Waltham, USA),在500 ~ 4 000 cm− 1范围内,扫描得到水曲柳基材、水性漆以及涂布底漆后的基材的FTIR光谱,扫描次数为32次,分辨率为4 cm− 1。测试完成后,将这3个试样的光谱图绘制在同一张图中,分析各试样特征峰的峰位、峰高、峰宽等变化,分析水性底漆与水曲柳的结合机理。

    • 漆膜厚度对涂膜性能影响很大,它是检测漆膜均匀程度的指标。漆膜厚度对漆膜的附着力有较大的影响,路则光等[10]研究表明:附着力随着封闭底漆涂布量(60 ~ 100 g/m2范围内)的增加而增大,随着面漆涂布量(100 ~ 140 g/m2范围内)的增加而减小。表1为漆膜厚度、硬度、耐水性与附着力的测试结果。由表1可知:漆膜平均厚度为96.63 μm,方差为0.432 6(较小),说明涂膜在基材表面上涂布得很均匀,也说明了水性漆的防护性能较好。

      表 1  水性漆漆膜的厚度、硬度、耐水性与附着力

      Table 1.  Thickness, hardness, water resistance and adhesion of waterborne paint film

      试件 Sample厚度 Thickness/μm硬度 Hardness耐水性 Water resistance附着力 Adhesion
      A1 96.53 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
      A2 95.88 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
      A3 97.25 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
      A4 97.14 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
      A5 95.68 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
      A6 97.32 HB 1级 Grade I 0级 Grade 0
      平均值 Average value 96.63 H 1级 Grade I 0级 Grade 0
      方差 Variance (S2 0.432 6

      漆膜硬度是对漆膜机械强度的反映,表征了漆膜抵抗外来物体侵入的能力。由表1可知:测试中5块样板的漆膜硬度均为H,说明该水性漆满足室内装饰、翻新的木制品、实木地板、室内实木门等的使用要求[11]

      涂膜耐水性的好坏与涂膜质量和使用寿命紧密相关,它是衡量涂膜性能的一个重要指标。由表1可知所测试的6块试样的耐水性等级均为最高级1级,漆膜表面无任何变色、失光、鼓泡等损伤,这说明水性漆具有良好的防水性能,能够很好地保护水曲柳表面,使其免受水分的损害。该漆膜具有较好耐水性的原因是:漆膜中的树脂交联固化完全,封闭了基材中亲水性的羟基[12]。这说明本涂饰工艺的设计较好。

    • 漆膜光泽度反映了漆膜对光的反射能力大小,对于木材来说,光泽度大的表面,视觉效果较好。基材涂饰前后光泽度数据如表2所示,GZT为垂直于木材纹理方向上的光泽度值,GZL为平行于木材纹理方向上的光泽度值。未涂饰的6个样本(径切面)的GZT平均值为4.25,GZL平均值为5.28,后者的平均值略高。产生这种现象的原因是:当光线平行于纹理方向射向木材表面时,一部分光线被木材细胞吸收,另一部分经细胞壁或其他组织折射,反射光的散射程度较小,能量较大,因此光泽度较大;当光线垂直于纹理方向射入时,由于细胞腔的直径远小于细胞壁的长度,一部分光线在射入细胞腔时会被细胞内壁阻挡,反射光的散射程度较大,能量较小,所以光泽度较低[13]。涂饰后的样本光泽度明显比未涂饰的高,且涂饰后的GZT平均值为12.83,GZL平均值为18.01,后者比前者的平均值高出40.4%。产生这种现象的原因是:水性漆的光泽度较木材本身的光泽度高,组成木材的细胞大多呈轴向排列,在平行纹理方向上,多数细胞被剖开,细胞腔裸露且呈沟槽状,水性漆易填充于腔径大的细胞腔之中;在垂直纹理方向上,细胞壁相对含量较多,水性漆很难渗入到以纳米级孔隙为主的细胞壁,从而导致平行纹理方向上的水性漆的含量高于垂直纹理,故而其光泽度也显著增高。图2中水曲柳涂饰前后径切面的SEM图也验证了这一观点,图2a中可见未涂饰时基材表面有许多裸露的沟槽状的呈轴向排列的细胞腔,图2b可见涂饰后基材表面平整光滑,因此光泽度大幅增加。

      表 2  基材涂饰前后光泽度

      Table 2.  Glossiness of substrate before and after painting

      试件
      Sample
      未涂饰 GZT
      Uncoated GZT
      涂饰后 GZT
      After painting GZT
      未涂饰 GZL
      Uncoated GZL
      涂饰后 GZL
      After painting GZL
      A1 3.43 11.07 4.50 16.03
      A2 4.90 13.63 6.03 19.30
      A3 5.13 14.57 6.30 20.30
      A4 3.53 12.05 4.30 16.40
      A5 4.35 12.65 5.17 18.31
      A6 4.15 13.01 5.39 17.72
      平均值 Average value 4.25 12.83 5.28 18.01
      注:GZT为光泽度仪两个光斑的连线垂直于木材纹理方向时所测得的光泽度值;GZL为光泽度仪两个光斑的连线平行于木材纹理方向时所测得的光泽度值。Notes: GZT is the glossiness value measured when the line of two facula of glossmeter is perpendicular to the direction of wood texture;GZL is the glossiness value measured when the line of two facula of glossmeter is parallel to the direction of wood texture.

