碳酸鈣對水性木質(zhì)材料涂膜調(diào)控研究

徐翰林　閆小星　章偉　邱子楓　付佳銘　陳碩秋

摘 要：文章利用CaCO3作為改性劑，通過對CaCO3與水性涂料的質(zhì)量比、干燥時間和干燥溫度這三個影響因素進(jìn)行試驗，找到能改善水性木器涂料性能的方法。在CaCO3改性中，干燥時間是主要影響因素，在正交實驗對工藝參數(shù)進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)，CaCO3與水性涂料的質(zhì)量比為5%，干燥時間為10-15min，干燥溫度為70℃時，水性木器的力學(xué)性能比較好。

關(guān)鍵詞：水性涂料；優(yōu)化；力學(xué)性能

中圖分類號：S781.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0026-02

水性涂料種類繁多、應(yīng)用廣泛，因為以水作溶劑，所以綠色環(huán)保[1]。在種類眾多的水性涂料中，水性木器涂料無毒環(huán)保、附著力好、涂刷效果佳，因此選擇此涂料為主要研究對象，保證較好的實驗效果。CaCO3在涂料中對底漆有良好作用，因此本實驗選取碳酸鈣為改性劑，改善水性涂料在實際生產(chǎn)生活應(yīng)用中存在的缺點。鑒于水性涂料相關(guān)的研究不多，涂料的力學(xué)和光學(xué)性能優(yōu)勢不夠明顯[2]，本文通過實驗分析，為木器涂飾能夠形成高質(zhì)量涂層找到良好參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 材料

目前實驗使用未經(jīng)特別處理的分析純。CaCO3的規(guī)格是99.5%，200±30nm，作為改性劑使用。

1.2 涂層制備

先對基板進(jìn)行預(yù)處理，即用砂紙打磨木材表面，然后除去油層、涂底涂料，最后放在烘箱中按照設(shè)定的時間烘干。將預(yù)先設(shè)計好量的CaCO3加入水性木器涂料，用玻璃棒將其混合攪拌均勻，在之前經(jīng)底涂料處理好的木質(zhì)基板（100mm×100mm×15mm）上，涂層厚度大約60μm。然后在烘箱內(nèi)持續(xù)一定的溫度（30與70℃）和干燥一定的時間時間（10與40min）。

1.3 測試與表征

涂層附著力的測算是根據(jù)GB/T1720-89，儀器是涂膜附著力實驗儀。根據(jù)GB6739-86測定涂層硬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗分析

試驗的變量很多，但本文有三個要素對實驗結(jié)論有重要影響：CaCO3的含量、烘箱溫度和干燥時間。采用正交實驗對這三個要素進(jìn)行優(yōu)化，改善其對改性水性木器涂料性能的作用，使協(xié)同改性后的涂層力學(xué)性能最佳。在此實驗中，三個組實驗的量，變化范圍如下：CaCO3的含量（A）：1.0%-5.0%，烘箱溫度（B）：30°C-70°C，干燥時間（C）：10-40min。在每個要素中選兩個水平。要素A的第一水平是1.0%CaCO3，第二水平是5.0%CaCO3。要素B的第一水平是烘箱溫度30°C，第二水平是烘箱溫度70°C。干燥時間變量中，要素C的第一水平是10min，第二水平是40min。

CaCO3的含量、烘箱溫度以及干燥時間這三個要素對水性木器涂層的力學(xué)性能影響較大。在正交實驗中，我們主要分析改性條件對附著能力的影響，精確工藝參數(shù)，討論改性對其他力學(xué)性能是否有影響以及其程度。

在同一列中，計算出了與同一個要素相關(guān)的最大平均附著力和最小平均附著力的極差（R），寫在表1的末排。R越大，因素被影響程度最大。通過比較它們的極差R的值，CaCO3的含量、干燥時間、烘箱溫度三個影響要素中，CaCO3的含量和干燥溫度對附著力的影響極差R都為0.5，而干燥時間的影響極差R為1.5。干燥時間對改性水性木器涂層的附著力影響最大，CaCO3含量和烘箱溫度的影響次之。另外，表1顯示，樣品2#和3#的涂層附著力值接近，附著力比樣品1#和4#更低，因此在獨立試驗中為了節(jié)能，將CaCO3的量固定為5%，干燥溫度固定為70°C。

2.2 CaCO3對水性木器涂層力學(xué)性能的影響

根據(jù)以上的正交試驗，為研究CaCO3的關(guān)鍵作用，設(shè)計了下面一些實驗：把CaCO3含量和干燥溫度分別固定為5%和70°C。改變干燥時間為5min、10min、15min、20min。我們發(fā)現(xiàn)水性木器涂層的硬度的確受試驗干燥時間的影響。圖1展示了在其他條件不變時，水性木器涂層硬度隨干燥時間變化的情況。由圖可見，干燥時間由5min增長到15min，涂層的硬度保持為2H。繼續(xù)增加干燥時間至20min，涂層硬度下降至H。在干燥時間5min時，涂層剛剛固化，硬度不高，但CaCO3具有較好的硬度，在涂層中的分散促使涂層硬度的改善。干燥時間延長到10-15min時，涂層固化了一定的時間，CaCO3與水性涂料分子結(jié)合更緊密，硬度較好維持在2H。當(dāng)干燥時間延長到20min時，已經(jīng)固化的涂層由于過度受熱，產(chǎn)生膨脹，CaCO3與水性涂料分子間產(chǎn)生間隙，涂層變脆，降低硬度。因此，在涂層干燥時間5-15min時硬度較好。

圖2表明了干燥時間和附著力之間的關(guān)系，對比空白樣，明顯看出CaCO3的加入對附著力影響較大。從圖2中可以看出，干燥時間自5min增至15min，附著力保持在1級不變，有相當(dāng)好的附著力。當(dāng)進(jìn)一步增加干燥時間至20min，涂層附著力降低至2級。涂層的內(nèi)聚力和機械聯(lián)鎖和附著力密切相關(guān)[3]：干燥時間的增加導(dǎo)致CaCO3粒子數(shù)的增多，粒子之間的內(nèi)聚力增強，連鎖性也很好。然而，進(jìn)一步將干燥時間增加，水性涂料中能夠揮發(fā)的物質(zhì)揮發(fā)，相對的，CaCO3含量的增加，附著力有所下降。此外，CaCO3的增多降低了涂層的彈性，減少能力損耗，使得涂層更為脆弱，附著力達(dá)到2級[4]。

3 結(jié)論

通過正交試驗對配方構(gòu)成、固化條件等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)CaCO3與水性涂料的質(zhì)量比等于5%時，干燥溫度為70°C，干燥時間為10-15min時，硬度和附著力分別達(dá)2H和1級。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆小星，趙靜，吳燕，等.協(xié)同改性對水性UV木器涂料性能的影響[J].林業(yè)工程學(xué)報，2014，28（6）：75-78.

[2]毛衛(wèi)國，閆小星，吳燕，等.CaCO3改性對UV固化木器涂料性能的影響[J].家具，2013（4）：26-29.

[3]馬茜茜.聚丙烯薄膜（BOPP）的生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工管理，2015（31）：100-101.

[4]蘇嘉輝，黃偉，楊雪嬌，等.多官能度聚氨酯丙烯酸酯水性UV樹脂的合成與性能表征[J].高分子材料科學(xué)與工程，2015，31（1）：13-18.endprint