閆小星 常意娟 包文斯
(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院,南京 210037)
表面涂飾工藝不僅可以保護(hù)基材表面,還可達(dá)到色澤美觀的目的[1-2]。感溫可逆變色粉是微膠囊化的可逆感溫變色物質(zhì),當(dāng)溫度變化時(shí),有機(jī)物成分發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,從而實(shí)現(xiàn)變色效果[3-4]。Houska等人[5]使用反應(yīng)磁控濺射法制備VO2基熱致變色涂層,結(jié)合四種方法提高涂層性能,對(duì)智能窗用高性能耐用溫致變色VO2基熱致變色涂層,結(jié)合四種涂層的設(shè)計(jì)和低溫制備具有重要意義。朱文凱等[6]介紹了改性大漆及大漆的涂飾工藝。崔蒙蒙等[7]采用蠟、溶劑型漆與水性漆對(duì)硬木家具進(jìn)行托蠟處理,發(fā)現(xiàn)溶劑型和水性漆托蠟材的耐光性好于傳統(tǒng)燙蠟材。Geng等[8]設(shè)計(jì)并制備了具有優(yōu)良蓄熱釋放性能以及良好穩(wěn)定性的可逆熱致變色微膠囊相變材料,并將其應(yīng)用于消防服生產(chǎn)制造,從而實(shí)現(xiàn)在各種火災(zāi)環(huán)境下為消防員提供足夠的防熱保護(hù)。綜上所述,變色產(chǎn)品在建筑、服裝、大規(guī)模定制及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用已非常廣泛[9],但是針對(duì)木器表面水性涂層變色材料研究較少,且對(duì)水性涂料的變色效果尚不明確。
目前木器水性涂料因環(huán)保而廣受喜愛,有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。但是由于水在木器水性涂料成分中占到一半以上[10-11],而漆膜中的水成分和樹脂成分相容性較差[12],導(dǎo)致漆膜在硬度[13]、耐磨性[14]、附著力[15]等方面性能不如油漆,因此實(shí)際應(yīng)用對(duì)木器水性涂料要求更高[16-17]。筆者在前期工作中研究了添加變色油墨涂料的最佳涂覆工藝,變色粉可以作為一種涂料改性劑添加進(jìn)水性涂料,本文以水性變色涂膜為基礎(chǔ),探究添加變色粉的可逆變色水性涂料在杉木表面的最佳涂覆工藝,以使漆膜具有理想的綜合性能,為企業(yè)開發(fā)應(yīng)用變色涂膜提供技術(shù)參考。
變色粉:來自深圳市幻彩變色科技公司,顆粒直徑為3 μm左右,呈微膠囊形態(tài),主要成分為甲基紅(C15H15N3O2,發(fā)色劑)、雙酚A(C15H16O2,顯色劑)和三聚氰胺(微膠囊壁材,包覆甲基紅和雙酚A成微膠囊),31 ℃下由紅色變黃色。多樂士木器水性面漆由多樂士涂料有限公司提供,固體含量30.0 % 左右:主要包含水性丙烯酸共聚物分散體(含量90.0%),消光劑(含量2.0%),添加劑(含量2.0%)和水(含量6.0%)。
杉木[Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.]板材:經(jīng)過普通機(jī)械砂光,規(guī)格為100 mm×100 mm× 12 mm(長(zhǎng)度×寬度×厚度),由汕頭市宜華生活科技有限公司提供。
表1 涂覆工藝正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案 Tab.1 Orthogonal experiment schedule of coating process
預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明:變色粉含量為5.0%時(shí),杉木表面水性底漆和面漆漆膜綜合性能最佳。基于此,對(duì)涂覆工藝進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),見表1,配制1~4#水性涂料如表2;將1~4#涂料按照表1 中的底、面漆涂覆方式涂覆于杉木板材表面,每個(gè)步驟操作完成后,等待30 min左右直至表面干燥,再將樣品移至35 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥處理,當(dāng)樣本質(zhì)量不變時(shí)拿出冷卻至室溫;隨后用砂紙輕輕打磨、干布除去浮粉后進(jìn)入下一道工序。
表2 涂覆工藝正交試驗(yàn)漆膜配料表 Tab.2 Coating process orthogonal experiment paint film ingredients list
寒冬時(shí)室內(nèi)溫度在18 ℃左右,而夏季則在40 ℃左右。因此,試驗(yàn)以2 ℃為一梯度,采用SEGT-J便攜式色差儀測(cè)量漆膜18~40 ℃的顏色值,并依據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算色差。
