耿暖暖

（西安歐亞學(xué)院艾德藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西西安710065）

可逆熱致變色涂料作為目前常見的一種功能涂料，廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，如室內(nèi)裝修、景觀園林等多個(gè)方面。但傳統(tǒng)溶劑型變色涂料存在容易揮發(fā)的有機(jī)物，進(jìn)而可能給人體健康造成影響。同時(shí)，目前市場(chǎng)中常見的熱致變色涂料多為中、高溫涂料，且多使用金屬鹽作為變色材料，這樣不僅造成了環(huán)境污染，還嚴(yán)重限制了變色涂料的應(yīng)用。為尋找一種低溫?zé)嶂颅h(huán)保變色涂料，符柳娃嘗試以丙烯酸酯為基料，氟化物為變色材料，從而合成變色涂料，結(jié)果表明該合成涂料的熱穩(wěn)定性有所提高［1］；王雅群則通過熱老化試驗(yàn)對(duì)涂料的變色性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明熱作用可影響變色性能［2］。從以上研究成果看出，影響變色涂料的因素很多，且制備環(huán)保的變色涂料是當(dāng)前合成涂料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本研究嘗試?yán)梦⒛z囊技術(shù)對(duì)變色材料進(jìn)行包裹，增加其穩(wěn)定性，以克服傳統(tǒng)合成涂料可逆性差的問題。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

本試驗(yàn)所用試劑與儀器見表1 和表2。

表1 試驗(yàn)主要試劑Table 1 Main reagents

表2 試驗(yàn)主要儀器Table 2 Main test instruments

1.2 試驗(yàn)制備

1.2.1 變色材料的制備

將固態(tài)溶劑加入四口燒瓶中加熱，熔化后加入結(jié)晶紫內(nèi)酯（CVL）; 將溫度提升至60℃后，用數(shù)顯直流無(wú)級(jí)調(diào)速攪拌器攪拌, 至完全熔化，攪拌速度保持在400r/min；待固體完全溶解后加入一定量的顯色劑雙酚A，繼續(xù)攪拌，同時(shí)將溫度提升至95℃，維持溫度和轉(zhuǎn)速反應(yīng)1.5h；待反應(yīng)完成后，自然冷卻，得到深藍(lán)色固體，備用。

1.2.2 變色材料乳液制備

稱取一定量丙烯酸乳化劑放入燒杯中。在燒杯中加入20mL 水，加熱攪拌至完全溶解；將溫度穩(wěn)定在40～60 ℃后，緩慢滴加上述步驟制備的變色材料，滴加時(shí)間為1h，然后攪拌2～3 h；待溶液形成均一、穩(wěn)定的乳狀液后，冷卻至室溫，停止攪拌，將乳液密封，備用。

1.2.3 預(yù)聚體溶液制備

稱取一定量的PVA 固體放入燒杯，加入25mL 去離子水，將溫度提升至40℃后慢慢攪拌，攪拌后浸泡1h，將溫度緩慢提升至95℃后加快攪拌，待PVA 完全溶解后冷卻至室溫，備用。

取以上一定量的PVA 溶液，攪拌的同時(shí)將溫度提升至40℃，然后緩慢滴加適量的正丁醛后，在恒溫條件下攪拌1h；將溫度降至10～15 ℃后，用鹽酸溶液調(diào)節(jié)預(yù)聚體pH 值，使pH 值維持在4～5；然后將溶液攪拌均勻，并將溫度提升至40℃反應(yīng)2h，得到預(yù)聚體溶液。

1.2.4 變色微膠囊制備

在室溫條件下，稱取以上制備的一定量的預(yù)聚體溶液；緩慢攪拌中，在1.5h 內(nèi)緩慢滴加完變色材料乳液；滴加完后，緩慢將溫度提升至65～75 ℃，保溫反應(yīng)3h。待反應(yīng)完成后，將固體用循環(huán)水式多用真空泵洗滌抽濾，在50℃下真空干燥24h，得到微膠囊粉末。

1.2.5 變色涂料的制備

將一定比例的去離子水、分散劑在數(shù)顯直流無(wú)級(jí)調(diào)速攪拌器的攪拌作用下分散均勻，加入定量增稠劑繼續(xù)攪拌2h，得到粘稠溶液。稱取定量微膠囊粉末加入溶液，攪拌均勻后加入一定量消泡劑繼續(xù)攪拌1h，得到色漿備用。在丙烯酸乳液中加入定量的成膜助劑和流平劑，攪拌均勻后，加入色漿和少量消泡劑繼續(xù)攪拌2h，最終得到本研究的熱致變色涂料。

