變色油墨對(duì)杉木表面水性底漆性能影響

閆小星，常意娟，錢(qián)星雨

（南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037）

感溫可逆變色油墨是指材料加熱到某一溫度時(shí)，印刷出來(lái)的圖案和文字會(huì)產(chǎn)生顏色的變化，當(dāng)溫度降低到初始溫度時(shí)，又會(huì)恢復(fù)到初始顏色的一種油墨［1］。根據(jù)變色油墨中的不同成分，感溫可逆變色油墨可分為有機(jī)可逆、無(wú)機(jī)可逆和液晶可逆［2］。感溫可逆變色油墨屬于有機(jī)發(fā)色體系［3］，變色油墨中的溶劑決定著感溫材料的變色溫度，一般通過(guò)改變所用溶劑來(lái)改變熱敏變色溫度［4］。桑盼盼等［5］把感溫變色油墨添加到嬰兒連體衣上，來(lái)監(jiān)測(cè)嬰兒體溫變化。徐建鋒等［6］和趙東柏等［7］認(rèn)為變色油墨在防偽、包裝、感溫可逆變色木塑復(fù)合材料等領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用。然而，感溫變色油墨在涂飾方面的應(yīng)用卻很少。把變色油墨添加到水性底漆中，使水性底漆隨溫度變化而發(fā)生顏色改變，使產(chǎn)品隨著季節(jié)的改變呈現(xiàn)出不同的色彩，產(chǎn)品更加人性化、多變化。且水性底漆無(wú)污染［8］，可減少VOC 排放量［9］，在環(huán)保可持續(xù)性［10］、性能穩(wěn)定性方面均勝過(guò)油性漆［11-13］。本研究選用杉木［14］為基材，研究了變色油墨對(duì)水性底漆色差、光澤、力學(xué)及耐液性能的影響，為木地板表面變色涂膜的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

變色油墨由深圳市幻彩變色科技有限公司提供，31 ℃下可由紅色變無(wú)色，主要成分為甲基紅（發(fā)色劑）、雙酚A（顯色劑）、三聚氰胺（包覆甲基紅和雙酚A 成微膠囊）、異構(gòu)十醇（溶劑）。杉木板材（100 mm×100 mm×12 mm）和木器水性底漆由汕頭市宜華生活科技股份有限公司提供。水性涂料由水性丙烯酸共聚物分散體（90.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、消光劑（2.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、添加劑（2.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和水（6.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）組成。15.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉溶液、70.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的醫(yī)用乙醇由杭州歐拓普生物技術(shù)有限公司提供，洗滌劑由上海和黃白貓有限公司提供，紅墨水由上海精細(xì)文化用品有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

以水性底漆為漆基，配制7 份變色油墨含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0，5%，10%，15%，20%，25%，30%的感溫可逆變色水性涂料各4.0 g。將每份涂料均勻地涂覆于杉木板材表面，約30 min 表面干燥后，將樣品移至35 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱，加熱至質(zhì)量不再變化后取出，自然冷卻至室溫。

1.3 測(cè)試與表征

采用SEGT?J 便攜式色差儀測(cè)量漆膜20～40 ℃的色度值，計(jì)算色差。采用GB/T 4893.6—2013《家具表面漆膜理化性能試驗(yàn) 第6 部分：光澤測(cè)定法》測(cè)定漆膜光澤度；采用GB/T 4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能試驗(yàn)第4 部分：附著力交叉切割測(cè)定法》測(cè)定漆膜附著力；采用GB/T 4893.9—2013《家具表面漆膜理化性能試驗(yàn) 第9 部分：抗沖擊力測(cè)定法》測(cè)定漆膜抗沖擊力。根據(jù)《家具耐液性檢測(cè)常用試液表》，分別選取15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉、70%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的醫(yī)用乙醇、含25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的脂肪醇環(huán)氧乙烷與75%質(zhì)量分?jǐn)?shù)水的洗滌劑、市售紅墨水測(cè)定漆膜耐液性能［15］。通過(guò)環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）觀察漆膜的微觀結(jié)構(gòu)；通過(guò)VERTEX 80v 紅外光譜儀測(cè)定漆膜的化學(xué)組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 變色油墨含量對(duì)漆膜光學(xué)性能的影響