      图  2  涂饰前后基材径切面SEM图

      Figure 2.  SEM pictures of the radial section of the substrate before and after painting

    • 漆膜附着力是漆膜性能至关重要的指标,对家具的涂饰工艺具有指导性的作用。图3为漆膜附着力的测试图。由图3表1可知:漆膜基本无脱落,附着力好,可达最高级0级。从SEM图中也可以清晰地看到:基材的横切面上有较大的导管(图4a),径切面上有较多裸露的细胞腔(图2a);涂饰后,水性漆填充在沟槽状的细胞腔和细胞隙中,形成胶钉(图4b红色箭头),实现机械互锁,达到了较好的附着。

      图  3  基材涂饰后漆膜附着力测试图

      Figure 3.  Test picture of film adhesion after substrate painting

      图  4  涂饰前后基材横切面SEM图

      Figure 4.  SEM images of the cross section of the substrate before and after painting

    • 色差是指以数值的方式来表示某两种颜色给人在色彩感觉上的差别。色差的控制与漆的成分、涂饰工艺的设置等有一定的联系。涂饰前后的色度值变化如图5所示:涂饰前L*值为77.27,涂饰后降低至68.01;a*值由原来的5.18增加到7.45;b*值由19.52增加到22.04。说明涂饰后基材表面的明度略有下降,红绿和黄蓝色度指数都略微有所增加。另外,根据总色差公式ΔE =(ΔL*2 + Δa*2 + Δb*1/2,计算得出的ΔE为9.86,说明涂饰前后水曲柳的表面颜色相差不大。这是因为:水性漆在制备过程中未添加任何颜料,固化成膜后呈透明色,在水曲柳表面固化后不会改变基材本身的颜色。

      图  5  涂饰前后色度值对比

      Figure 5.  Comparison of chromaticity values before and after painting

    • 涂层疏水性优异时,可有效阻止水分在漆膜表面的滞留,减少水分通过漆膜渗透至基材的可能性[14],从而达到较好的防护效果。为了研究基材涂饰水性底漆后的疏水性,对其动静态接触角进行测量。如图6所示,基材的接触角为83.1°,并随时间的增加逐渐下降,70 s后降至66.0°。涂饰底漆后,基材的接触角升为93.1°,70 s后下降至74.0°。接触角在涂饰底漆后,提高了10°。这是由于底漆均匀地覆盖在基材表面,封闭了基材中亲水性的羟基,从而提高了基材表面的疏水性能。另外,底漆涂饰后,基材表面的粗糙度降低,这也是导致接触角升高的原因。

      图  6  涂饰底漆前后动静态接触角示意图

      Figure 6.  Schematic diagram of dynamic and static contact angles of primer before and after painting

    • 基材(谱线a)、水性底漆(谱线b)和涂饰底漆后基材(谱线c)的FTIR光谱如图7所示。从图7中可以看出:3 437 cm− 1处吸收峰是由-OH伸缩振动引起的[15],与谱线 a相比,谱线c在这一位置的峰高增加,这可能是由于水性底漆中含有羟基,水性漆与基材结合后,导致羟基含量相对增加所致。谱线c在1 735 cm− 1处(C=O的拉伸振动特征峰)的强度较谱线b小得多,而在1 148 cm− 1处(酯基中C-O伸缩振动峰)的峰值高于谱线a,说明水性底漆中的羧基与基材中的羟基可能发生了酯化反应[16]。此外,相较谱线a、b,谱线c在1 063 cm− 1(C-O不对称振动)处出现了新峰,说明基材中的纤维素与水性底漆中的羟基可能发生了醚化反应[17]。综上所述,水性底漆与基材除物理结合外,还发生了化学反应,从而使得水性漆能够很好地附着在水曲柳的表面。另外,谱线b在2 926 cm− 1(-CH2反对称伸缩振动峰)、1 735 cm− 1(C=O的拉伸振动特征峰)、1 455 cm− 1(-CH2弯曲振动峰)、1 148 cm− 1(C-O伸缩振动)[18-21]处的峰值最强,而谱线a最弱,谱线c居中,这是由谱线c中相应基团的占比比谱线a高,比谱线b低所致。

      图  7  水性漆与水曲柳涂饰前后的红外表征

      Figure 7.  Infrared characterization of waterborne paint and Fraxinus mandshurica before and after painting

    • 本试验所获得的漆膜厚度平均值为96.63 μm,附着力达最高级0级,硬度为H,耐水性为最高级1级,达到了室内装饰、翻新的木制品、实木地板、室内实木门等的涂膜标准。涂饰后基材表面光泽度明显提高,且其平行纹理方向比垂直纹理方向的光泽度提高了40.4%。底漆均匀地覆盖在基材表面,封闭了基材中具有亲水性的羟基,提高了基材表面的疏水性能,使接触角提高了10°。总色差值为9.86,基本保持了水曲柳本身的颜色。水性漆与基材主要以机械互锁的物理形式相结合,同时发生了化学反应,从而达到了较好的附着性能。因此,水性漆适用于水曲柳这种中高档家具及木制品,能够较好地保护基材表面,还可以提高其视觉效果,提升其商业价值。

参考文献 (21)

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