1.3 性能測(cè)試

將以上制備的變色涂料均勻涂抹在打磨好的鋁片上制成涂膜，所有性能測(cè)試皆針對(duì)涂膜進(jìn)行。

1.3.1 變色涂料干燥時(shí)間測(cè)定

參照GB/T 1728-89 對(duì)變色涂料干燥時(shí)間測(cè)定［3-5］，在制備的涂膜上放置一片濾紙，同時(shí)將干燥試驗(yàn)器放置于濾紙之上，開始計(jì)時(shí)。30s 后移開試驗(yàn)器，同時(shí)翻轉(zhuǎn)鋁板。若濾紙自由脫落，則停止計(jì)時(shí)，記錄脫落的時(shí)間即為涂料的干燥時(shí)間。

1.3.2 變色涂料附著力測(cè)定

參照GB/T 1720-79 對(duì)變色涂料附著力測(cè)定［6］，待涂膜自然干燥后在恒溫恒濕條件下用附著力試驗(yàn)儀對(duì)涂料附著力進(jìn)行測(cè)試，讀取附著力等級(jí)。

1.3.3 變色涂料柔韌性測(cè)定

參照GB/T 1731-1993 對(duì)變色涂料柔韌性測(cè)定［7］，待涂膜自然干燥后，將附有涂膜的鋁片放置于柔韌性測(cè)試儀上測(cè)試，通過觀察彎曲后的涂膜是否有裂紋、斷裂的現(xiàn)象，再判斷變色涂料的柔韌性等級(jí)。

1.3.4 變色涂料鉛筆硬度測(cè)試

參照GB/T 6739-2006 對(duì)變色涂料硬度測(cè)定［8］，待涂膜自然干燥后用鉛筆硬度法進(jìn)行測(cè)試，具體方式為：在鉛筆上施加一定壓力，使鉛筆與涂膜水平面形成45°角，在漆膜表面滑動(dòng)6.5mm 距離，依次降低鉛筆硬度，直到鉛筆不劃傷漆膜為止。

1.3.5 涂料變色性能測(cè)定

將涂料均勻涂抹于玻璃片上，待涂膜自然干燥，將玻璃板放置于烘箱中，按初始溫度15℃開始升溫，升溫速率為1℃/min。觀察在升溫過程中，涂料的變色情況，直到涂膜完全變色，記錄變色的溫度區(qū)間和變色的時(shí)間。得到涂料變色時(shí)間和溫度區(qū)間后，開始緩慢降溫，降溫速率與升溫速率相同，得到涂料復(fù)色時(shí)間和溫度區(qū)間。重復(fù)上述步驟3 次，最終得到準(zhǔn)確結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 色漿中微膠囊用量對(duì)涂料變色性能影響

變色材料的添加量對(duì)的涂料變色性能影響較大，因涂料基料選用無(wú)色透明度較高的丙烯酸類物質(zhì)，故成膜物質(zhì)對(duì)涂料顏色不產(chǎn)生影響，所以涂料的變色性能只能受微膠囊影響。為探究色漿中微膠囊用量對(duì)涂料變色性能影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在其他成分不變的情況下改變微膠囊用量。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3，從表3 可看出，隨微膠囊用量的增加，涂膜顏色逐漸增加，變色和復(fù)色時(shí)間也逐漸降低。當(dāng)色漿中的微膠囊用量達(dá)到18.75% 時(shí)，顏色達(dá)到要求。當(dāng)微膠囊用量超過18.75% 時(shí)，顏色改變和復(fù)色時(shí)間改變都不明顯，易造成變色材料的浪費(fèi)，所以在色漿中，微膠囊的最佳用量為18.75%。

表3 色漿中微膠囊用量對(duì)涂料變色性能影響Table 3 Effect of microcapsule content in color paste on color change performance of paint

2.2 顏填料對(duì)涂料性能影響

不同種類的顏填料對(duì)的涂料性能也有影響，在不改變其他用料用量的前提下，選用不用顏填料制備涂料，得到表4 的結(jié)果。

表4 顏填料種類對(duì)涂料性能影響Table 4 Effect of pigments and fillers on coating properties

通過表4 看出，氧化鈣和氧化鋁導(dǎo)致涂膜出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這是因?yàn)檠趸}和氧化鋁有一定的堿性，破壞了涂料內(nèi)部的酸堿平衡，附著力較差［9］；鈦白粉雖能在涂料中分散均勻，但自身有很強(qiáng)大的遮蓋力，對(duì)涂料顏色有影響，導(dǎo)致顏色變化不明顯；而二氧化硅會(huì)影響涂膜外觀，使得涂膜表面較為粗糙；以輕質(zhì)碳酸鈣為顏填料制備的涂料，不僅具有良好的分散穩(wěn)定性，且涂膜表面光滑，顏色明顯。故選用輕質(zhì)碳酸鈣作為該涂料的顏填料。

同時(shí)采用單因素試驗(yàn)的方法，在不改變其他因素的前提下，設(shè)定輕質(zhì)碳酸鈣的用量分別為4%、8%、12%、16%、20%，由此得到表5 的結(jié)果。

表5 輕質(zhì)碳酸鈣用量對(duì)涂料的影響Table 5 Effect of light calcium carbonate content on Coatings

