水曲柳（Fraxinus mandshurica）主产于中国东北地区，其纹理美观、材质优良，常用于家具、室内装饰和建筑领域^[1]。但是，水曲柳有着天然的各向异性和吸湿特性^[2]，在使用过程中容易受到水分的影响而发生形变、开裂等现象，需要表面涂饰来防止这些现象的发生。随着国家环保法规的实施，以及人们健康意识的提高，水性涂饰在木制品领域备受关注，包括涂饰工艺、漆膜性能、防护效果等方面^[3−5]。本课题组使用水性漆对水曲柳进行了涂饰，分析了涂饰后漆膜的各项性能，探索了水性漆在水曲柳表面的附着机理^[1]；还研发了改性丙烯酸水性漆，对樟子松进行了涂饰，研究改性对漆膜性能的影响^[5]。另外，Yong等^[6]合成了一系列丙烯酸单体硬/软质量比不同的水性聚氨酯丙烯酸酯涂料，其具有良好的硬度和附着力，并在低光泽水性涂料的应用上表现出了很大的优势。Xu等^[7]合成了一种高固含的聚氨酯丙烯酸酯涂料，并将其涂饰在原竹和重组竹上，认为此涂料与原竹和重组竹的−OH之间可以形成氢键，从而使该涂料可以更好地附着在基材表面。Pacheco等^[8]将TiO₂、SiO₂以及从蓝莓残渣中提取的纳米纤维素加入到水性漆中，能够提高木制产品表面的力学性能和稳定性。Shimokawa等^[9]将纤维素纳米纤维复合在水性底漆中，以此提高漆膜强度和稳定性。然而，与油性漆相比，水性漆在木质基材表面的渗透性相对较弱，附着力较差的问题是限制其在木制品领域发展的重要因素。研究发现，环保的热处理可以增强漆膜在木材上的附着力^[2]。湿热处理是热处理的一种，它利用过热蒸汽对木材进行高温热改性，从而提高木材尺寸稳定性和各项性能^[10]。现有的研究多针对湿热处理对木材的性能影响，如不同的湿热处理温度可以引起云杉（Picea asperata）的吸湿性能和微观性能的改变^[11]。然而，目前很少有研究者将湿热处理应用于水性漆涂饰的木质基材表面，以提升其附着力。仅有学者Chang等^[2]将常规的热处理应用于提升油性漆在基材表面的附着力上。

因此，本研究采用更环保、高效的湿热处理来预处理水曲柳基材，再使用比油性漆更为健康和环保的水性漆进行涂饰，探究该预处理对漆膜附着力及其他性能的影响。通过180°剥离测试，量化湿热处理对水性漆附着力的提升效果，再采用扫描电镜和红外光谱对其进行深入分析，探究该处理方法对提升水性漆附着力和涂膜性能的影响。

1.   材料与方法

1.1   材　料

水性漆选购为嘉宝莉配套底面漆，主要成分为水性聚氨酯改性丙烯酸，固含34.68%，用涂−4杯测得黏度27.78 s，pH值7.9。水曲柳产自中国东北，制成规格为50 mm（长） × 25 mm（宽） × 3.5 mm（厚）的试样（图1）。

图  1  实验过程简图

Figure  1.  Schematic diagram of the experimental process

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1.2   湿热处理

将试样分为未湿热处理组和湿热处理组，简称未处理组和处理组，每组试样9块。处理组试样气干后表面依次使用80、120、180、240、320和400目砂纸打磨，之后置于由课题组研发的，可精准控制温湿度的湿热处理箱内，在180 ℃温度下处理5.5 h，湿度保持在100%。处理完毕后，将试样放入烘箱自然冷却并密封备用。湿热处理前后测得的基材含水率分别为8.3%和3.5%。

1.3   基材涂饰

涂饰前基材放于室温下两周后，用毛刷将基材表面清理除尘。采用手工刷涂进行涂饰，底漆和面漆的涂布量分别为100和120 g/m²，在室温下进行刷涂。刷涂时，先刷底漆2遍，再刷面漆2遍（注意每道漆均匀薄涂），每遍漆干燥后用400目砂纸轻砂，羊毛刷除去灰尘。最后一遍面漆刷涂后，待漆膜于通风处完全固化后进行测试。

1.4   测试方法

1.4.1   粗糙度测试

参照GB/T 12472—2003《产品几何量技术规范（GPS） 表面结构 轮廓法 木制件表面粗糙度参数及其数值》，使用TR240便携式表面粗糙度仪对湿热处理前后试样的表面粗糙度进行测试，该仪器通过将触针的运动转变为电信号，测量出各粗糙度参数，包括评定轮廓的算术平均偏差R_a、评定轮廓的均方根偏差R_q、微观不平度十点高度R_z、轮廓最大高度R_y、轮廓总高度R_t、最大轮廓峰高R_p、最大轮廓谷深R_m。本文采用常用参数R_a表征试样的表面粗糙度，其值越大，说明样品表面越粗糙。通过式（1）计算参数R_a的提升率（W_R，%）。

