水性樹脂底漆對木材表面潤濕性的影響

路周，胡進波，張默涵，萇姍姍，劉元*，鄭磊，李賢軍

(1. 中南林業科技大學材料科學與工程學院，長沙 410004；2. 希美埃(蕪湖)機器人技術有限公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著人們生活水平的提高，兼具實用性與裝飾性的木器產品越來越受到消費者的歡迎，特別是經過精美涂飾的木器，近年來在家居市場占比較高。經過不同切割方式的木材呈現形態各異的美麗花紋，但這些自然花紋需要經過著色和涂裝才能更清晰顯現，才能更具立體感和觸摸感[1-3]。隨著科技的進步，人們對環保呼聲的越來越高，水性涂料因其本身具有無色無味、綠色環保、低黏快干、高固含量、成本低等優點越來越受到企業和消費者的廣泛關注[4]。然而到目前為止，水性涂料在木質材料的使用上還存在一些問題，如水性漆涂裝對木材表面整潔度要求高、水性漆進入木材淺表面致涂膜干燥能量需求高、水性涂膜耐水性差等[5-6]，這些問題都可能與水性涂料在木材表面的滲透性有直接關系。

木器涂料按照施工的先后順序，通常可分為底漆和面漆。底漆可認為是木材與面漆之間的過渡層，能增強涂層和木材之間的附著力，防止面漆滲透到木材孔隙影響漆膜的平整、美觀。因此，底漆在木材表面的潤濕性就非常重要，潤濕性好則滲透性越好，涂料與木材形成的膠釘就越多，能夠使其在木材表面形成一層均勻連續的漆膜，增強下一道面漆工序的層間附著力[7-8]。通常對于木器制品而言，木材表面潤濕性能用底漆樹脂與木材形成的接觸角來衡量，用以觀察和分析底漆在木材表面潤濕鋪展及黏附的難易程度和效果，是木材界面中最重要的參數之一[9-10]。對于水性漆涂裝，研究木材表面水性樹脂底漆潤濕特性，可為改善木材表面加工性能及與其他材料的界面相容性等提供依據。為了研究水性樹脂底漆與木材表面的潤濕性，選取不同樹種、不同類型的水性樹脂底漆、底漆質量分數、干磨砂紙粒度4個影響木材接觸角的因素，采用L25(56)正交表進行正交試驗，分析判定影響水性樹脂底漆在弦切板和徑切板表面潤濕性的因素；通過定量表征不同樹種、不同板材表面細胞孔槽特性進一步證實其接觸角的差異性根源，也為進一步探究不同樹脂類型的水性樹脂底漆在不同實木弦切面、徑切面濕潤性，以及為更好地完成木制品水性漆涂裝提供基礎技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料：馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、白橡(Quercusalba)、奧古曼(Aucoumeaklaineana)和非洲紫檀(Pterocarpussoyauxii)5種木材的弦、徑切板。試材放置于恒溫恒濕箱中，并將含水率調整為12%。

水性底漆：單組分水性丙烯酸樹脂底漆(以下簡稱“MWD111”)、單組分水性丙烯酸改性聚氨酯底漆(以下簡稱“MWD311”)、雙組分水性丙烯酸樹脂底漆(以下簡稱“NHDD01A”)，市購某品牌產品。

輔助材料：600目(23 μm)、360目(75 μm)、180目(95 μm)干磨砂紙。

1.2 儀器設備與主要試劑

滑走式切片機，Nikon M568E光學顯微鏡，OCA15Plus視頻光學接觸角測定儀，1%番紅染液，無水乙醇，加拿大中性樹膠。

1.3 試驗方法

1.3.1 木材表面接觸角測定

將5種木材弦、徑切板制成規格為60 mm×20 mm×20 mm的試件，試件無缺陷。分別用600目、360目、180目的砂紙打磨試件表面，直到木粉不粘砂紙為止。將3種水性樹脂底漆和水依次配制成底漆質量分數分別為60%，70%，80%，90%，100%的水性樹脂底漆。根據樹種(A)、干磨砂紙粒度(B)、底漆種類(C)、底漆質量分數(D)4種因素，采用L25(56)正交表進行正交實驗，用接觸角測定儀測量底漆涂料在木材表面的接觸角大小。正交試驗的因素水平見表1。

表1 木材表面潤濕性影響因素水平Table 1 Wood surface wettability influence factors and levels

1.3.2 顯微觀察與表面孔槽比測定

木材弦、徑切面的孔槽比是指弦、徑切面上孔槽面積占弦、徑切面總面積的百分數。孔是指木材弦切面射線薄壁細胞因橫向平剖而形成的凹孔結構。槽是指木材弦、徑切面上軸向管胞、軸向薄壁組織、木纖維、導管、射線薄壁細胞因縱向平剖而形成的凹槽結構。