式中,L代表亮度,正值表示涂層表面明亮,負(fù)值則表示涂層表面變黑;a表示紅綠色,正值為紅色,負(fù)值為綠色;b表示黃藍(lán)色,正值為黃色,負(fù)值為藍(lán)色。對(duì)應(yīng)ΔL、Δa和Δb分別代表明度差、紅綠色差和黃藍(lán)色差。L1、a1、b1代表的是18 ℃下的亮度、紅綠色、黃藍(lán)色值,L2、a2、b2代表的是其他溫度下的值。
表3 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備 Tab.3 Experimental test equipment
測(cè)試漆膜耐液性能時(shí),根據(jù)《家具耐液性檢測(cè)常用試液表》[18]選取15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉、70%醫(yī)用乙醇、含25%脂肪醇環(huán)氧乙烷與含75%水的白貓洗潔精以及市售紅墨水。其余水性漆膜性能[19],如光澤度、色差、附著力以及抗沖擊力,及對(duì)應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試設(shè)備見表3。
圖1 不同涂覆工藝的水性漆膜18 ℃至40 ℃ 時(shí)的色差變化Fig.1 Color difference of waterborne paint film with different coating processes from 18 ℃ to 40 ℃
表4 不同涂覆工藝的變色漆膜18 ℃ 與32 ℃ 色差變化正交試驗(yàn)結(jié)果 Tab.4 Orthogonal test results of color difference of 18 ℃ and 32 ℃ for color-changing paint films of different coating processes
表5 漆膜色差的極差 Tab.5 Range of the color difference of coating
表6 色差顯著性分析 Tab.6 Color difference significance analysis
將不同涂覆方式的漆膜從18 ℃加熱至40 ℃,水性漆膜的色差變化如圖1 所示。1~4#漆膜在18~28 ℃間色差為0.2~1.8,尚無明顯變色現(xiàn)象;在30 ℃時(shí)只有3#漆膜色差值較大;而在32 ℃時(shí)1~4#漆膜均有顯著的變色效果,32 ℃之后漆膜色差變化不大,因此選取溫度18℃與32 ℃時(shí)對(duì)1~4#漆膜進(jìn)行正交試驗(yàn),結(jié)果見表4。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,結(jié)果如表5、6 所示,其中底漆道數(shù)色差極差最大,表明底漆涂刷方式對(duì)漆膜色差影響最大,但三種因素均無顯著性。
通常選取60° 入射角下的普通光澤為漆膜光澤度指標(biāo)[24]進(jìn)行光澤度測(cè)試。由表7、8 可知,變色粉添加方式的極差最大,且具有顯著性,表明對(duì)漆膜光澤度影響最大的涂覆工藝是變色粉添加方式。
表7 涂覆工藝對(duì)可逆變色漆膜60° 光澤度影響正交試驗(yàn)結(jié)果 Tab.7 Orthogonal experimental analysis table of 60° gloss of reversible color-changing film by coating technologies
表8 光澤度顯著性分析 Tab.8 Analysis of gloss significance
采用劃格法測(cè)試漆膜的附著力,漆膜破壞面積越小等級(jí)越低,等級(jí)越小說明漆膜附著力越好。從表9中可知,1~4#漆膜附著力等級(jí)均為0,附著力較好,表明涂覆工藝對(duì)漆膜附著力無影響。此外,1~4#漆膜抗沖擊力均為70.0 N·cm,表明涂覆工藝對(duì)漆膜抗沖擊力無影響。
表9 涂覆工藝對(duì)可逆變色漆膜附著力和抗沖擊力的影響 Tab.9 Effect of coating technologies on adhesion and impact resistance of reversible color-changing film
對(duì)不同涂覆工藝的漆膜進(jìn)行氯化鈉、洗潔劑、乙醇與紅墨水4 種試液的耐液試驗(yàn),設(shè)定溫度為18 ℃,測(cè)量試驗(yàn)前和試驗(yàn)24 h后漆膜的L、a、b值,計(jì)算色差后進(jìn)行耐液等級(jí)分析。如表10 所示,1~4#漆膜對(duì)不同試液耐液等級(jí)均相同,表明涂覆工藝不影響漆膜耐液等級(jí)。
