水性樹脂底漆對(duì)木材表面潤濕性的影響

路周，胡進(jìn)波，張默涵，萇姍姍，劉元*，鄭磊，李賢軍

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410004；2. 希美埃(蕪湖)機(jī)器人技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著人們生活水平的提高，兼具實(shí)用性與裝飾性的木器產(chǎn)品越來越受到消費(fèi)者的歡迎，特別是經(jīng)過精美涂飾的木器，近年來在家居市場(chǎng)占比較高。經(jīng)過不同切割方式的木材呈現(xiàn)形態(tài)各異的美麗花紋，但這些自然花紋需要經(jīng)過著色和涂裝才能更清晰顯現(xiàn)，才能更具立體感和觸摸感[1-3]。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)保呼聲的越來越高，水性涂料因其本身具有無色無味、綠色環(huán)保、低黏快干、高固含量、成本低等優(yōu)點(diǎn)越來越受到企業(yè)和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注[4]。然而到目前為止，水性涂料在木質(zhì)材料的使用上還存在一些問題，如水性漆涂裝對(duì)木材表面整潔度要求高、水性漆進(jìn)入木材淺表面致涂膜干燥能量需求高、水性涂膜耐水性差等[5-6]，這些問題都可能與水性涂料在木材表面的滲透性有直接關(guān)系。

木器涂料按照施工的先后順序，通?？煞譃榈灼岷兔嫫?。底漆可認(rèn)為是木材與面漆之間的過渡層，能增強(qiáng)涂層和木材之間的附著力，防止面漆滲透到木材孔隙影響漆膜的平整、美觀。因此，底漆在木材表面的潤濕性就非常重要，潤濕性好則滲透性越好，涂料與木材形成的膠釘就越多，能夠使其在木材表面形成一層均勻連續(xù)的漆膜，增強(qiáng)下一道面漆工序的層間附著力[7-8]。通常對(duì)于木器制品而言，木材表面潤濕性能用底漆樹脂與木材形成的接觸角來衡量，用以觀察和分析底漆在木材表面潤濕鋪展及黏附的難易程度和效果，是木材界面中最重要的參數(shù)之一[9-10]。對(duì)于水性漆涂裝，研究木材表面水性樹脂底漆潤濕特性，可為改善木材表面加工性能及與其他材料的界面相容性等提供依據(jù)。為了研究水性樹脂底漆與木材表面的潤濕性，選取不同樹種、不同類型的水性樹脂底漆、底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干磨砂紙粒度4個(gè)影響木材接觸角的因素，采用L25(56)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析判定影響水性樹脂底漆在弦切板和徑切板表面潤濕性的因素；通過定量表征不同樹種、不同板材表面細(xì)胞孔槽特性進(jìn)一步證實(shí)其接觸角的差異性根源，也為進(jìn)一步探究不同樹脂類型的水性樹脂底漆在不同實(shí)木弦切面、徑切面濕潤性，以及為更好地完成木制品水性漆涂裝提供基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、白橡(Quercusalba)、奧古曼(Aucoumeaklaineana)和非洲紫檀(Pterocarpussoyauxii)5種木材的弦、徑切板。試材放置于恒溫恒濕箱中，并將含水率調(diào)整為12%。

水性底漆：單組分水性丙烯酸樹脂底漆(以下簡稱“MWD111”)、單組分水性丙烯酸改性聚氨酯底漆(以下簡稱“MWD311”)、雙組分水性丙烯酸樹脂底漆(以下簡稱“NHDD01A”)，市購某品牌產(chǎn)品。

輔助材料：600目(23 μm)、360目(75 μm)、180目(95 μm)干磨砂紙。

1.2 儀器設(shè)備與主要試劑

滑走式切片機(jī)，Nikon M568E光學(xué)顯微鏡，OCA15Plus視頻光學(xué)接觸角測(cè)定儀，1%番紅染液，無水乙醇，加拿大中性樹膠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 木材表面接觸角測(cè)定

