基于水性丙烯酸涂料的家具用竹集成材涂饰工艺研究_陈杰.pdf

竹子学报，（）：收稿日期：基金项目：中央财政林业科技推广示范资金（号）作者简介：陈杰，硕士研究生，从事竹木材加工利用研究。：。通讯作者：李琴，研究员，硕士，从事竹木材加工利用研究。：基于水性丙烯酸涂料的家具用竹集成材涂饰工艺研究陈 杰，袁少飞，王洪艳，张 建，袁超哲，李 琴（浙江农林大学 化学与材料工程学院，浙江 杭州；浙江省林业科学研究院 浙江省竹类研究重点实验室，浙江 杭州）摘 要 采用水性丙烯酸（）、自交联聚氨酯改性水性丙烯酸（）、水性聚氨酯丙烯酸（）对家具用竹集成材进行涂饰，探究不同的丙烯酸种类、涂饰方式及涂布量对漆膜性能的影响。结果表明：水性丙烯酸种类对漆膜性能有一定影响，底漆和面漆的表干 实干时间较快，底漆为 、第一次面漆为 、第二次面漆为 ，和 的硬度略高于，均为 级，附着力均为级。综合比较下，的性能较佳。涂饰方式对漆膜性能影响不明显，不同涂饰方式下底漆表干 实干时间为 ，面漆表干 实干时间为 ，其硬度和附着力均为 级和 级，一底一面涂饰下漆膜耐磨性较佳，为 。涂布量对漆膜性能影响较大，漆膜表干 实干时间会随着涂布量的增加而增大，涂布量为 时漆膜的附着力、硬度及耐磨性最佳，分别为 级、级和 。关键词 水性丙烯酸；涂饰；干燥时间；漆膜性能 ，（，；，）（），（），（），（），（），（）；我国竹资源培育和加工利用技术引领世界，在全球竹产业中占据举足轻重的地位，涂料在其领域上的应用逐渐扩大。目前我国使用的大多为溶剂型涂料，其在施工过程中释放的甲醛、醇类、苯系物以及二异氰酸酯等有害物质严重地影响着生态环境和人类健康。为此，无毒、环保的水性涂料正在逐步取代高 的油性涂料。水性涂料以水为分散介质减少了挥发性有机化合物的排放，缓解了对环境和人体的危害。随着人们对保护环境的重视以及法律对 排放量的管控，水性涂料有着广泛的发展前景。目前，由水性丙烯酸、聚氨酯以及二者合成物所组成的水性涂料占据了主要的市场。其中，水性丙烯酸涂料凭借其优秀的抗腐性、耐热性及耐水性 被应用于木材领域。现阶段关于水性丙烯酸的研究主要是在改性方面，包括了纳米改性、树脂改性、复合改性等，国内外很多学者对漆膜的成膜机理进行了研究，提出了相互扩散理论、毛细管作用理论等。除此之外，关于水性丙烯酸涂料的涂饰及干燥的研究主要应用于木材，在竹材家具上的涂饰及干燥的研究还较少，仍处于起步阶段。竹材与木材的主要化学成分相似，结构上有较大差异，竹材横向毛细管比木材少，且竹材不具有木射线等横向细胞，其侧竹壁结构更致密，探究竹材家具上水性丙烯酸涂料的涂饰工艺得到性能较佳的产品成为了现阶段的工作。该文采用水性丙烯酸涂料对家具生产用的竹集成材进行涂饰，竹材家具对漆膜的表面附着力、硬度和耐磨性有一定的要求，针对其探究不同丙烯酸涂料种类、涂饰工艺以及涂布量对漆膜性能的影响，为今后竹材用水性涂料的涂饰提供参考和依据。材料与方法 材料涂饰基材选择家具生产用的竹集成材（碳化侧压），试件的最终规格为 ，含水率在 以下，涂料为市购水性丙烯酸涂料，其中 为底漆，为面漆，为涂饰后漆膜，涂料的主要成分分别为：水性丙烯酸、自交联聚氨酯改性水性丙烯酸、水性聚氨酯丙烯酸，种涂料由于改性方式的不同，其性能也有所不同。其主要性能参见下表。表 水性涂料基本参数 涂料主要成分颜色粒径大小 离散程度（）固含量 水性丙烯酸白色 自交联聚氨酯改性水性丙烯酸白色 水性聚氨酯丙烯酸浅黄色 水性丙烯酸白色 自交联聚氨酯改性水性丙烯酸白色哑光 水性聚氨酯丙烯酸乳白色 竹子学报第 卷 仪器与设备（）涂饰设备：水性漆专用羊毛刷，目砂纸，目砂纸，目砂纸，电子天平。（）性能测试设备：纳米粒径电位分析仪（，英国），漆膜干燥时间测试器（，沧州中亚试验仪器有限公司），铅笔硬度仪（，艾锐普），漆膜划格器（，上海普申），恒温恒湿箱，漆膜耐磨仪（，上海普申），电子显微镜（，日本日立公司）。（）其他工具：纱布条，脱脂棉，中华牌高级绘图铅笔，定性滤纸，透明胶带。