表10 涂覆工藝對(duì)可逆變色漆膜耐液等級(jí)的影響 Tab.10 Effect of coating technologies on liquid resistance grade of reversible color-changing film
由上述正交試驗(yàn)結(jié)果得出,涂覆工藝中對(duì)漆膜色差影響最大的是底漆涂刷道數(shù);對(duì)漆膜光澤度影響最大的是變色粉添加方式;涂覆工藝對(duì)漆膜附著力、抗沖擊力與耐液等級(jí)均無影響。綜合分析,對(duì)于感溫可逆變色水性涂料首要考慮的性能為變色性能,施工工藝中的底漆涂刷道數(shù)是對(duì)漆膜綜合性能影響最大的因素。
如2.1 節(jié)所示,施工工藝中底漆涂刷道數(shù)是對(duì)漆膜綜合性能影響最大的因素。因此,固定面漆涂刷道數(shù),改變底漆涂刷道數(shù),根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表11、配制表12的5~10#感溫可逆變色水性涂料,分別按照1.2、1.3 中試驗(yàn)和表征測(cè)試方法進(jìn)行涂覆工藝優(yōu)化試驗(yàn)。
表11 涂覆工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)表 Tab.11 Coating process optimization orthogonal experiment table
表12 感溫可逆變色水性涂料配比 Tab.12 Proportion of temperature-sensitive reversible colorchanging waterborne paint
圖2 不同涂覆工藝的水性變色漆膜18 ℃至40 ℃時(shí)的色差變化Fig.2 Color difference of waterborne color-changing paint film with different coating processes at 18 ℃ to 40 ℃
如圖2 所示,5~10#漆膜從18~30 ℃色差都在0.4~4.0,無明顯變色現(xiàn)象;7#漆膜加熱至32 ℃時(shí)顏色有顯著變化,色差為61.6;而其他漆膜加熱至32 ℃時(shí)色差介于1.0~14.6 之間,變色效果不如7#漆膜。因此,初步判斷7#漆膜具有較好的變色效果。從表13 中可見,同種涂覆工藝的漆膜光澤度隨著光線入射角度的增大而增大;在相同強(qiáng)度的入射光下,不同涂覆工藝的漆膜光澤度變化不大。
表13 涂覆工藝對(duì)可逆變色漆膜光澤度的影響 Tab.13 Effect of coating technologies on gloss of reversible color-changing film
圖3 不同涂覆工藝的可逆變色漆膜SEM圖Fig.3 SEM image of reversible color-changing film with different coating technologies
5~10#樣漆膜附著力等級(jí)、抗沖擊力以及對(duì)不同試劑的耐液等級(jí)均與1~4#樣相同,因此涂覆工藝不影響漆膜附著力、抗沖擊力以及耐液等級(jí)。對(duì)不同涂覆工藝的水性變色漆膜進(jìn)行SEM分析,如圖3 所示,不同涂覆工藝的漆膜均出現(xiàn)部分團(tuán)聚,有明顯顆粒存在,微觀結(jié)構(gòu)無顯著差異。
當(dāng)可逆變色漆膜溫度升高時(shí),發(fā)色劑甲基紅受熱釋放電子(方程式1),顯色劑雙酚A接受電子(方程式2)發(fā)生顏色變化,由紅色變?yōu)辄S色。圖4 為不同漆膜工藝的可逆變色水性漆膜紅外光譜測(cè)試結(jié)果,其中 2 917、2 848 cm-1及1 446 cm-1為亞甲基吸收峰;1 600 cm-1附近為C=C和N=N的吸收峰;1 729 cm-1為羰基強(qiáng)而尖的特征峰,可能是醛或者酮[25]。不同漆膜涂覆工藝下,無峰的消失或出現(xiàn),說明變色粉含量對(duì)水性涂料/杉木成分無影響。
圖4 不同涂覆工藝的可逆變色漆膜紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrum of reversible color-changing film with different coating technologies
底漆2 道、面漆2 道、變色粉于面漆中添加的漆膜具有較好的變色效果;在相同強(qiáng)度的入射光下,不同涂覆工藝的漆膜光澤度的變化無明顯規(guī)律。涂覆工藝對(duì)漆膜附著力、抗沖擊力及耐液等級(jí)無影響;不同涂覆工藝的漆膜微觀結(jié)構(gòu)無明顯差異;不同涂覆工藝的漆膜成分無差別。綜上所述,底漆2 道、面漆2 道、變色粉于面漆中添加的漆膜綜合性能較佳,變色效果穩(wěn)定、可持續(xù),為優(yōu)化組合涂覆工藝。