將規格為10 mm×10 mm×10 mm的5種木材小塊水煮至下沉，用滑走式切片機在5種木材弦、徑切面分別切下厚度為10～15 μm的切片，用加拿大中性樹膠進行封固制成永久切片[11]；將切片置于光學顯微鏡下隨機選取30個點觀察并成像，將獲得的木材弦、徑切面圖像導入image pro plus圖像處理軟件，通過標記弦、徑切面的孔槽位置，計算孔槽面積值(sum)即S1，之后計算圖像總面積S2。各個切面孔槽面積(S1)和全部圖像面積(S2)的比值(N)，即為木材弦、徑切面的孔槽比[12]。

圖1 不同因素水平木材接觸角大小Fig. 1 Wood contact angle under different factors

2 結果與分析

2.1 5種木材表面潤濕性影響因素分析

2.1.1 正交試驗極差分析

根據正交試驗結果進行極差分析，結果見表2。由表2可知，5種木材弦、徑切面的表面潤濕性受水性樹脂底漆質量分數的影響最為顯著，影響潤濕性的主次因素依次為D(底漆質量分數)、C(底漆種類)、A(樹種)、B(干磨砂紙粒度)。影響水性樹脂底漆滲透、潤濕性最主要的因素是涂料的黏稠度，水性樹脂底漆質量分數越低黏稠度越低，底漆越容易均勻滲透到木材表面的孔槽結構中，黏稠度與底漆本身關系密切，即受影響于底漆質量分數和種類[13]。此外，水性樹脂底漆相對分子量的大小(即底漆種類)和木材表面孔槽結構的大小(即樹種)也是制約水性樹脂底漆能否均勻滲透到孔槽結構的關鍵[12]，但木材表面經不同粒度的干磨砂紙打磨后，不能從根本上改變木材表面整體的孔槽大小結構和切面孔槽面積占比，因此，對水性樹脂底漆潤濕性的影響不顯著。

表2 木材表面潤濕性影響因素正交實驗極差值Table 2 Factors influencing wood surface wettability based on orthogonal experiment

不同因素水平下木材接觸角大小情況見圖1。整體而言，木材徑切面的接觸角小于弦切面，徑切面的潤濕性優于弦切面。從4個單一因素比較來看，如圖1a所示，水性樹脂底漆固含量越高，黏稠度越高，越易堵塞孔槽結構，使得水性樹脂底漆在木材表面的接觸角增大，潤濕性減弱。雖然木材表面潤濕性隨著水性樹脂底漆質量分數的增加而逐漸減弱，但是在涂裝工藝方面，不同的水性樹脂底漆質量分數只有控制在一定范圍內才能保證后期的漆膜干燥質量，因此具體的水性樹脂底漆的最佳質量分數值要根據后期漆膜的干燥質量綜合考慮。圖1b中單組分的水性樹脂底漆和雙組分的水性樹脂底漆相比，單組分水性樹脂底漆的潤濕性更好，這與水性樹脂底漆中樹脂的分子量和木材表面孔槽大小有關，單組分水性樹脂底漆的相對分子質量較小，更容易進入木材表面的孔槽結構，從而使潤濕性能更佳；圖1c所示，5種木材中針葉材的潤濕性要優于闊葉材，杉木表面的潤濕性最好，白橡的潤濕性最差；圖1d所示5種木材弦、徑切面經180目砂紙打磨后的潤濕性能最好，干磨砂紙粒度對木材表面潤濕性影響不顯著。

2.1.2 正交試驗方差分析

對正交試驗的結果進行了直觀的極差分析，其優點是簡單、直觀、計算量較小，便于普及和推廣，對于生產實際中的一般問題用直觀分析法能夠得到很好的解決[14]。但極差分析法不能估計試驗過程中以及試驗結果測定中必然存在的誤差大小，因而不能真正區分某因素水平所對應的試驗結果的差異究竟是由于水平的改變引起的，還是由于試驗誤差引起的。除此之外，極差分析對影響試驗結果的各因素的重要程度不能給出精確的數量估計，也不能提供一個標準來考察、判斷因素對試驗結果的影響是否顯著。因此，直觀分析法得到的結論不夠精確。為了進一步驗證試驗結果的準確性，根據樹種(A)、干磨砂紙粒度(B)、底漆質量分數(C)、底漆種類(D)4種因素，對試驗結果進行了進一步的方差分析，結果對比F值分布表得出：F0.01>FA>F0.05；FBF0.01；FD>F0.01，具體如表3、表4所示。

表3 木材徑向表面潤濕性影響因素正交試驗方差分析Table 3 Wood radial surface wettability influence factor orthogonal test variance analysis results

表4 木材弦向表面潤濕性影響因素正交試驗方差分析 Table 4 Wood tangential surface wettability influence factor orthogonal test variance analysis results

a)松木徑切面；b)松木弦切面；c)杉木徑切面；d)杉木弦切面；e)奧古曼徑切面；f)奧古曼弦切面；g)白橡徑切面；h)白橡弦切面；i)非洲紫檀徑切面；j)非洲紫檀弦切面。圖2 5種木材弦、徑切面微觀結構Fig. 2 Micro images of wood tangential and radial sections

