大果紫檀抽提物改性的水性漆對桉木表面涂飾性能的影響

韋柳明，張卿碩，黃成禹，余春和，孫 靜

(1.廣西大學 林學院，廣西 南寧 530000；2.廣西壯族自治區國有雅長林場，廣西 百色 533000)

自明清以來，紅木因其特殊的材質、紋理、色澤以及稀有度，一直作為高檔家具用材，是中國明清時期家具文化的重要載體[1]。紅木木材表面帶有深紅色條紋，其抽提物色澤為紅色，并具有耐腐性、抗輻射和抑菌等作用[2-5]。木材主要成分為纖維素、半纖維素和木質素，內含物中有單寧、樹脂、蛋白質等[6]。不同樹種的內含物稍有不同，用乙醚、乙醇、苯和水等對木材進行抽提所得的內含物稱為木材抽提物[7]。

從河姆渡時期至今，我國涂漆工藝有著超過了7 000 a歷史[8]。如今，漆飾裝修行業也是人們家居生活中無法離開的一部分。隨著人們日益關注涂漆中色素顏料是否環保，因此環保涂料受到了人們的重視[9]。水性漆是以水作為溶劑，具有調配簡單、無毒、環保等優點[10-11]。相比于油性漆,它減少了有機溶劑的使用量,進而減少了漆中易揮發的有機物質,故稱為綠色環保涂料[12-14]。色澤和物理性能是水性漆的重要評價標準。閆小星等[15]以杉木板為基材，木器水性底漆為漆基，添加變色油墨制成感溫可逆變色水性涂料。他對漆膜的理化性質進行測試，結果表明添加變色油墨的木器水性漆仍能保持漆膜的原有理化性能，例如附著力、抗沖擊力、耐液性等。朱曉冬等[16]將溫敏變色粉添加到木質家具涂料中，其附著力和光澤度并未產生顯著性變化，并表現出較強的色牢度。

以桉木為基材，大果紫檀心材抽提物為研究對象，水性漆為主要溶劑，對木材漆膜的附著力、抗沖擊性、硬度和色差等理化性質和甲醛揮發量進行測定，并對其性能進行分析和綜合評價。本研究對含有大果紫檀心材抽提物的水性漆進行木材表面涂飾性能研究，考察了涂飾材表面的仿珍貴紅木效果和各項理化性能。通過在水性漆中添加大果紫檀心材抽提物，使其不影響水性漆原有理化性能和甲醛揮發量的前提下，提高木制品的色澤和美感。不僅能夠提高桉木的附加價值，而且為改良水性漆提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

購于廣西省南寧市的大果紫檀(Pterocarpusmacrocarpus)，經廣西大學林學院林產品質量檢測中心鑒定為大果紫檀心材。百家涂透明水性木器漆，昆山優利涂料有限公司；桉木(Eucalyptusrobusta)板，20 mm(厚)× 100 mm(寬)× 100 mm(長)購于廣西省憑祥市；無水乙醇，成都市科隆化學品有限公司。

1.2 儀器與設備

WS-265寬帶砂光機，廣州福瑞德機械制造有限公司；QCJ-40抗沖器，上海市精科材料試驗工廠；ADCI-60C全自動測色色差計，北京辰泰克儀器技術有限公司；QFH-A漆膜附著力十字交叉測定器，天津市精科材料試驗工廠；BSA224S-CW電子天平，廣州賽多利斯儀器有限公司；QHQ-T3鉛筆硬度儀，上海市科器高新技術公司。

1.3 大果紫檀心材抽提物制備

大果紫檀心材刨花粉碎，過60目篩，將其放置干燥箱中60℃烘干，選取100%乙醇作為溶劑，料液質量比1∶30，轉速300 r·min-1，提取時間4 h，經減壓蒸發得染料的濃縮液。

1.4 桉木板涂飾正交試驗

以砂帶目數、抽提液質量分數、漆涂布量、涂飾次數作為考察因素，采用4因素3水平設計正交試驗，詳細正交試驗設計L9(34)見表1。將20 mm(厚)× 100 mm(寬)× 100 mm(長)的木材試樣經過刨削砂光處理后，再分別用360、800、1 000目砂帶進行打磨，得到表面粗糙度不同的3種試樣，每個3塊(表2)。根據試驗設計，涂刷對應的水性漆，每涂刷1遍，待其自然干燥2 h后，再進行下一次涂刷，全部試樣涂飾完畢并干燥后，對其漆膜進行理化性能測試。

表1 正交試驗的因素與水平

1.5 木材表面色差測試

選擇國際照明委員會推薦的CIE(L*a*b*)標準色度學表色系統來進行材色參數測定[17]。每個試樣表面取3不同位置的點進行試驗，記錄測試得的L*、a*、b*，每個試樣取均值作為測試數據，計算公式如下:

ΔE=(ΔL*2+Δa*2+Δb*2)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，L*：表示顏色的明亮度；a*：綠紅軸色品指數，負值表示綠色，正值表示紅色；b*：藍黃軸色品指數，負值表示藍色，正值表示黃色；ΔL*：表示涂飾前后試樣的明亮度差；Δa*：表示涂飾前后試樣的綠紅軸色品指數差；Δb*：表示涂飾前后試樣的藍黃軸色品指數差；ΔE*：表示涂飾前后試樣的總體色差；n：代表測量次數。

表2 水性漆染料正交試驗

1.6 木材表面附著力測試

參照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》,使用附著力測試儀(刀齒間距2 mm,漆膜厚度120 μm)，測試對照組和測試組試樣附著力等級。

1.7 木材表面硬度測試

參照GB/T6739-2006《涂膜硬度鉛筆測定法》,使用便攜式鉛筆劃痕試驗儀測試對照組和測試組試樣的漆膜鉛筆硬度并確定等級。

1.8 木材表面抗沖擊測試

參照GB/T4893.9-2013《家具表面漆膜抗沖擊測定法》，使用抗沖器測試對照組和測試組試樣的表面抗沖擊性能并確定等級。

1.9 木材表面甲醛釋放量測試

參照GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能實驗方法》，使用干燥器法測試對照組和測試組試樣的甲醛釋放量。

2 結果與分析

2.1 木材表面色差結果分析

2.1.1 試驗因子對試樣變色前后色差的影響 根據表3得出，各個試樣的色差變化值較大，色差最高值為48.54。如圖1，研究結果表明，桉木板涂飾共混大果紫檀心材抽提物色素的水性木器漆色差值變化明顯。根據正交試驗設計表對桉木進行涂飾，不同試驗因素和水平時試樣涂飾前后色差的試驗結果(表3)。由表3可知，經不同砂帶目數處理過的桉木板色差值先升高后降低，800目砂帶處理過的木板色差值最大，其色差值為41.65。由于表面的粗糙程度會影響亮度值，當表面平滑反射出的光線較多，表面光亮。但粗糙度高，光線垂直反射較少，相反漫反射較多，故表面亮度值下降。經過800目砂帶打磨4、5、6號木板后的紅綠軸色品指數均較高，涂飾后桉木板材色趨向紅黃色(圖2)。本研究砂帶最佳目數為800目。

注：A.樣品1；B.樣品2；C.樣品3；D.樣品4；E.樣品5；F.樣品6；G.樣品7；H.樣品8；I.樣品9。

表3 色差均值響應

在染液質量分數為10%時，試樣前后的色差值達到最大，其值為48.54。染液質量分數為5%時，色差值為41.15。當染液質量分數為1%時，它的色差值最小，其值為30.41。綜合分析可得，染液質量分數從1%到5%時，試樣前后色差值上升10.74。染液質量分數從5%到10%時，試樣前后色差值上升7.39。本研究最佳染液質量分數為10%。

漆涂布量從3～6 mL時，色差值變化了2.02。當從6～9 mL時，色差值增加了8.27。隨著桉木板涂飾布量的增加，色差值隨之變高。3、6、9號試樣的涂布量為6 mL時，色差值分別為61.77、46.76、37.08，且6號試樣的紅綠軸色品指數值最高。故涂飾效果良好，木材表面顏色趨向紅色。本研究漆涂布量的最佳值為9 mL。

隨著涂飾次數的增加，試樣前后色差值也逐漸增大，其值分別為33.16、40.74、46.19。涂飾3次時，試樣前后色差最大，其次為涂飾2次，最小為涂飾1次(圖2)。本研究確定最佳涂飾次數為3次。根據正交試驗設計表對桉木進行涂飾試驗，測量涂飾前后色差，試驗結果見表3。各因素影響桉木板色差值的主次順序為抽提液質量分數>涂飾次數>漆涂布量>砂紙目數。最佳涂飾條件為：抽提液質量分數10%，涂飾次數3，漆涂布量9 mL，砂紙目數800目。

圖2 漆膜色彩指數變化

2.1.2 木材表面色差試驗結果的方差分析 色差試驗的方差分析表明，在顯著性水平a=0.05下，試驗因子染液質量分數、涂飾次數、漆涂布量、砂帶目數對桉木板試樣前后色差的影響顯著，且F值可得染液質量分數最為顯著，其次是涂飾次數和漆涂布量，最后是砂紙目數(表4)。

表4 試驗結果的方差分析

2.1.3 驗證試驗 根據正交試驗設計所確定出的最佳工藝，即抽提液質量分數10%、涂飾次數3、漆涂布量9 mL、砂紙目數800目制備桉木試樣。不同試驗因子和水平下試樣總色差試驗結果見表5。最佳工藝參數所做驗證試驗的桉木板前后色差值為66.81±0.60，大于其他試驗所得的桉木板前后色差。故該結果表明本試驗所確定的最佳制備工藝是可靠的。