式中：A₀为处理前R_a粗糙度值；A₁为处理后R_a粗糙度值。设置仪器的取样长度为2.5 mm，评定长度为4.0 mm × 2.5 mm，测试时保持触针一直垂直于基材纹理方向，为了提高准确率，每块基材选取5个点求平均值，并记录测试结果。

1.4.2   附着力测试

参照ISO2409—2013《涂料和清漆. 划格试验》测试漆膜附着力。该测试可以通过分析水曲柳表面的划痕，来初步评定水性漆的附着等级，但无法精确定量地测出附着力的具体数值和提升比率。因此，选用GB/T2790—1995《胶黏剂180°剥离强度试验方法 挠性材料对刚性材料》进行180°剥离测试，借助力学试验机测量剥离漆膜所需的拉力，并通过式（2）计算剥离强度（σ，kN/m），以此表征漆膜附着力变化。根据式（3）计算其提升率（W_σ，%），量化附着性能的提升效果。

式中：F为剥离所需拉力，kN；B为接触面宽度，m。

式中：σ₀为处理前漆膜的剥离强度；σ₁为处理后漆膜的剥离强度。选取未处理组和处理组试样各5块进行测试，编号1 ~ 5。首先在漆膜表面划开一道切口，使基材刚好露出，然后将无溶剂双组分环氧树脂（Nan Paobond，No.906）涂敷在漆膜表面，再将尺寸规格为100 mm × 20 mm × 0.02 mm的胶黏布粘附在试样表面，待胶黏剂完全固化后用力学试验机进行漆膜的拉拔测试，并记录荷载数值，计算附着力的提升比率。

1.4.3   红外光谱和扫描电镜表征

使用Nicolet 6700红外光谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）和KBr压片法测试样品的红外光谱，设定仪器分辨率为4 cm⁻¹，500 ~ 4 000 cm⁻¹的光谱范围，每个样品均扫描32次。在每组样品进行3次的平行试验后，使用Origin软件绘图并分析。采用场发射环境扫描电镜（ZEISS Gemini 300）在5 kV的加速电压下观察水曲柳湿热处理前后的图像。

1.4.4   基材光泽度和色度测试

对未涂饰水性漆的试样进行光泽度和色度测试。参照ISO 2813—2014《涂料和清漆. 在20°，60°和85°光泽度值的测定》使用60°光度仪对样品进行光泽度测试，记录了湿热处理前后基材的顺纹和横纹光泽度。通过式（4）计算顺纹或横纹光泽度的变化率（W_G，%）。

式中：C₀为处理前基材光泽度值；C₁为处理后基材光泽度值。

色度测试按照国际照明委员会CIE标准色度系统，使用SP60色差仪对样品在湿热处理前后的颜色变化进行表征。使用L^*、a^*和b^*表征样品颜色。L^*值表示亮度；a^*值表示红绿度，数值由正到负表示颜色由红到绿；b^*值表示黄蓝度，数值由正到负表示颜色由黄到蓝。总色差值ΔE由式（5）计算。

式中：ΔL^*、Δa^*和Δb^*分别表示样品湿热处理前后的L^*、a^*和b^*的差值。

1.4.5   漆膜耐冷热循环测试

对涂饰水性漆的试样进行漆膜耐冷热循环测试。参照CNCIA-HG/T 0004—2012《色漆和清漆 漆膜冷热循环测试方法》，使用冰箱和恒温恒湿箱（BCS-150）对样品进行漆膜耐冷热循环测试。采用失光率（L，%）表征漆膜在冷热循环后的老化程度。

式中：D₀表示老化前光泽度，D₁表示老化后光泽度。

1.4.6   漆膜厚度、硬度和耐水性能测试

漆膜厚度、硬度和耐水性能测试分别参照GB/T 13452.2—2008《色漆和清漆 漆膜厚度的测定》、ISO 15184—2020《涂料和清漆. 铅笔试验测定膜硬度》、GB/T 4893.1—2021《家具表面漆膜理化性能试验 第1部分：耐冷液测定法》进行。其中，厚度提升率（W_δ，%）根据式（7）计算。