將5種木材弦、徑切板制成規(guī)格為60 mm×20 mm×20 mm的試件，試件無缺陷。分別用600目、360目、180目的砂紙打磨試件表面，直到木粉不粘砂紙為止。將3種水性樹脂底漆和水依次配制成底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%，70%，80%，90%，100%的水性樹脂底漆。根據(jù)樹種(A)、干磨砂紙粒度(B)、底漆種類(C)、底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D)4種因素，采用L25(56)正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，用接觸角測(cè)定儀測(cè)量底漆涂料在木材表面的接觸角大小。正交試驗(yàn)的因素水平見表1。

表1 木材表面潤濕性影響因素水平Table 1 Wood surface wettability influence factors and levels

1.3.2 顯微觀察與表面孔槽比測(cè)定

木材弦、徑切面的孔槽比是指弦、徑切面上孔槽面積占弦、徑切面總面積的百分?jǐn)?shù)?？资侵改静南仪忻嫔渚€薄壁細(xì)胞因橫向平剖而形成的凹孔結(jié)構(gòu)。槽是指木材弦、徑切面上軸向管胞、軸向薄壁組織、木纖維、導(dǎo)管、射線薄壁細(xì)胞因縱向平剖而形成的凹槽結(jié)構(gòu)。

將規(guī)格為10 mm×10 mm×10 mm的5種木材小塊水煮至下沉，用滑走式切片機(jī)在5種木材弦、徑切面分別切下厚度為10～15 μm的切片，用加拿大中性樹膠進(jìn)行封固制成永久切片[11]；將切片置于光學(xué)顯微鏡下隨機(jī)選取30個(gè)點(diǎn)觀察并成像，將獲得的木材弦、徑切面圖像導(dǎo)入image pro plus圖像處理軟件，通過標(biāo)記弦、徑切面的孔槽位置，計(jì)算孔槽面積值(sum)即S1，之后計(jì)算圖像總面積S2。各個(gè)切面孔槽面積(S1)和全部圖像面積(S2)的比值(N)，即為木材弦、徑切面的孔槽比[12]。

圖1 不同因素水平木材接觸角大小Fig. 1 Wood contact angle under different factors

2 結(jié)果與分析

2.1 5種木材表面潤濕性影響因素分析

2.1.1 正交試驗(yàn)極差分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表2。由表2可知，5種木材弦、徑切面的表面潤濕性受水性樹脂底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響最為顯著，影響潤濕性的主次因素依次為D(底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù))、C(底漆種類)、A(樹種)、B(干磨砂紙粒度)。影響水性樹脂底漆滲透、潤濕性最主要的因素是涂料的黏稠度，水性樹脂底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低黏稠度越低，底漆越容易均勻滲透到木材表面的孔槽結(jié)構(gòu)中，黏稠度與底漆本身關(guān)系密切，即受影響于底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)和種類[13]。此外，水性樹脂底漆相對(duì)分子量的大小(即底漆種類)和木材表面孔槽結(jié)構(gòu)的大小(即樹種)也是制約水性樹脂底漆能否均勻滲透到孔槽結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[12]，但木材表面經(jīng)不同粒度的干磨砂紙打磨后，不能從根本上改變木材表面整體的孔槽大小結(jié)構(gòu)和切面孔槽面積占比，因此，對(duì)水性樹脂底漆潤濕性的影響不顯著。

表2 木材表面潤濕性影響因素正交實(shí)驗(yàn)極差值Table 2 Factors influencing wood surface wettability based on orthogonal experiment

