大果紫檀抽提物改性的水性漆對(duì)桉木表面涂飾性能的影響

韋柳明，張卿碩，黃成禹，余春和，孫 靜

(1.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530000；2.廣西壯族自治區(qū)國(guó)有雅長(zhǎng)林場(chǎng)，廣西 百色 533000)

自明清以來(lái)，紅木因其特殊的材質(zhì)、紋理、色澤以及稀有度，一直作為高檔家具用材，是中國(guó)明清時(shí)期家具文化的重要載體[1]。紅木木材表面帶有深紅色條紋，其抽提物色澤為紅色，并具有耐腐性、抗輻射和抑菌等作用[2-5]。木材主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，內(nèi)含物中有單寧、樹脂、蛋白質(zhì)等[6]。不同樹種的內(nèi)含物稍有不同，用乙醚、乙醇、苯和水等對(duì)木材進(jìn)行抽提所得的內(nèi)含物稱為木材抽提物[7]。

從河姆渡時(shí)期至今，我國(guó)涂漆工藝有著超過(guò)了7 000 a歷史[8]。如今，漆飾裝修行業(yè)也是人們家居生活中無(wú)法離開的一部分。隨著人們?nèi)找骊P(guān)注涂漆中色素顏料是否環(huán)保，因此環(huán)保涂料受到了人們的重視[9]。水性漆是以水作為溶劑，具有調(diào)配簡(jiǎn)單、無(wú)毒、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。相比于油性漆,它減少了有機(jī)溶劑的使用量,進(jìn)而減少了漆中易揮發(fā)的有機(jī)物質(zhì),故稱為綠色環(huán)保涂料[12-14]。色澤和物理性能是水性漆的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。閆小星等[15]以杉木板為基材，木器水性底漆為漆基，添加變色油墨制成感溫可逆變色水性涂料。他對(duì)漆膜的理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明添加變色油墨的木器水性漆仍能保持漆膜的原有理化性能，例如附著力、抗沖擊力、耐液性等。朱曉冬等[16]將溫敏變色粉添加到木質(zhì)家具涂料中，其附著力和光澤度并未產(chǎn)生顯著性變化，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的色牢度。

以桉木為基材，大果紫檀心材抽提物為研究對(duì)象，水性漆為主要溶劑，對(duì)木材漆膜的附著力、抗沖擊性、硬度和色差等理化性質(zhì)和甲醛揮發(fā)量進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)其性能進(jìn)行分析和綜合評(píng)價(jià)。本研究對(duì)含有大果紫檀心材抽提物的水性漆進(jìn)行木材表面涂飾性能研究，考察了涂飾材表面的仿珍貴紅木效果和各項(xiàng)理化性能。通過(guò)在水性漆中添加大果紫檀心材抽提物，使其不影響水性漆原有理化性能和甲醛揮發(fā)量的前提下，提高木制品的色澤和美感。不僅能夠提高桉木的附加價(jià)值，而且為改良水性漆提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

購(gòu)于廣西省南寧市的大果紫檀(Pterocarpusmacrocarpus)，經(jīng)廣西大學(xué)林學(xué)院林產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心鑒定為大果紫檀心材。百家涂透明水性木器漆，昆山優(yōu)利涂料有限公司；桉木(Eucalyptusrobusta)板，20 mm(厚)× 100 mm(寬)× 100 mm(長(zhǎng))購(gòu)于廣西省憑祥市；無(wú)水乙醇，成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

WS-265寬帶砂光機(jī)，廣州福瑞德機(jī)械制造有限公司；QCJ-40抗沖器，上海市精科材料試驗(yàn)工廠；ADCI-60C全自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)，北京辰泰克儀器技術(shù)有限公司；QFH-A漆膜附著力十字交叉測(cè)定器，天津市精科材料試驗(yàn)工廠；BSA224S-CW電子天平，廣州賽多利斯儀器有限公司；QHQ-T3鉛筆硬度儀，上海市科器高新技術(shù)公司。

1.3 大果紫檀心材抽提物制備

大果紫檀心材刨花粉碎，過(guò)60目篩，將其放置干燥箱中60℃烘干，選取100%乙醇作為溶劑，料液質(zhì)量比1∶30，轉(zhuǎn)速300 r·min-1，提取時(shí)間4 h，經(jīng)減壓蒸發(fā)得染料的濃縮液。