式中：δ₀表示处理前漆膜厚度，μm；δ₁表示处理后漆膜厚度，μm。

2.   结果与讨论

2.1   湿热处理对水性漆附着力的影响

漆膜的附着力是漆膜性能的关键指标。划格测试结果（图2）表明：湿热处理前后，水性漆的漆膜基本无脱落，附着力均较好，可达标准ISO2409—2013《涂料和清漆. 划格试验》中的最高级0级。为了定量表征湿热预处理对水性漆附着力的提升效果，对试样的漆膜进行了180°剥离测试。接触面宽度为0.02 m，根据式（2）计算剥离强度σ。从图3可知湿热处理组的漆膜剥离强度均远大于未湿热处理组，根据式（3）计算其平均提升率W_σ为120.0%。这表明湿热处理增强了漆膜在基材表面的剥离强度，提高了附着力。从电镜图中也可以清晰地看到：湿热处理前，漆膜在未处理基材上的渗透效果一般，漆膜厚度较薄（图4a）；湿热处理后，水性漆可以更好地渗透并固化在基材沟槽状的细胞腔和细胞隙中，漆膜厚度较厚（图4b），从而形成了更好的附着^[1]。这是因为湿热处理后，半纤维素和木质素发生降解，孔隙率增加^[10]。Chang等^[2]通过热处理来预处理基材以提升油性漆的漆膜附着力的论断，也较好地支持了本结论。另外，本结论也证实了180°剥离测试可以更直观地评价湿热处理对附着力的提升幅度。

图  2  湿热处理前（a）后（b）划格测试图

Figure  2.  Cross-cut test photos before (a) and after (b) the wet-heat treatment

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图  3  湿热处理前后漆膜的剥离强度

Figure  3.  Peel strength of paint film before and after wet-heat treatment

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图  4  水曲柳湿热处理前后的电镜图

Figure  4.  Electron microscope images of Fraxinus mandshurica before and after wet-heat treatment

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2.2   湿热处理对水曲柳表面粗糙度的影响

图5a为水曲柳湿热处理前后的表面粗糙度，本试验主要采用参数R_a表征基材的表面粗糙度，其表示在取样长度内轮廓偏距绝对值的算数平均值。从图中可以看出湿热处理后水曲柳的R_a值受影响较大，根据式（1）计算提高率W_R为65.6%。这说明预处理有效提升了水曲柳的表面粗糙度，使水性漆和水曲柳表面的接触面面积增加。这可能是因为水曲柳的半纤维素和木质素在湿热处理后发生了降解，使羰基和羧基基团增加，抽提物中的酚类化合物也会形成缩合物^[10,12]，从而间接提高了水曲柳的表面粗糙度，致使水性漆与基材的接触面面积增加，附着力增强。Feng等^[10]的研究也发现：湿热处理会使竹材中的抽提物发生迁移和挥发，半纤维素和木质素发生降解，引起粗糙度提高。该研究为本结论提供了有力的支持。

图  5  湿热处理前后粗糙度（a）、光泽度值（b）、色度值（c）和红外光谱图（d）

R_a为轮廓算术平均偏差；R_q为轮廓均方根偏差；R_z为微观不平度十点高度；R_y为轮廓最大高度；R_t为轮廓总高度；R_p为最大轮廓峰高；R_m为最大轮廓谷深。L^*表示亮度；a^*表示红绿度；b^*表示黄蓝度。R_a is the arithmetical mean deviation of the profile, R_q is the root mean square deviation of the profile, R_z is the ten point height of microcosmic unflatness, R_y is the maximum height of the profile, R_t is the total height of the profile,R_p is the maximum profile peak height, and R_m is the maximum profile valley depth. L^* indicates lightness, a^* indicates red-green degree, and b^* indicates yellow-blue degree.

Figure  5.  Charts of roughness (a), glossiness value (b), chromaticity value (c) and infrared spectrogram (d) before and after water-heat treatment

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2.3   湿热处理对基材表面光泽度和色度的影响

漆膜光泽度反映了漆膜对光的反射能力大小。图5b显示未处理试样的顺纹光泽度和横纹光泽度分别为3.64和2.70。湿热处理后，光泽度值分别降低到2.94和2.24，通过式（4）计算光泽度变化率，顺纹和横纹光泽度变化率分别为19.2%和17.0%。这是由于湿热处理后，光线照射在基材表面时，折射部分的光线散射程度与表面粗糙度呈正相关，所以表面光泽度降低^[13]。这又从侧面证实了湿热处理使基材粗糙度增加。在木制品生产过程中，产品表面的光泽度常由漆膜决定，因此湿热处理导致的光泽度降低一般不会影响最终产品的光泽度。