將不同變色油墨含量的底漆漆膜從20 ℃加熱至40 ℃，記錄顏色的變化。其中：L表示明度，數(shù)值為正表示被測(cè)物體表面顏色偏亮，數(shù)值為負(fù)表示被測(cè)物體顏色偏暗；a表示顏色從紅到綠的變化情況，數(shù)值為正表示顏色偏紅，數(shù)值為負(fù)表示偏綠；b表示顏色從黃到藍(lán)的變化情況，數(shù)值為正表示被測(cè)物體表面顏色偏黃，數(shù)值為負(fù)表示偏藍(lán)；c表示色彩飽和度；H表示色相。ΔL（明度差）＝L1-L2、Δa（紅綠色差）＝a1-a2、Δb（黃藍(lán)色差）＝b1-b2。其中，L1、a1、b1均為初始值，L2、a2、b2為改變溫度后的值。依照下列公式計(jì)算色差（ΔE）：

變色油墨含量對(duì)底漆漆膜20～40 ℃色差的影響見(jiàn)圖1。由圖1 可知，變色油墨含量為0 的漆膜從20～40 ℃的色差都在0.7～1.0，無(wú)變色效果；變色油墨含量5%～30%的漆膜在20～28 ℃的色差為0.7～6.8，顏色無(wú)明顯變化；變色油墨含量為15%的漆膜加熱至30 ℃時(shí)顏色有明顯變化，色差值13.5，為初步色變時(shí)的色差最大值；且在32 ℃附近色差也比較大，具有良好的變色能力。夏季室內(nèi)最高溫度為30℃左右，人們已明顯感覺(jué)到炎熱，因此，變色漆膜在30 ℃附近的變色效果較好，即初步認(rèn)為變色油墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的漆膜具有較好的變色效果。

圖1 變色油墨含量對(duì)底漆漆膜20～40 ℃色差的影響Fig.1 Effect of the color?changing ink content on the color difference of primer films from 20 ℃to 40 ℃

以不同光線入射角度照射變色漆膜，觀察不同含量的變色油墨對(duì)于漆膜光澤度變化的影響。本研究采用的3 種光線入射角度分別為20°，60°，85°，如表1 所示。從表1 中可見(jiàn)，在添加相同含量變色油墨時(shí)，隨著入射角度的增大，漆膜的光澤度增加；在相同角度的入射光下，隨著變色油墨含量的增加，漆膜光澤度變化無(wú)規(guī)律，但變化不大。變色油墨含量20%的漆膜光澤度最高，含量25%的漆膜光澤度最低。主要原因在于隨著變色油墨含量的增加，漆膜中的變色油墨顆粒增多，導(dǎo)致對(duì)光的反射降低。

表1 變色油墨含量對(duì)底漆漆膜光澤度的影響Table 1 Effect of color?changing ink content on gloss of waterborne primer film

2.2 變色油墨含量對(duì)漆膜力學(xué)性能的影響

由漆膜破壞面積判斷其附著力等級(jí)，等級(jí)越小說(shuō)明漆膜附著力越好。變色油墨含量0～30%的漆膜附著力等級(jí)均為0，附著力良好。因此，變色油墨含量對(duì)底漆漆膜附著力無(wú)影響。變色油墨含量為0 的漆膜抗沖擊力為5.0 kg·cm；變色油墨含量5%～20%的漆膜抗沖擊力均為4.0 kg·cm；當(dāng)變色油墨含量大于20%時(shí)，隨著含量的增加，漆膜抗沖擊力逐漸增強(qiáng)，但相差不大，這可能是由于杉木本身的抗沖擊強(qiáng)度較低所致。

