3 種水性漆在楊木表面的潤濕性對比研究?

包新德 李 萍 吳義強(qiáng) 袁光明 左迎峰

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

楊木是我國重要的速生林樹種，其種植面積廣泛，生長速度快，適應(yīng)性強(qiáng)，具有易加工、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-6]，被廣泛應(yīng)用于家具建材、地板等行業(yè)[7-12]。表面涂飾對于木材保護(hù)具有重要意義[13-15]，但現(xiàn)有的楊木相關(guān)研究多側(cè)重于改性以提高其物理力學(xué)性能，對其產(chǎn)品表面涂飾的研究鮮見報道。

潤濕性作為木質(zhì)材料表面研究的一個重要界面特性，通過接觸角可表征某種液體在木材表面的黏附、滲透、鋪展的難易程度和效果[16-26]。本文選取丙烯酸酯、聚氨酯、丙烯酸-聚氨酯共聚物3 種水性漆[27-28]，采用接觸角測試儀對3 種水性漆在楊木表面的接觸角進(jìn)行測試，對比分析其在楊木表面的潤濕性，旨在為楊木產(chǎn)品選擇理想的水性涂料。

1 材料與方法

1.1 材料

毛白楊（Populus tomentosa）采自湖南永州林場，晚材，木段縱向長度1.8 m，直徑12～18 cm，密度0.386 g/cm3，含水率8%～12%。丙烯酸酯水性漆（pH6.5）、聚氨酯水性漆（pH7.0）、丙烯酸酯-聚氨酯共聚物水性漆（pH7.0），均購于廣東嘉寶莉化工有限公司。超純水，實驗室自制。

1.2 設(shè)備

接觸角測試儀，OCA15 型，德國數(shù)據(jù)物理儀器有限公司。電熱鼓風(fēng)干燥箱，101-3AB型，天津市泰斯特儀器有限公司。ZWL-PAL-20 型理化分析型超純水機(jī)，中沃水務(wù)環(huán)保科技有限公司。

1.3 試驗方法

為避免溫度對接觸角檢測結(jié)果的影響，試驗在21 ℃的環(huán)境中進(jìn)行。在楊木樹干上隨機(jī)選取一段，鋸成規(guī)格為80 mm×30 mm×10 mm的楊木徑切板和弦切板試樣各5 個，用240 目砂紙均勻打磨試件表面兩遍，使其表面粗糙度（Ra）達(dá)到2.8 μm，并將表面粉末擦除干凈，以免影響接觸角的檢測。將打磨后的試樣置于自來水中浸泡6 h,隨后在箱式干燥箱中60 ℃溫度條件下干燥24 h，使其含水率保持在12%左右，后放置于室內(nèi)環(huán)境中等待24 h,測量水性漆在楊木徑切面、弦切面的接觸角，并根據(jù)接觸角下降率分析其潤濕性的變化規(guī)律。

1.4 接觸角測試

將1微滴（約4 μL）水性漆隨機(jī)滴在楊木試樣表面，設(shè)定平衡時間為12 s，當(dāng)水性漆在試件表面的潤濕相對平衡時，利用接觸角測量儀抓拍工具，獲取并記錄靜態(tài)接觸角。每個試件隨機(jī)選取8個測點(diǎn)，檢測結(jié)果取平均值即為該水性漆在楊木表面的接觸角。水作為稀釋劑，對水性漆黏度具有重要作用，因此本研究同時測定了超純水在楊木徑切面、弦切面的接觸角。

2 結(jié)果與分析

2.1 超純水在楊木表面的潤濕性

超純水分別滴落于楊木徑切面、弦切面，其接觸角檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 超純水在楊木徑切面、弦切面的接觸角Tab.1 Contact angle of ultrapure water on poplar radial section and tangential section/（°）

由表1可知，超純水在楊木弦切面和徑切面的接觸角平均值分別為25.15°和35.37°，弦切面接觸角均小于徑切面的接觸角。接觸角越小潤濕性越好，說明超純水在楊木弦切面的潤濕性優(yōu)于徑切面。水是極性物質(zhì)，其表面張力大,流動性好，易在楊木表面鋪展、滲透，楊木徑切面的孔隙率大于弦切面，弦切面比徑切面光滑，使得水分子在同等條件下在徑切面更易于鋪展浸入楊木內(nèi)部。