方法 丙烯酸种类试验设计 采用单因素的实验方法将 种丙烯酸涂料分成 组，在 ，的湿度下，对家具用竹集成材进行一底两面的涂饰，底漆、面漆的涂布量均为 ，涂饰后的漆膜分别为、，分析不同丙烯酸涂料对漆膜的干燥速率及成膜性能的影响，确定最优丙烯酸涂料种类，后续使用此涂料。涂饰方式试验设计 采用单因素的实验方法探究不同涂饰方式对漆膜的影响，分别采用一次底漆一次面漆（一底一面）、一次底漆两次面漆（一底两面）、两次底漆一次面漆（两底一面）、两次底漆两次面漆（两底两面）种不同的涂饰方式，分析不同涂饰方式对漆膜的干燥速率及成膜性能的影响，确定最佳涂饰方式。涂布量试验设计 采用单因素的实验方法探究不同涂布量对漆膜的影响，分别选择底漆面漆的涂布量为、，分析不同涂布量对漆膜的干燥速率及成膜性能的影响，确定最佳涂饰量。工艺 底漆涂饰前使用 目砂纸对家具用竹集成材打磨直至表面光滑后进行涂饰。完成后立即将样品放入恒温恒湿箱进行干燥。干燥后使用 目砂纸打磨样品后进行涂饰。涂饰完成后进行干燥处理。待面漆完全实干后进行漆膜性能的测试。每个试验重复进行 次。测试方法 漆膜性能的测试主要涉及干燥时间、硬度、耐磨性及附着力。其中，硬度要求 级，附着力要求 级，干燥时间测试参照标准 漆膜、腻子膜干燥时间测定法，硬度测试参照标准 涂膜铅笔硬度测定法，耐磨性的测试参照标准 家具表面漆膜理化性能试验第 部分耐磨性测定法，附着力的测试参照标准 家具表面漆膜理化性能试验第 部分附着力交叉切割测定法。将水性丙烯酸涂料涂饰在马口铁片上，放入恒温恒湿箱中进行测试，通过测试每 的质量变化来得出漆膜在干燥环境下的水分变化曲线。此外分别对漆膜及涂料进行红外测试，漆膜采用溴化钾压片进行测试，涂料采用衰减全反射（）的方法测试，扫描波次为，波数为 ，测试电压为 。漆膜性能测试前，需要对已完全实干的漆膜放置于自然环境下进行平衡一周，平衡后在室温条件下对其进行性能测试。结果与分析 丙烯酸种类对漆膜性能的影响 漆膜干燥速率 图 为不同种类丙烯酸涂料的水分变化曲线。由图可知，种涂料在马口铁测试板上的水分挥发速率趋势大致相同，均呈现快速降低后归于 的趋势，种涂料水分挥发速率均在 时达到最高值。说明涂料中水分子吸收了能量后加速运动从而出现快速蒸发的现象，涂层表面由于水分的流失不断接触融合形成连续稳定的漆膜。在 左右，种涂料均达到表干状态。漆膜水分挥发量呈现快速增加随后趋于平衡。在漆膜达到表干状态后水分挥发量继续不断提高，在 左右时完全平衡，此时形成一 第 卷第 期陈 杰等：基于水性丙烯酸涂料的家具用竹集成材涂饰工艺研究 层连续稳定的漆膜。图 不同丙烯酸种类马口铁板涂饰后的漆料水分变化曲线 表 为不同丙烯酸涂料涂饰在家具用竹集成材上的干燥时间。根据表 可知，、底漆的表干时间分别为、，实干时间分别为 、；面漆的表干时间分别为、和、，实干时间分别为、和、。其中，的干燥时间相较于、更快，其可能的原因是，不同种类的添加剂及助剂会使涂料形成不同的结构，从而影响了水分子在乳液中的运动状态以及最低成膜温度（）。此外，乳液粒径越大，其平均体积内含有的亲水基团越少，从而导致乳液亲水性降低，其干燥速率加快。的乳液粒径最大为 ，和 的乳液粒径分别为 和，因此 的干燥速率相较于 和 更快。表 不同种类丙烯酸漆膜的表干 实干时间 漆料涂布量（）温度 湿度 底漆表干时间实干时间第一次面漆表干时间实干时间第二次面漆表干时间实干时间（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）说明：括号内为标准差。：漆膜机械性能 不同种类的丙烯酸涂料在家具用竹集成材成膜后的硬度、附着力、耐磨性也有所不同。漆膜的硬度是表现漆膜机械性能的重要性能之一，是漆膜对抗外界压力、刮擦、渗透的能力。表 为不同丙烯酸种类的漆膜性能，由表 可知，种丙烯酸涂料的硬度相差不大，其中 和 较佳，能达到 级；较差为 级。实验过程中发现，的划痕相较于 更浅，这可能是因为 在竹集成材中各类细胞间的流动能力较强。