色度值通过数值体现颜色的色调和饱和程度。总色差值是以数字的形式表示颜色的差异。图5c显示了基材在湿热处理前后的色度值变化，其中亮度变化ΔL^*为−19.620，红绿度变化Δa^*为4.088，黄蓝度变化Δb^*为3.064。这说明其表面经过湿热处理后变暗、偏红和偏黄。根据式（5）计算得出总色差值ΔE为 20.274，说明湿热处理前后基材表面会出现色差，使颜色偏暗红。经过湿热处理的水曲柳基材，使用透明的水性漆涂饰后，呈现出更深、更厚重的颜色，符合深色名贵硬木的视觉效果。

2.4   湿热处理对水性漆耐冷热性能的影响

耐冷热性能是指在经过冷热循环作用的条件下，材料的表面性质稳定不变的能力^[14]。图6显示：样品在每次冷热循环后，漆膜的光泽度值均有所下降。这表明冷热循环会造成漆膜表面的失光现象^[15]。采用式（6）计算每次循环后漆膜的失光率。未处理试样在第一次循环和第二次循环后的漆膜失光率分别为13.8%和12.3%，而处理后试样对应的漆膜失光率分别降低到9.7%和10.0%。这说明湿热处理可以降低冷热循环对漆膜的老化影响，使漆膜具有更好的耐冷热性能。

图  6  水曲柳耐冷热循环后的光泽度

Figure  6.  Gloss of F. mandshurica after cold and hot cycling

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2.5   湿热处理对水性漆漆膜厚度、硬度和耐水性的影响

漆膜性能包括漆膜厚度、硬度和耐水性等，是检测漆膜均匀程度和质量好坏的重要指标^[1]。漆膜厚度随着封闭底漆的涂布量增加而增加，并且附着力也与底漆涂布量相关^[16]。表1显示：未湿热处理试样的水性漆漆膜平均厚度为96.7 μm，湿热处理试样增加到110.8 μm。根据式（7）计算厚度提升率为14.6%，说明湿热处理可以使水性漆在基材中的渗透能力提高，引起涂布量增加，漆膜厚度提升，防护性能提高。表1中未湿热处理试样的漆膜硬度为H，处理后试样的漆膜硬度稍降，为HB。漆膜耐水性级别在湿热处理前后未发生变化，均为1级，说明该预处理方法可以较好地保持漆膜质量，能够满足室内装饰标准GB/T 23999—2009《室内装饰装修用水性木器涂料》的使用要求。

表  1  水性漆漆膜性能

Table  1.  Performance of waterborne paint film

处理 Treatment	漆膜厚度 Paint film thickness/μm	硬度 Hardness	耐水性级别 Water resistance grade
处理前 Before treatment	96.7	H	1
处理后 After treatment	110.8	HB	1

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2.6   红外光谱分析

图5d为水曲柳湿热处理前后的FTIR红外光谱图，在3 414 cm⁻¹处为−OH伸缩振动吸收峰^[17]，水曲柳经过湿热处理后，该峰强度降低，说明水曲柳中的羟基相对含量降低。在2 929 cm⁻¹处的吸收峰是由亚甲基中−C−H的伸缩振动引起的^[18]。1 734 cm⁻¹处为木质素非共轭酮、羰基化合物中−C=O的拉伸振动吸收峰，水曲柳经过湿热处理后，该峰的强度降低，这是由于羟基氧化成了羰基或酮，1 604 cm⁻¹处的木质素共轭羰基的C=O伸缩振动峰的强度大幅度降低。1 728 cm⁻¹处的半纤维素−C=O的伸缩振动峰和1 050 cm⁻¹处的半纤维素C—O伸缩振动峰，在湿热处理后峰值强度降低，这是由于半纤维素降解造成的^[19]。分析表明：湿热处理使木质基材内部半纤维素和木质素降解，孔隙率提高，表面粗糙度增加，从而提高了水性漆的附着力。Feng等^[10]通过红外光谱测试发现湿热处理后属于半纤维素和木质素的峰值下降，这说明半纤维素和木质素发生了降解。该研究结果为本结论提供了支持。

3.   结　　论

湿热处理是大幅提升水性漆在木质基材表面附着力的一种高效且环保的预处理方法。本试验通过180°剥离测试量化了湿热处理对水性漆漆膜附着力的提升效果。与未处理试样相比，湿热处理后漆膜的剥离强度增加了120.0%，厚度提升了14.6%，且该预处理方法可以较好地保持漆膜的其他性能。分析表明：湿热处理后，半纤维素和木质素发生了降解，使基材表面粗糙度提高，造成水性漆和基材之间的接触面面积增加，从而提升了附着力。因此，湿热预处理可以用于增强水性漆在木制品基材表面的附着力，能够较好地保护基材。本研究为提高水性漆在基材表面附着性能提供了一种新的思路和方法，对水性漆涂饰工艺的提升具有重要的意义。