表5 涂飾前后色差測定結果

2.2 木材表面附著力的結果分析

漆膜附著力是漆膜性能的內在理化性能，它是指人為通過物理和化學作用，使涂料與木料基材表面之間結合起來的牢固程度[18]。附著力測定結果表明，未添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂飾桉木板，9個樣品漆膜無明顯變化，僅在切割交叉邊緣有少量脫落。根據國家標準GB/T 4893.4-2013測定附著力評定等級均為1級。添加大果紫檀心材抽提物后的木器漆涂飾桉木板后，9個試樣的附著力結果保持原有理化性能。該結果說明大果紫檀心材抽提物和水性漆溶合較好，不影響漆膜原始附著力，可保持水性漆原有的理化性能。附著力測定結果見表6。

表6 漆膜附著力測定結果

2.3 木材表面硬度的結果分析

鉛筆硬度指標常用于評價漆膜承受尖銳物件刮擦的能力。根據GB/T6739-2006《涂膜硬度鉛筆測定法》，以桉木作為基材，未添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂飾的9塊桉木板試樣，漆膜硬度均達2H以上，最佳測試值為6H。添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂飾的9塊桉木板試樣，漆膜硬度均達3H以上，最佳測試值為6H。硬度測試結果表明添加大果紫檀心材抽提物的漆膜，其硬度測定結果與空白組相比沒有明顯變化。漆膜硬度測定結果見表7。

表7 漆膜硬度測定結果

2.4 木材表面抗沖擊的結果分析

抗沖擊是家具木制件的漆膜涂層表面理化性能檢測項目之一,檢測時不考慮材質屬性采用統一標準GB/T4893.9-2013《家具表面漆膜抗沖擊測定法》。通過抗沖擊性的測定，所有試樣受到沖擊后均留下不同程度的印痕，但漆膜表面無裂痕或環裂現象，評定等級為1。該結果說明添加大果紫檀心材抽提物的水性漆不會降低漆膜的抗沖擊性，測定結果見表8。

表8 漆膜抗沖擊性測定結果

2.5 木材表面甲醛釋放量檢測結果

參照GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能實驗方法》，根據甲醛釋放量檢測結果表明，添加大果紫檀心材抽提物的水性漆甲醛釋放量未發生明顯變化。研究結果表明，大果紫檀心材抽提物不僅能豐富試樣的色彩，還能繼續保持其環保、無毒無害的特點(表9)。

表9 漆膜甲醛釋放量檢測結果

3 結論與討論

大果紫檀心材抽提物水性木器漆涂飾的9個試樣的色差變化值較大，涂飾前后色差最高值為61.77±0.83。結果表明，桉木板涂飾共混大果紫檀心材抽提物色素的水性木器漆色差變化明顯。桉木表面的粗糙程度影響亮度值，表面光滑使得光線反射較多。但隨著表面粗糙程度的增加，光線的漫反射較多，表面亮度值下降。經不同砂帶目數處理后的桉木板前后色差值先升增加后降低，800目砂帶處理后的木板色差值最高。從方差結果可得，染液質量分數為顯著因素，即染液質量分數是影響色差值的重要因素。隨著染液質量分數的增加，色差值的變化也相應越大。當染液質量分數為10%時，漆膜前后色差最大。隨漆膜涂布量的增加，其厚度愈厚，顏色可形成疊加效果，使得漆面的前后色差有明顯變化。當漆涂布量為9 mL時，顏色疊加效果最明顯，前后色差值最大。隨著涂飾次數的增加，色素顏色的效果進行了再次疊加。隨著涂布次數的增加，色差值隨之增加。當涂飾次數為3時，色差值變化明顯。

大果紫檀心材抽提物的水性木器漆對桉木板樣品具有較好的涂飾效果，說明水性木器漆和大果紫檀心材抽提物中的色素溶合較好。各因素影響桉木板色差值的主次順序為抽提液質量分數>涂飾次數>漆涂布量>砂紙目數。最佳涂飾條件為抽提液質量分數10%，涂飾次數3，漆涂布量9 mL，砂紙目數800目。

大果紫檀抽提物和水性漆共混后漆膜附著力、鉛筆硬度、抗沖擊性等性能均無變化，漆膜硬度有略微提高。對共混后漆膜結果分析可得大果紫檀抽提物和水性漆較好結合，同時保持漆膜本身的理化性質。涂飾后漆膜甲醛釋放量空白組與測試組均為0.02 mg/mL，說明大果紫檀心材抽提物色素不會增加漆膜甲醛的揮發量。大果紫檀心材抽提物共混水性木器漆不僅能趨近大果紫檀心材的顏色，而且能夠保持漆膜的各項理化性能。