另外，漆膜最终硬度与添加的成膜助剂、增稠剂、分散剂有关，使用不同的助剂会对聚合物的分子链交联程度造成影响，成膜材质的硬度越高则漆膜硬度越高。漆膜的附着力是涂料与板材表面发生物理或化学反应从而相互附着的程度，是漆膜具有其他性能的前提，附着力越高则漆膜的稳定性越好，其受到漆膜硬度及柔韧性的影响。由表 可知，种丙烯酸漆膜的附着力相差不大，均能达到 级，可能是因为涂料成膜物质渗透进入基材发生机械嵌合，形成了较多“燕尾榫”结构，从而竹集成材与丙烯酸涂料之间的结合能力提高。耐磨性是指漆膜在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力，试验通过测试每 转下漆膜的质量损失来反映漆膜的耐磨性，质量损失情况越小则漆膜的耐磨程度越高。通过表 可知，的耐磨性最佳，漆膜质量损失为 ，、次之，分别为 和 。这可 竹子学报第 卷能是涂料物质本身的性能不同导致了其抗磨损的能力不同，并且乳液的粒径会对漆膜耐磨性造成一定影响，粒径越小则所得的涂层耐磨性能越强。此外，漆膜耐磨性受到附着力及硬度的影响，附着力越高则耐磨性越高。表 不同种类丙烯酸涂料的性能 涂料硬度附着力漆膜质量损失（）级（）级（）级（）说明：括号内为标准差。：漆膜表面结构 图 中、分别为、在电镜下放大 倍后的表面微观结构图。漆膜的连续性和致密性与漆膜的平整性有关，其平整度越高则与底漆漆膜的结合越紧密。从图中可以发现，的表面平整度相较于、更好，中漆膜表面存在较多褶皱，可能会对漆膜的硬度造成一定的影响，而 的平整度相比 较差，可能是造成 的耐磨性略好于 的原因。图 不同水性丙烯酸涂料的漆膜表面微观结构 红外分析 图 分别为丙烯酸漆膜及涂料的红外光谱图。由图可知，漆膜在 处均有 的伸缩振动吸收峰，可知其均有丙烯酸羟乙酯。此外，在 、处分别有 伸缩振动峰、伸缩振动峰。但是 在 处还存在 中的 不对称振动。通过图 可知，涂饰在竹集成材成膜后，漆膜均多了 和 的峰，其分别为基材中的的不对称振动拉伸特征峰和 特征峰，涂料成膜过程中并无新的官能团产生，由此可见基材与涂料之间主要是物理结合，化学变化结合为次要。在成膜后多了 和 的特征峰，分别是由苯乙烯单体反应得到的苯环单取代吸收峰和苯环上的 面外弯曲特征峰。说明其可能在成膜阶段发生了化学反应，是造成漆膜性能之间存在差异的原因。涂饰方式对漆膜性能的影响 漆膜干燥速率 表 为不同的涂饰方式（一底一面、一底两面、两底一面、两底两面）对家具用竹集成材干燥时间的影响，由表 可知，种不同的涂饰方式对漆膜的干燥时间的影响并不大，次涂饰底漆的表干时间分别为、，实干时间分别为 、。两次涂饰面漆的表干时间分别为 、，实干时间分别为、。底漆受到涂饰方式的影响，其原因可能是第一遍底漆与基材表面直接接触，通过渗透发生水分挥发的时间相对较长，而第二遍底漆直接进行水分挥发。此外，可能是涂料物质与竹集成材表面发生了化学反应造成第一遍涂饰干燥时间较长。第二遍面漆涂饰相较于第一遍涂饰干燥时间并未减少，说明了面漆的干燥时间与涂饰次数无关。第 卷第 期陈 杰等：基于水性丙烯酸涂料的家具用竹集成材涂饰工艺研究 图 不同丙烯酸漆膜及涂料红外光谱图 表 不同涂饰方式下的漆膜干燥时间 涂饰方式涂布量（）温度湿度第一次底漆表干时间 实干时间 第二次底漆表干时间 实干时间 第一次面漆表干时间 实干时间 第二次面漆表干时间 实干时间 一底一面（）（）（）（）一底两面（）（）（）（）（）（）两底一面（）（）（）（）（）（）两底两面（）（）（）（）（）（）（）（）说明：括号内为标准差。：漆膜机械性能 表 为不同的涂饰方式得到漆膜的硬度、附着力、耐磨性。可以看到 种涂饰方式得到的漆膜硬度都为 级，面漆涂饰两次的漆膜硬度划痕相比涂饰一次的较浅，但也无法达到 级。在附着力方面，种涂饰方式得到的漆膜均为 级。种涂饰方式在漆膜质量损失上分别为 、。该次试验中，一底一面得到的漆膜耐磨性较好，一底两面和两底一面得到的漆膜次之，两底两面得到的漆膜耐磨性最差。其原因可能是多次涂饰使漆膜厚度增大，漆膜的均匀性有所降低导致。涂层厚度较大还会引起