由表3、表4分析可知，根據F值大小，判斷出影響木材表面潤濕性因素的主次順序是：底漆質量分數、底漆種類、樹種、干磨砂紙粒度。底漆質量分數和底漆種類對試驗影響非常顯著，樹種對試驗影響顯著，干磨砂紙粒度對實驗影響不顯著。進一步驗證了極差分析結果。

2.2 5種木材表面孔槽比

2.2.1 微觀構造

5種木材弦、徑切面顯微構造見圖2。從圖2可以看出，松木和杉木的纖維管胞分布均勻，單列較寬，平均寬度為30～65 μm，為粗結構，管胞縱剖面孔寬槽深；木射線為單列，少至中，高2～14個細胞，射線薄壁細胞水平壁薄，紋孔較多；管胞內紋孔清晰可見，管胞與射線薄壁細胞之間存在交叉場紋孔。

奧古曼、白橡、非洲紫檀3種闊葉材的木纖維排列致密，單列較窄，平均寬度為10～40 μm，腔小而壁厚；奧古曼木射線為多列木射線，射線類型為異性Ⅲ型，導管內紋孔清晰可見，導管壁上紋孔排列為互列紋孔；白橡和非洲紫檀為單列木射線，高5～14個細胞，且導管內部含有豐富的侵填體。

松木、杉木是國內典型的木器用針葉材，白橡是典型的歐美進口材，而奧古曼和非洲紫檀是典型的非洲進口材。從5種具有代表性的木材微觀圖像整體對比(圖2)可發現，針葉材(松木、杉木)弦、徑切面管胞形成的管槽面積大于闊葉材(奧古曼、白橡、非洲紫檀)弦、徑切面細胞形成的管槽面積，且針葉材的管胞細胞壁明顯很薄，整體厚度小于闊葉材細胞壁。

2.2.2 弦、徑切面孔槽比

利用image pro plus圖像處理軟件計算木材弦、徑切面的孔槽比，結果見表5。5種木材弦切面的孔槽比由高到低依次是松木、杉木、奧古曼、非洲紫檀、白橡，而徑切面的孔槽比由高到低依次是杉木、松木、奧古曼、非洲紫檀、白橡。整體而言，5種木材徑切面的孔槽比要高于弦切面，原因是木材弦切面存在射線薄壁細胞因橫向平剖形成的凹孔結構，凹孔結構相對于凹槽結構壁腔比相對較小，從而導致木材徑切面的孔槽比要高于弦切面。這也驗證了上述正交試驗結果中徑切面的潤濕性要優于弦切面，主要原因是徑切面的孔槽比要高于弦切面，使得水性樹脂底漆更易滲透到木材表面的孔槽結構中，從而導致徑切面的潤濕性要優于弦切面。

表5 5種木材弦、徑切面孔槽比Table 5 Hole groove ratio of tangential and radial sections of five kinds of wood species

5種木材中針葉材(松木、杉木)的孔槽比明顯高于闊葉材(奧古曼、白橡、非洲紫檀)。從微觀圖像上來看，針葉材軸向管胞的長和寬大于闊葉材木纖維，且針葉材的纖維管胞細胞壁厚度小于闊葉材木纖維，并且闊葉材弦切面木射線橫向平剖形成的凹孔結構的數量也多于針葉材，因此針葉材弦、徑切面的壁腔比大于闊葉材，從而導致針葉材的孔槽比高于闊葉材，其潤濕性也優于闊葉材，而白橡和非洲紫檀導管內的侵填體堵塞孔槽，也是減弱其表面潤濕性的原因[15]。

3 結 論

通過正交試驗，采用極差和方差分析法對影響木材表面潤濕性因素進行分析，并結合5種木材的微觀圖像和木材弦、徑切面的孔槽比，對原因進一步解釋說明。綜合分析主要得到以下結論：

1)根據極差RD>RC>RA>RB，表明影響木材表面潤濕性能的因素主次順序依次為水性樹脂底漆質量分數、水性樹脂底漆種類、樹種、干磨砂紙粒度，并用方差分析法進一步驗證了其正確性，2種分析方法結果一致，即底漆質量分數和底漆種類對木材表面潤濕性影響非常顯著，樹種對試驗影響顯著，干磨砂紙粒度對潤濕性影響不顯著。

2)5種木材徑切面的孔槽比高于弦切面，針葉材弦、徑切面的孔槽比高于闊葉材，從而導致徑切面的潤濕性優于弦切面，針葉材的潤濕性優于闊葉材；單組分水性樹脂底漆和雙組分水性樹脂底漆相比，單組分水性樹脂底漆的潤濕性更好。