閆小星,常意娟,錢星雨
(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院,南京 210037)
感溫可逆變色油墨是指材料加熱到某一溫度時,印刷出來的圖案和文字會產生顏色的變化,當溫度降低到初始溫度時,又會恢復到初始顏色的一種油墨[1]。根據變色油墨中的不同成分,感溫可逆變色油墨可分為有機可逆、無機可逆和液晶可逆[2]。感溫可逆變色油墨屬于有機發(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,一般通過改變所用溶劑來改變熱敏變色溫度[4]。桑盼盼等[5]把感溫變色油墨添加到嬰兒連體衣上,來監(jiān)測嬰兒體溫變化。徐建鋒等[6]和趙東柏等[7]認為變色油墨在防偽、包裝、感溫可逆變色木塑復合材料等領域都有很廣泛的應用。然而,感溫變色油墨在涂飾方面的應用卻很少。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,使產品隨著季節(jié)的改變呈現出不同的色彩,產品更加人性化、多變化。且水性底漆無污染[8],可減少VOC 排放量[9],在環(huán)??沙掷m(xù)性[10]、性能穩(wěn)定性方面均勝過油性漆[11-13]。本研究選用杉木[14]為基材,研究了變色油墨對水性底漆色差、光澤、力學及耐液性能的影響,為木地板表面變色涂膜的應用奠定基礎。
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%質量分數)、消光劑(2.0%質量分數)、添加劑(2.0%質量分數)和水(6.0%質量分數)組成。15.0%質量分數的氯化鈉溶液、70.0%質量分數的醫(yī)用乙醇由杭州歐拓普生物技術有限公司提供,洗滌劑由上海和黃白貓有限公司提供,紅墨水由上海精細文化用品有限公司提供。
以水性底漆為漆基,配制7 份變色油墨含量(質量分數)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 ℃電熱鼓風干燥箱,加熱至質量不再變化后取出,自然冷卻至室溫。
采用SEGT?J 便攜式色差儀測量漆膜20~40 ℃的色度值,計算色差。采用GB/T 4893.6—2013《家具表面漆膜理化性能試驗 第6 部分:光澤測定法》測定漆膜光澤度;采用GB/T 4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能試驗第4 部分:附著力交叉切割測定法》測定漆膜附著力;采用GB/T 4893.9—2013《家具表面漆膜理化性能試驗 第9 部分:抗沖擊力測定法》測定漆膜抗沖擊力。根據《家具耐液性檢測常用試液表》,分別選取15%質量分數的氯化鈉、70%質量分數的醫(yī)用乙醇、含25%質量分數的脂肪醇環(huán)氧乙烷與75%質量分數水的洗滌劑、市售紅墨水測定漆膜耐液性能[15]。通過環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)觀察漆膜的微觀結構;通過VERTEX 80v 紅外光譜儀測定漆膜的化學組成。
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,數值為正表示被測物體表面顏色偏亮,數值為負表示被測物體顏色偏暗;a表示顏色從紅到綠的變化情況,數值為正表示顏色偏紅,數值為負表示偏綠;b表示顏色從黃到藍的變化情況,數值為正表示被測物體表面顏色偏黃,數值為負表示偏藍;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。依照下列公式計算色差(ΔE):
變色油墨含量對底漆漆膜20~40 ℃色差的影響見圖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,顏色無明顯變化;變色油墨含量為15%的漆膜加熱至30 ℃時顏色有明顯變化,色差值13.5,為初步色變時的色差最大值;且在32 ℃附近色差也比較大,具有良好的變色能力。夏季室內最高溫度為30℃左右,人們已明顯感覺到炎熱,因此,變色漆膜在30 ℃附近的變色效果較好,即初步認為變色油墨質量分數為15%的漆膜具有較好的變色效果。
圖1 變色油墨含量對底漆漆膜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,在添加相同含量變色油墨時,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,導致對光的反射降低。
表1 變色油墨含量對底漆漆膜光澤度的影響Table 1 Effect of color?changing ink content on gloss of waterborne primer film
由漆膜破壞面積判斷其附著力等級,等級越小說明漆膜附著力越好。變色油墨含量0~30%的漆膜附著力等級均為0,附著力良好。因此,變色油墨含量對底漆漆膜附著力無影響。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;當變色油墨含量大于20%時,隨著含量的增加,漆膜抗沖擊力逐漸增強,但相差不大,這可能是由于杉木本身的抗沖擊強度較低所致。
室溫下,分別在試驗前與24 h 后測量漆膜的L、a、b、c、H值[15],依據公式(1)計算色差。漆膜的耐液性能等級越低,說明漆膜的性能越好。漆膜耐液性能等級測定結果表明,變色油墨含量0~30%的漆膜對氯化鈉、乙醇與洗滌劑的耐液等級均為1級,無印痕;變色油墨含量0~30%的漆膜對紅墨水的耐液等級均為3 級,有明顯印痕。
前述研究結果發(fā)現,變色油墨含量為15%時漆膜具有良好的變色能力,且光澤度、力學性能、耐液性與原涂層性能相比基本無改變,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,純底漆較光滑,幾乎無顆粒;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,部分團聚,但不及變色油墨含量為30%的涂層團聚明顯。隨著變色油墨含量的增加,變色油墨顆粒增多,導致漆膜團聚變多。變色油墨含量為15%時底漆漆膜顆粒團聚較少,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行紅外光譜測試,結果如圖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為羰基強而尖的特征峰。當純底漆與杉木混合時,羥基消失,說明純底漆與杉木發(fā)生了脫水反應。當純變色油墨與純底漆混合并涂覆于杉木基材時,除羥基外其他峰均未消失,因此,變色油墨的主要官能團并未受到破壞,變色效果基本不受影響。變色油墨的變色機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 ℃左右后又恢復到初始顏色,但仍然具有變色功能,并且可反復變色。
圖3 紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra
通過試驗結果可知,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;變色油墨含量對漆膜附著力無影響;變色油墨含量大于20%時,隨變色油墨含量的增加,漆膜抗沖擊力逐漸增強,但相差不大;變色油墨含量對漆膜耐液等級無影響;變色油墨含量15%時顆粒分布均勻無團聚。紅外光譜測試結果表明,變色油墨在水性涂料中的主要官能團基本不受影響。變色油墨的變色機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 ℃左右后又恢復到初始顏色,但仍然具有變色功能,并且可反復變色。因此,在本研究中,變色油墨含量為15%時,杉木板材表面水性底漆漆膜綜合性能最佳。