2.2 丙烯酸酯水性漆在楊木表面的潤濕性

丙烯酸酯水性漆具有漆膜光亮堅硬、耐水性和耐腐蝕性能好、附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由表2分析得出，未經(jīng)超純水稀釋的丙烯酸酯水性漆在楊木徑切面的接觸角平均值均小于弦切面，在徑切面、弦切面的接觸角平均值分別為71.26°、76.33°，說明丙烯酸酯水性漆在楊木徑切面的潤濕性優(yōu)于弦切面，也表明丙烯酸酯水性漆不易滲入楊木表面。分別摻入質(zhì)量為10、20 g和30 g的水稀釋，其表面潤濕性發(fā)生了較大變化，接觸角呈現(xiàn)明顯減小趨勢。用30 g水稀釋后的丙烯酸酯水性漆在楊木徑切面的接觸角相比于稀釋前下降了51.66%，在弦切面的接觸角下降了49.27%。由此可見，丙烯酸酯水性漆在楊木徑切面的潤濕性比弦切面的潤濕性好?？赡苁且驗楸┧狨ニ云岜旧眇ざ却螅噍^于以不同比例水稀釋后的丙烯酸酯水性漆，其本身的表面張力差，不易滲入木材，水的摻入使其黏度變小，表面自由能增加，因此潤濕性變好。

表2 丙烯酸酯水性漆在楊木徑切面、弦切面的接觸角Tab.2 Contact angles of acrylic water-based primers on poplar radial section and tangential section/（°）

2.3 聚氨酯水性漆在楊木表面的潤濕性

聚氨酯水性漆具有漆膜硬度高、表面光滑、色彩明亮、附著力強(qiáng)、耐腐蝕耐水等優(yōu)點(diǎn)。其在楊木徑切面、弦切面的接觸角檢測結(jié)果如表3 所示。

表3 聚氨酯水性漆在楊木徑切面、弦切面的接觸角Tab.3 Contact angle of polyurethane waterborne primer on poplar radial section and tangential section/（°）試樣編號 漆水質(zhì)量比 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 平均值 標(biāo)差

由表3 分析得出，未用水稀釋的聚氨酯水性漆在楊木徑切面與弦切面的接觸角平均值分別68.61°、65.95°，在分別摻入質(zhì)量為10 、20 g和30 g水稀釋后，其表面接觸角呈現(xiàn)明顯下降趨勢。相比于稀釋前，用30 g水稀釋后的聚氨酯水性漆在楊木徑切面、弦切面的接觸角分別下降了41.47%、36.12%，說明聚氨酯水性漆在楊木徑切面的潤濕性優(yōu)于弦切面。此外，用10 g水稀釋后的聚氨酯水性漆在楊木徑切面、弦切面的潤濕性變化不明顯；用20 g和30 g水稀釋后的聚氨酯水性漆在楊木徑切面的潤濕性優(yōu)于弦切面，可能是因為楊木具有豐富且發(fā)達(dá)的導(dǎo)管，在干燥過程中因高溫使得楊木內(nèi)部抽提物隨水分轉(zhuǎn)移至表面填充空隙，不利于聚氨酯水性漆滲入，楊木徑切面的孔隙數(shù)量大于弦切面，孔隙率越高，其表面積越大，自由基亦越多，加之水分子的增多，聚氨酯水性漆的黏度、流動性變好，有利于高分子化合物之間的結(jié)合，因而徑切面的潤濕性優(yōu)于弦切面。

2.4 丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆在楊木表面的潤濕性

丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆結(jié)合了丙烯酸酯和聚氨酯的各自優(yōu)勢，通過改性使得該共聚物水性漆具有漆膜干燥迅速等優(yōu)勢，其在楊木徑切面、弦切面的接觸角檢測結(jié)果如表4 所示。。

表4 共聚物水性漆在楊木徑切面、弦切面的接觸角Tab.4 Contact angle of copolymer waterborne primer on poplar radial section and tangential section/（°）