不同因素水平下木材接觸角大小情況見圖1。整體而言，木材徑切面的接觸角小于弦切面，徑切面的潤濕性優(yōu)于弦切面。從4個(gè)單一因素比較來看，如圖1a所示，水性樹脂底漆固含量越高，黏稠度越高，越易堵塞孔槽結(jié)構(gòu)，使得水性樹脂底漆在木材表面的接觸角增大，潤濕性減弱。雖然木材表面潤濕性隨著水性樹脂底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸減弱，但是在涂裝工藝方面，不同的水性樹脂底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有控制在一定范圍內(nèi)才能保證后期的漆膜干燥質(zhì)量，因此具體的水性樹脂底漆的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)值要根據(jù)后期漆膜的干燥質(zhì)量綜合考慮。圖1b中單組分的水性樹脂底漆和雙組分的水性樹脂底漆相比，單組分水性樹脂底漆的潤濕性更好，這與水性樹脂底漆中樹脂的分子量和木材表面孔槽大小有關(guān)，單組分水性樹脂底漆的相對(duì)分子質(zhì)量較小，更容易進(jìn)入木材表面的孔槽結(jié)構(gòu)，從而使?jié)櫇裥阅芨眩粓D1c所示，5種木材中針葉材的潤濕性要優(yōu)于闊葉材，杉木表面的潤濕性最好，白橡的潤濕性最差；圖1d所示5種木材弦、徑切面經(jīng)180目砂紙打磨后的潤濕性能最好，干磨砂紙粒度對(duì)木材表面潤濕性影響不顯著。

2.1.2 正交試驗(yàn)方差分析

對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了直觀的極差分析，其優(yōu)點(diǎn)是簡單、直觀、計(jì)算量較小，便于普及和推廣，對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際中的一般問題用直觀分析法能夠得到很好的解決[14]。但極差分析法不能估計(jì)試驗(yàn)過程中以及試驗(yàn)結(jié)果測(cè)定中必然存在的誤差大小，因而不能真正區(qū)分某因素水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的差異究竟是由于水平的改變引起的，還是由于試驗(yàn)誤差引起的。除此之外，極差分析對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的各因素的重要程度不能給出精確的數(shù)量估計(jì)，也不能提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來考察、判斷因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是否顯著。因此，直觀分析法得到的結(jié)論不夠精確。為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)樹種(A)、干磨砂紙粒度(B)、底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)、底漆種類(D)4種因素，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的方差分析，結(jié)果對(duì)比F值分布表得出：F0.01>FA>F0.05；FBF0.01；FD>F0.01，具體如表3、表4所示。

表3 木材徑向表面潤濕性影響因素正交試驗(yàn)方差分析Table 3 Wood radial surface wettability influence factor orthogonal test variance analysis results

表4 木材弦向表面潤濕性影響因素正交試驗(yàn)方差分析 Table 4 Wood tangential surface wettability influence factor orthogonal test variance analysis results

a)松木徑切面；b)松木弦切面；c)杉木徑切面；d)杉木弦切面；e)奧古曼徑切面；f)奧古曼弦切面；g)白橡徑切面；h)白橡弦切面；i)非洲紫檀徑切面；j)非洲紫檀弦切面。圖2 5種木材弦、徑切面微觀結(jié)構(gòu)Fig. 2 Micro images of wood tangential and radial sections

由表3、表4分析可知，根據(jù)F值大小，判斷出影響木材表面潤濕性因素的主次順序是：底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)、底漆種類、樹種、干磨砂紙粒度。底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)和底漆種類對(duì)試驗(yàn)影響非常顯著，樹種對(duì)試驗(yàn)影響顯著，干磨砂紙粒度對(duì)實(shí)驗(yàn)影響不顯著。進(jìn)一步驗(yàn)證了極差分析結(jié)果。

2.2 5種木材表面孔槽比

2.2.1 微觀構(gòu)造

5種木材弦、徑切面顯微構(gòu)造見圖2。從圖2可以看出，松木和杉木的纖維管胞分布均勻，單列較寬，平均寬度為30～65 μm，為粗結(jié)構(gòu)，管胞縱剖面孔寬槽深；木射線為單列，少至中，高2～14個(gè)細(xì)胞，射線薄壁細(xì)胞水平壁薄，紋孔較多；管胞內(nèi)紋孔清晰可見，管胞與射線薄壁細(xì)胞之間存在交叉場(chǎng)紋孔。

奧古曼、白橡、非洲紫檀3種闊葉材的木纖維排列致密，單列較窄，平均寬度為10～40 μm，腔小而壁厚；奧古曼木射線為多列木射線，射線類型為異性Ⅲ型，導(dǎo)管內(nèi)紋孔清晰可見，導(dǎo)管壁上紋孔排列為互列紋孔；白橡和非洲紫檀為單列木射線，高5～14個(gè)細(xì)胞，且導(dǎo)管內(nèi)部含有豐富的侵填體。