根據(jù)表5 結(jié)果看出，當(dāng)輕質(zhì)碳酸鈣的用量在8%時(shí)，得到的涂料性能和涂膜外觀都比較好，且粘度適中，所以輕質(zhì)碳酸鈣用量設(shè)定為8%。

2.3 分散劑濃度對(duì)涂料性能影響

分散劑能使填料均勻分散在色漿和涂料中，不同分散劑濃度會(huì)對(duì)涂料的性能產(chǎn)生影響。為探究分散劑濃度對(duì)涂料性能的影響，在其他條件不變的情況下改變分散劑濃度，從而得到不同分散劑濃度的變色涂料，具體結(jié)果見表6。從表6 可看出，當(dāng)分散劑濃度達(dá)到1.67%時(shí)，涂料就不發(fā)生分層的現(xiàn)象，填料在涂料中均勻分散，且穩(wěn)定性較好，同時(shí)涂料的細(xì)度與粒子的細(xì)度相同；繼續(xù)增加分散劑濃度，發(fā)現(xiàn)分散時(shí)間延長(zhǎng)，且分散劑產(chǎn)生的泡沫對(duì)涂膜性能產(chǎn)生影響，讓涂膜表面不均勻，所以選擇分散劑的最佳濃度為1.67%。

表6 分散劑濃度對(duì)涂料性能影響Table 6 Eff ect of dispersant concentration on coating performance

2.4 涂料變色性能測(cè)定

以丙烯酸彈性乳液作為涂料基液，以微膠囊為變色材料，輕質(zhì)碳酸鈣為顏填料制備變色涂料，其中微膠囊含量為18.75%，分散劑濃度為1.67%，制備變色合成涂料。通過試驗(yàn)得出，涂料的變色溫度為37.8～40.2 ℃；復(fù)色溫度為37.3～32.4 ℃。涂料的變色時(shí)間為45.5s，復(fù)色時(shí)間為59.4s，且變色涂料顏色變化可逆性能較好，靈敏度較高。

2.5 涂料基礎(chǔ)性能測(cè)試

按照建筑裝飾涂料的相關(guān)測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以上條件制備的涂料技術(shù)性能進(jìn)行測(cè)試［10］，得到表7 的結(jié)果。從表7 可知，該配方制備出的涂料各方面性能較好，狀態(tài)表現(xiàn)均勻，形態(tài)良好，硬度、柔韌性和附著力都能滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可用于室內(nèi)建筑的裝飾設(shè)計(jì)使用。

表7 涂料基礎(chǔ)性能測(cè)試Table 7 Performance test of basic coatings

2.6 變色涂料在夯土墻裝飾中的應(yīng)用展示

基于以上的涂料制備，與稻草結(jié)、高嶺土等原料進(jìn)行結(jié)合，用于實(shí)際的裝飾工程中，得到圖1 的部分應(yīng)用案例。

圖1 變色涂料在夯土墻中的應(yīng)用實(shí)例Fig. 1 Application example of color changing coating in rammed earth wall

通過圖1 的實(shí)際應(yīng)用看出，在燈光照射和溫度變化下，夯土墻呈現(xiàn)除不同的不同的顏色，且表面紋理清晰，說(shuō)明本研究制備的變色涂料可很好的應(yīng)用與工程實(shí)踐。

3 結(jié)論

以結(jié)晶紫內(nèi)酯、雙酚A、溶劑為原料，用聚乙烯醇縮丁醛為包裹材料制備變色微膠囊，以丙烯酸彈性乳液為基液，制備熱變色涂料，并對(duì)制備的涂料進(jìn)行性能測(cè)試。通過以上研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）變色涂料顏色隨微膠囊用量的增加而加深，但存在最佳含量。經(jīng)試驗(yàn)證明，微膠囊用量為18.75%時(shí)，顏色滿足要求，且變色和復(fù)色時(shí)間較短，因此18.75%就是微膠囊的最佳用量。

（2）輕質(zhì)碳酸鈣為顏填料制備的涂料放置后仍然能保持穩(wěn)定，且顏色鮮艷，具有良好的分散性，故選用輕質(zhì)碳酸鈣作為本研究制備變色涂料的顏填料。

（3）隨分散劑濃度增加，涂料細(xì)度逐漸降低，穩(wěn)定性也隨之增加，當(dāng)分散劑濃度超過1.67% 時(shí)，會(huì)對(duì)涂料涂膜產(chǎn)生影響，導(dǎo)致涂膜不均勻，所以選擇分散劑最佳濃度為1.67%。

（4）對(duì)最佳比例制備的變色涂料進(jìn)行基本性能測(cè)試，可得變色涂料變色溫度和復(fù)色溫度的區(qū)間分別為37.8～40.2 ℃、37.3～32.4 ℃。涂料的變色和復(fù)色時(shí)間分別為45.5s、59.4s，變色的可逆性好，各方面性能皆符合建筑裝飾設(shè)計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。