1.4 桉木板涂飾正交試驗(yàn)

以砂帶目數(shù)、抽提液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、漆涂布量、涂飾次數(shù)作為考察因素，采用4因素3水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，詳細(xì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)L9(34)見表1。將20 mm(厚)× 100 mm(寬)× 100 mm(長(zhǎng))的木材試樣經(jīng)過(guò)刨削砂光處理后，再分別用360、800、1 000目砂帶進(jìn)行打磨，得到表面粗糙度不同的3種試樣，每個(gè)3塊(表2)。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，涂刷對(duì)應(yīng)的水性漆，每涂刷1遍，待其自然干燥2 h后，再進(jìn)行下一次涂刷，全部試樣涂飾完畢并干燥后，對(duì)其漆膜進(jìn)行理化性能測(cè)試。

表1 正交試驗(yàn)的因素與水平

1.5 木材表面色差測(cè)試

選擇國(guó)際照明委員會(huì)推薦的CIE(L*a*b*)標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)表色系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行材色參數(shù)測(cè)定[17]。每個(gè)試樣表面取3不同位置的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄測(cè)試得的L*、a*、b*，每個(gè)試樣取均值作為測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算公式如下:

ΔE=(ΔL*2+Δa*2+Δb*2)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，L*：表示顏色的明亮度；a*：綠紅軸色品指數(shù)，負(fù)值表示綠色，正值表示紅色；b*：藍(lán)黃軸色品指數(shù)，負(fù)值表示藍(lán)色，正值表示黃色；ΔL*：表示涂飾前后試樣的明亮度差；Δa*：表示涂飾前后試樣的綠紅軸色品指數(shù)差；Δb*：表示涂飾前后試樣的藍(lán)黃軸色品指數(shù)差；ΔE*：表示涂飾前后試樣的總體色差；n：代表測(cè)量次數(shù)。

表2 水性漆染料正交試驗(yàn)

1.6 木材表面附著力測(cè)試

參照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》,使用附著力測(cè)試儀(刀齒間距2 mm,漆膜厚度120 μm)，測(cè)試對(duì)照組和測(cè)試組試樣附著力等級(jí)。

1.7 木材表面硬度測(cè)試

參照GB/T6739-2006《涂膜硬度鉛筆測(cè)定法》,使用便攜式鉛筆劃痕試驗(yàn)儀測(cè)試對(duì)照組和測(cè)試組試樣的漆膜鉛筆硬度并確定等級(jí)。

1.8 木材表面抗沖擊測(cè)試

參照GB/T4893.9-2013《家具表面漆膜抗沖擊測(cè)定法》，使用抗沖器測(cè)試對(duì)照組和測(cè)試組試樣的表面抗沖擊性能并確定等級(jí)。

1.9 木材表面甲醛釋放量測(cè)試

參照GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》，使用干燥器法測(cè)試對(duì)照組和測(cè)試組試樣的甲醛釋放量。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材表面色差結(jié)果分析

2.1.1 試驗(yàn)因子對(duì)試樣變色前后色差的影響 根據(jù)表3得出，各個(gè)試樣的色差變化值較大，色差最高值為48.54。如圖1，研究結(jié)果表明，桉木板涂飾共混大果紫檀心材抽提物色素的水性木器漆色差值變化明顯。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表對(duì)桉木進(jìn)行涂飾，不同試驗(yàn)因素和水平時(shí)試樣涂飾前后色差的試驗(yàn)結(jié)果(表3)。由表3可知，經(jīng)不同砂帶目數(shù)處理過(guò)的桉木板色差值先升高后降低，800目砂帶處理過(guò)的木板色差值最大，其色差值為41.65。由于表面的粗糙程度會(huì)影響亮度值，當(dāng)表面平滑反射出的光線較多，表面光亮。但粗糙度高，光線垂直反射較少，相反漫反射較多，故表面亮度值下降。經(jīng)過(guò)800目砂帶打磨4、5、6號(hào)木板后的紅綠軸色品指數(shù)均較高，涂飾后桉木板材色趨向紅黃色(圖2)。本研究砂帶最佳目數(shù)為800目。