由表4 可見，未經(jīng)水稀釋的共聚物水性漆在楊木徑切面和弦切面的接觸角平均值分別為60.54°和66.01°，在分別摻入質(zhì)量為10、20 g和30 g水稀釋后，其表面接觸角呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，相比于稀釋前，用30 g水稀釋后的丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆在楊木徑切面、弦切面的接觸角分別下降了39.59%、42.63%，因此弦切面潤濕性比徑切面相對較好，這可能是由于楊木橫向的木射線薄壁細(xì)胞與縱向的木纖維相交形成的交叉面存在紋孔構(gòu)造，有利于黏度較低的共聚物水性漆通過紋孔流通；此外，用240 目砂紙打磨后的楊木表面粗糙度較高，其表面的高分子聚合物分子鏈斷裂，產(chǎn)生新的官能團(tuán)，官能團(tuán)具有較大的極性，使得楊木表面自由能增加，有利于共聚物水性漆和楊木表面的官能團(tuán)結(jié)合，從而提高共聚物水性漆在楊木表面的滲透性。

2.5 3 種水性漆在楊木表面的潤濕性對比

圖1 3 種不同濃度的水性漆在楊木徑切面(a)、弦切面(b)的接觸角Fig.1 The contact angles of three diあerent concentrations of water-based primers on the poplar radial section (a) and tangential section (b)

由圖1 分析得知，丙烯酸酯、聚氨酯、共聚物3 種水性漆在楊木表面的潤濕性有較大差異，未經(jīng)超純水稀釋的3 種水性漆中，丙烯酸酯水性漆在楊木表面的潤濕性較差，聚氨酯水性漆次之，丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆的潤濕性最好。用10 g水稀釋后，丙烯酸酯漆比聚氨酯漆在楊木徑切面的潤濕性好；用20 g水稀釋后，聚氨酯漆和丙烯酸酯漆在楊木弦切面的潤濕性均沒有明顯變化，但聚氨酯漆比丙烯酸酯漆在楊木徑切面的潤濕性要好；用30 g水稀釋后，丙烯酸酯漆在楊木徑切面的潤濕性較好，其次是共聚物漆在楊木徑切面和弦切面的潤濕性，然后是丙烯酸酯漆在楊木弦切面的潤濕性，最后則是聚氨酯漆，其徑切面、弦切面潤濕性均比其他兩種漆差。

根據(jù)圖2，從未稀釋到用30 g水稀釋后的下降率來分析，丙烯酸酯水性漆在楊木表面的潤濕性較好，其徑切面、弦切面的接觸角下降率分別為51.66%、49.27%；其次是丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆，其在楊木徑切面、弦切面的接觸角下降率分別為39.59%、42.63%；最差的則是聚氨酯水性漆，其在楊木徑切面、弦切面的接觸角下降率分別為41.47%、36.12%。由此可見，楊木產(chǎn)品最適宜選用丙烯酸酯水性漆進(jìn)行涂裝。本文未采取摻入更多比例的水分，因為水分過多易使水性漆漆膜質(zhì)量受損，也會影響水性漆的干燥速度、涂飾效果、阻燃性能等，此外在涂飾時還可能導(dǎo)致流掛、發(fā)白、起皺等。

圖2 3 種不同濃度的水性漆在楊木徑切面和弦切面的接觸角下降率Fig.2 The decrease rate of three diあerent concentrations of water-based primers on poplar radial section and tangential section

3 結(jié)論

超純水在楊木弦切面的潤濕性優(yōu)于徑切面；從接觸角下降率可知，相比于未稀釋的水性漆，經(jīng)過不同質(zhì)量的超純水稀釋后，這三種水性漆在楊木表面接觸角呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，其中丙烯酸酯漆和聚氨酯漆在楊木徑切面的潤濕性優(yōu)于弦切面，共聚物水性漆在楊木弦切面潤濕性優(yōu)于徑切面，從這三種不同種類漆的潤濕性得知，丙烯酸酯水性漆相比于其他兩種漆在楊木表面的潤濕性更好，其次是丙烯酸聚氨酯共聚物水性漆，聚氨酯水性漆的潤濕性較差，由此可見，在楊木產(chǎn)品上比較適宜選用丙烯酸酯水性漆進(jìn)行涂裝。