松木、杉木是國內(nèi)典型的木器用針葉材，白橡是典型的歐美進(jìn)口材，而奧古曼和非洲紫檀是典型的非洲進(jìn)口材。從5種具有代表性的木材微觀圖像整體對(duì)比(圖2)可發(fā)現(xiàn)，針葉材(松木、杉木)弦、徑切面管胞形成的管槽面積大于闊葉材(奧古曼、白橡、非洲紫檀)弦、徑切面細(xì)胞形成的管槽面積，且針葉材的管胞細(xì)胞壁明顯很薄，整體厚度小于闊葉材細(xì)胞壁。

2.2.2 弦、徑切面孔槽比

利用image pro plus圖像處理軟件計(jì)算木材弦、徑切面的孔槽比，結(jié)果見表5。5種木材弦切面的孔槽比由高到低依次是松木、杉木、奧古曼、非洲紫檀、白橡，而徑切面的孔槽比由高到低依次是杉木、松木、奧古曼、非洲紫檀、白橡。整體而言，5種木材徑切面的孔槽比要高于弦切面，原因是木材弦切面存在射線薄壁細(xì)胞因橫向平剖形成的凹孔結(jié)構(gòu)，凹孔結(jié)構(gòu)相對(duì)于凹槽結(jié)構(gòu)壁腔比相對(duì)較小，從而導(dǎo)致木材徑切面的孔槽比要高于弦切面。這也驗(yàn)證了上述正交試驗(yàn)結(jié)果中徑切面的潤濕性要優(yōu)于弦切面，主要原因是徑切面的孔槽比要高于弦切面，使得水性樹脂底漆更易滲透到木材表面的孔槽結(jié)構(gòu)中，從而導(dǎo)致徑切面的潤濕性要優(yōu)于弦切面。

表5 5種木材弦、徑切面孔槽比Table 5 Hole groove ratio of tangential and radial sections of five kinds of wood species

5種木材中針葉材(松木、杉木)的孔槽比明顯高于闊葉材(奧古曼、白橡、非洲紫檀)。從微觀圖像上來看，針葉材軸向管胞的長和寬大于闊葉材木纖維，且針葉材的纖維管胞細(xì)胞壁厚度小于闊葉材木纖維，并且闊葉材弦切面木射線橫向平剖形成的凹孔結(jié)構(gòu)的數(shù)量也多于針葉材，因此針葉材弦、徑切面的壁腔比大于闊葉材，從而導(dǎo)致針葉材的孔槽比高于闊葉材，其潤濕性也優(yōu)于闊葉材，而白橡和非洲紫檀導(dǎo)管內(nèi)的侵填體堵塞孔槽，也是減弱其表面潤濕性的原因[15]。

3 結(jié) 論

通過正交試驗(yàn)，采用極差和方差分析法對(duì)影響木材表面潤濕性因素進(jìn)行分析，并結(jié)合5種木材的微觀圖像和木材弦、徑切面的孔槽比，對(duì)原因進(jìn)一步解釋說明。綜合分析主要得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)極差RD>RC>RA>RB，表明影響木材表面潤濕性能的因素主次順序依次為水性樹脂底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水性樹脂底漆種類、樹種、干磨砂紙粒度，并用方差分析法進(jìn)一步驗(yàn)證了其正確性，2種分析方法結(jié)果一致，即底漆質(zhì)量分?jǐn)?shù)和底漆種類對(duì)木材表面潤濕性影響非常顯著，樹種對(duì)試驗(yàn)影響顯著，干磨砂紙粒度對(duì)潤濕性影響不顯著。

2)5種木材徑切面的孔槽比高于弦切面，針葉材弦、徑切面的孔槽比高于闊葉材，從而導(dǎo)致徑切面的潤濕性優(yōu)于弦切面，針葉材的潤濕性優(yōu)于闊葉材；單組分水性樹脂底漆和雙組分水性樹脂底漆相比，單組分水性樹脂底漆的潤濕性更好。