注：A.樣品1；B.樣品2；C.樣品3；D.樣品4；E.樣品5；F.樣品6；G.樣品7；H.樣品8；I.樣品9。

表3 色差均值響應(yīng)

在染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，試樣前后的色差值達(dá)到最大，其值為48.54。染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，色差值為41.15。當(dāng)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，它的色差值最小，其值為30.41。綜合分析可得，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%到5%時(shí)，試樣前后色差值上升10.74。染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%到10%時(shí)，試樣前后色差值上升7.39。本研究最佳染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

漆涂布量從3～6 mL時(shí)，色差值變化了2.02。當(dāng)從6～9 mL時(shí)，色差值增加了8.27。隨著桉木板涂飾布量的增加，色差值隨之變高。3、6、9號(hào)試樣的涂布量為6 mL時(shí)，色差值分別為61.77、46.76、37.08，且6號(hào)試樣的紅綠軸色品指數(shù)值最高。故涂飾效果良好，木材表面顏色趨向紅色。本研究漆涂布量的最佳值為9 mL。

隨著涂飾次數(shù)的增加，試樣前后色差值也逐漸增大，其值分別為33.16、40.74、46.19。涂飾3次時(shí)，試樣前后色差最大，其次為涂飾2次，最小為涂飾1次(圖2)。本研究確定最佳涂飾次數(shù)為3次。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表對(duì)桉木進(jìn)行涂飾試驗(yàn)，測(cè)量涂飾前后色差，試驗(yàn)結(jié)果見表3。各因素影響桉木板色差值的主次順序?yàn)槌樘嵋嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)>涂飾次數(shù)>漆涂布量>砂紙目數(shù)。最佳涂飾條件為：抽提液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，涂飾次數(shù)3，漆涂布量9 mL，砂紙目數(shù)800目。

圖2 漆膜色彩指數(shù)變化

2.1.2 木材表面色差試驗(yàn)結(jié)果的方差分析 色差試驗(yàn)的方差分析表明，在顯著性水平a=0.05下，試驗(yàn)因子染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、涂飾次數(shù)、漆涂布量、砂帶目數(shù)對(duì)桉木板試樣前后色差的影響顯著，且F值可得染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)最為顯著，其次是涂飾次數(shù)和漆涂布量，最后是砂紙目數(shù)(表4)。

表4 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

2.1.3 驗(yàn)證試驗(yàn) 根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)所確定出的最佳工藝，即抽提液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、涂飾次數(shù)3、漆涂布量9 mL、砂紙目數(shù)800目制備桉木試樣。不同試驗(yàn)因子和水平下試樣總色差試驗(yàn)結(jié)果見表5。最佳工藝參數(shù)所做驗(yàn)證試驗(yàn)的桉木板前后色差值為66.81±0.60，大于其他試驗(yàn)所得的桉木板前后色差。故該結(jié)果表明本試驗(yàn)所確定的最佳制備工藝是可靠的。

表5 涂飾前后色差測(cè)定結(jié)果

2.2 木材表面附著力的結(jié)果分析

漆膜附著力是漆膜性能的內(nèi)在理化性能，它是指人為通過(guò)物理和化學(xué)作用，使涂料與木料基材表面之間結(jié)合起來(lái)的牢固程度[18]。附著力測(cè)定結(jié)果表明，未添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂飾桉木板，9個(gè)樣品漆膜無(wú)明顯變化，僅在切割交叉邊緣有少量脫落。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.4-2013測(cè)定附著力評(píng)定等級(jí)均為1級(jí)。添加大果紫檀心材抽提物后的木器漆涂飾桉木板后，9個(gè)試樣的附著力結(jié)果保持原有理化性能。該結(jié)果說(shuō)明大果紫檀心材抽提物和水性漆溶合較好，不影響漆膜原始附著力，可保持水性漆原有的理化性能。附著力測(cè)定結(jié)果見表6。

表6 漆膜附著力測(cè)定結(jié)果

2.3 木材表面硬度的結(jié)果分析

鉛筆硬度指標(biāo)常用于評(píng)價(jià)漆膜承受尖銳物件刮擦的能力。根據(jù)GB/T6739-2006《涂膜硬度鉛筆測(cè)定法》，以桉木作為基材，未添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂飾的9塊桉木板試樣，漆膜硬度均達(dá)2H以上，最佳測(cè)試值為6H。添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂飾的9塊桉木板試樣，漆膜硬度均達(dá)3H以上，最佳測(cè)試值為6H。硬度測(cè)試結(jié)果表明添加大果紫檀心材抽提物的漆膜，其硬度測(cè)定結(jié)果與空白組相比沒(méi)有明顯變化。漆膜硬度測(cè)定結(jié)果見表7。