2.3 變色油墨含量對(duì)漆膜耐液性能的影響

室溫下，分別在試驗(yàn)前與24 h 后測(cè)量漆膜的L、a、b、c、H值［15］，依據(jù)公式（1）計(jì)算色差。漆膜的耐液性能等級(jí)越低，說(shuō)明漆膜的性能越好。漆膜耐液性能等級(jí)測(cè)定結(jié)果表明，變色油墨含量0～30%的漆膜對(duì)氯化鈉、乙醇與洗滌劑的耐液等級(jí)均為1級(jí)，無(wú)印痕；變色油墨含量0～30%的漆膜對(duì)紅墨水的耐液等級(jí)均為3 級(jí)，有明顯印痕。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

前述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，變色油墨含量為15%時(shí)漆膜具有良好的變色能力，且光澤度、力學(xué)性能、耐液性與原涂層性能相比基本無(wú)改變，可保證涂層原有性能。因此，將變色油墨在涂膜中的分布狀況進(jìn)行ESEM 分析，如圖2 所示，確定變色油墨在水性涂料中的分布方式。從圖2 中可見(jiàn)，純底漆較光滑，幾乎無(wú)顆粒；變色油墨表面有少量顆粒物，干燥后不平整。變色油墨含量為5%的底漆出現(xiàn)顆粒，但顆粒較少；變色油墨含量為15%的底漆有明顯顆粒，部分團(tuán)聚，但不及變色油墨含量為30%的涂層團(tuán)聚明顯。隨著變色油墨含量的增加，變色油墨顆粒增多，導(dǎo)致漆膜團(tuán)聚變多。變色油墨含量為15%時(shí)底漆漆膜顆粒團(tuán)聚較少，且變色油墨含量適中，變色效果較好。

圖2 不同變色油墨含量的底漆漆膜ESEM 圖Fig.2 ESEM pictures of different contents of color?changing ink in the waterborne primer

將變色油墨、杉木、不同含量變色油墨的漆膜進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，3 383，3 343 cm-1為羥基吸收峰；2 931，2 852 及1 446 cm-1為亞甲基吸收峰；1 729 cm-1為羰基強(qiáng)而尖的特征峰。當(dāng)純底漆與杉木混合時(shí)，羥基消失，說(shuō)明純底漆與杉木發(fā)生了脫水反應(yīng)。當(dāng)純變色油墨與純底漆混合并涂覆于杉木基材時(shí)，除羥基外其他峰均未消失，因此，變色油墨的主要官能團(tuán)并未受到破壞，變色效果基本不受影響。變色油墨的變色機(jī)理為甲基紅受熱釋放電子，雙酚A 接受電子發(fā)生顏色變化，待溫度降至30 ℃左右后又恢復(fù)到初始顏色，但仍然具有變色功能，并且可反復(fù)變色。

3 結(jié)論

圖3 紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，變色油墨含量為15%的漆膜變色性能較佳。隨變色油墨含量的增加，漆膜光澤度稍有變化；變色油墨含量對(duì)漆膜附著力無(wú)影響；變色油墨含量大于20%時(shí)，隨變色油墨含量的增加，漆膜抗沖擊力逐漸增強(qiáng)，但相差不大；變色油墨含量對(duì)漆膜耐液等級(jí)無(wú)影響；變色油墨含量15%時(shí)顆粒分布均勻無(wú)團(tuán)聚。紅外光譜測(cè)試結(jié)果表明，變色油墨在水性涂料中的主要官能團(tuán)基本不受影響。變色油墨的變色機(jī)理為甲基紅受熱釋放電子，雙酚A 接受電子發(fā)生顏色變化，待溫度降至30 ℃左右后又恢復(fù)到初始顏色，但仍然具有變色功能，并且可反復(fù)變色。因此，在本研究中，變色油墨含量為15%時(shí)，杉木板材表面水性底漆漆膜綜合性能最佳。