表7 漆膜硬度測(cè)定結(jié)果

2.4 木材表面抗沖擊的結(jié)果分析

抗沖擊是家具木制件的漆膜涂層表面理化性能檢測(cè)項(xiàng)目之一,檢測(cè)時(shí)不考慮材質(zhì)屬性采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB/T4893.9-2013《家具表面漆膜抗沖擊測(cè)定法》。通過(guò)抗沖擊性的測(cè)定，所有試樣受到?jīng)_擊后均留下不同程度的印痕，但漆膜表面無(wú)裂痕或環(huán)裂現(xiàn)象，評(píng)定等級(jí)為1。該結(jié)果說(shuō)明添加大果紫檀心材抽提物的水性漆不會(huì)降低漆膜的抗沖擊性，測(cè)定結(jié)果見表8。

表8 漆膜抗沖擊性測(cè)定結(jié)果

2.5 木材表面甲醛釋放量檢測(cè)結(jié)果

參照GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》，根據(jù)甲醛釋放量檢測(cè)結(jié)果表明，添加大果紫檀心材抽提物的水性漆甲醛釋放量未發(fā)生明顯變化。研究結(jié)果表明，大果紫檀心材抽提物不僅能豐富試樣的色彩，還能繼續(xù)保持其環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害的特點(diǎn)(表9)。

表9 漆膜甲醛釋放量檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

大果紫檀心材抽提物水性木器漆涂飾的9個(gè)試樣的色差變化值較大，涂飾前后色差最高值為61.77±0.83。結(jié)果表明，桉木板涂飾共混大果紫檀心材抽提物色素的水性木器漆色差變化明顯。桉木表面的粗糙程度影響亮度值，表面光滑使得光線反射較多。但隨著表面粗糙程度的增加，光線的漫反射較多，表面亮度值下降。經(jīng)不同砂帶目數(shù)處理后的桉木板前后色差值先升增加后降低，800目砂帶處理后的木板色差值最高。從方差結(jié)果可得，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為顯著因素，即染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響色差值的重要因素。隨著染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，色差值的變化也相應(yīng)越大。當(dāng)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，漆膜前后色差最大。隨漆膜涂布量的增加，其厚度愈厚，顏色可形成疊加效果，使得漆面的前后色差有明顯變化。當(dāng)漆涂布量為9 mL時(shí)，顏色疊加效果最明顯，前后色差值最大。隨著涂飾次數(shù)的增加，色素顏色的效果進(jìn)行了再次疊加。隨著涂布次數(shù)的增加，色差值隨之增加。當(dāng)涂飾次數(shù)為3時(shí)，色差值變化明顯。

大果紫檀心材抽提物的水性木器漆對(duì)桉木板樣品具有較好的涂飾效果，說(shuō)明水性木器漆和大果紫檀心材抽提物中的色素溶合較好。各因素影響桉木板色差值的主次順序?yàn)槌樘嵋嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)>涂飾次數(shù)>漆涂布量>砂紙目數(shù)。最佳涂飾條件為抽提液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，涂飾次數(shù)3，漆涂布量9 mL，砂紙目數(shù)800目。

大果紫檀抽提物和水性漆共混后漆膜附著力、鉛筆硬度、抗沖擊性等性能均無(wú)變化，漆膜硬度有略微提高。對(duì)共混后漆膜結(jié)果分析可得大果紫檀抽提物和水性漆較好結(jié)合，同時(shí)保持漆膜本身的理化性質(zhì)。涂飾后漆膜甲醛釋放量空白組與測(cè)試組均為0.02 mg/mL，說(shuō)明大果紫檀心材抽提物色素不會(huì)增加漆膜甲醛的揮發(fā)量。大果紫檀心材抽提物共混水性木器漆不僅能趨近大果紫檀心材的顏色，而且能夠保持漆膜的各項(xiàng)理化性能。