变色油墨对杉木表面水性底漆性能影响

闫小星，常意娟，钱星雨

（南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037）

感温可逆变色油墨是指材料加热到某一温度时，印刷出来的图案和文字会产生颜色的变化，当温度降低到初始温度时，又会恢复到初始颜色的一种油墨［1］。根据变色油墨中的不同成分，感温可逆变色油墨可分为有机可逆、无机可逆和液晶可逆［2］。感温可逆变色油墨属于有机发色体系［3］，变色油墨中的溶剂决定着感温材料的变色温度，一般通过改变所用溶剂来改变热敏变色温度［4］。桑盼盼等［5］把感温变色油墨添加到婴儿连体衣上，来监测婴儿体温变化。徐建锋等［6］和赵东柏等［7］认为变色油墨在防伪、包装、感温可逆变色木塑复合材料等领域都有很广泛的应用。然而，感温变色油墨在涂饰方面的应用却很少。把变色油墨添加到水性底漆中，使水性底漆随温度变化而发生颜色改变，使产品随着季节的改变呈现出不同的色彩，产品更加人性化、多变化。且水性底漆无污染［8］，可减少VOC 排放量［9］，在环保可持续性［10］、性能稳定性方面均胜过油性漆［11-13］。本研究选用杉木［14］为基材，研究了变色油墨对水性底漆色差、光泽、力学及耐液性能的影响，为木地板表面变色涂膜的应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

变色油墨由深圳市幻彩变色科技有限公司提供，31 ℃下可由红色变无色，主要成分为甲基红（发色剂）、双酚A（显色剂）、三聚氰胺（包覆甲基红和双酚A 成微胶囊）、异构十醇（溶剂）。杉木板材（100 mm×100 mm×12 mm）和木器水性底漆由汕头市宜华生活科技股份有限公司提供。水性涂料由水性丙烯酸共聚物分散体（90.0%质量分数）、消光剂（2.0%质量分数）、添加剂（2.0%质量分数）和水（6.0%质量分数）组成。15.0%质量分数的氯化钠溶液、70.0%质量分数的医用乙醇由杭州欧拓普生物技术有限公司提供，洗涤剂由上海和黄白猫有限公司提供，红墨水由上海精细文化用品有限公司提供。

1.2 试验方法

以水性底漆为漆基，配制7 份变色油墨含量（质量分数）分别为0，5%，10%，15%，20%，25%，30%的感温可逆变色水性涂料各4.0 g。将每份涂料均匀地涂覆于杉木板材表面，约30 min 表面干燥后，将样品移至35 ℃电热鼓风干燥箱，加热至质量不再变化后取出，自然冷却至室温。

1.3 测试与表征

采用SEGT⁃J 便携式色差仪测量漆膜20～40 ℃的色度值，计算色差。采用GB/T 4893.6—2013《家具表面漆膜理化性能试验 第6 部分：光泽测定法》测定漆膜光泽度；采用GB/T 4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能试验第4 部分：附着力交叉切割测定法》测定漆膜附着力；采用GB/T 4893.9—2013《家具表面漆膜理化性能试验 第9 部分：抗冲击力测定法》测定漆膜抗冲击力。根据《家具耐液性检测常用试液表》，分别选取15%质量分数的氯化钠、70%质量分数的医用乙醇、含25%质量分数的脂肪醇环氧乙烷与75%质量分数水的洗涤剂、市售红墨水测定漆膜耐液性能［15］。通过环境扫描电子显微镜（ESEM）观察漆膜的微观结构；通过VERTEX 80v 红外光谱仪测定漆膜的化学组成。

2 结果与分析

2.1 变色油墨含量对漆膜光学性能的影响

将不同变色油墨含量的底漆漆膜从20 ℃加热至40 ℃，记录颜色的变化。其中：L表示明度，数值为正表示被测物体表面颜色偏亮，数值为负表示被测物体颜色偏暗；a表示颜色从红到绿的变化情况，数值为正表示颜色偏红，数值为负表示偏绿；b表示颜色从黄到蓝的变化情况，数值为正表示被测物体表面颜色偏黄，数值为负表示偏蓝；c表示色彩饱和度；H表示色相。ΔL（明度差）＝L1-L2、Δa（红绿色差）＝a1-a2、Δb（黄蓝色差）＝b1-b2。其中，L1、a1、b1均为初始值，L2、a2、b2为改变温度后的值。依照下列公式计算色差（ΔE）：

变色油墨含量对底漆漆膜20～40 ℃色差的影响见图1。由图1 可知，变色油墨含量为0 的漆膜从20～40 ℃的色差都在0.7～1.0，无变色效果；变色油墨含量5%～30%的漆膜在20～28 ℃的色差为0.7～6.8，颜色无明显变化；变色油墨含量为15%的漆膜加热至30 ℃时颜色有明显变化，色差值13.5，为初步色变时的色差最大值；且在32 ℃附近色差也比较大，具有良好的变色能力。夏季室内最高温度为30℃左右，人们已明显感觉到炎热，因此，变色漆膜在30 ℃附近的变色效果较好，即初步认为变色油墨质量分数为15%的漆膜具有较好的变色效果。

图1 变色油墨含量对底漆漆膜20～40 ℃色差的影响Fig.1 Effect of the color⁃changing ink content on the color difference of primer films from 20 ℃to 40 ℃

以不同光线入射角度照射变色漆膜，观察不同含量的变色油墨对于漆膜光泽度变化的影响。本研究采用的3 种光线入射角度分别为20°，60°，85°，如表1 所示。从表1 中可见，在添加相同含量变色油墨时，随着入射角度的增大，漆膜的光泽度增加；在相同角度的入射光下，随着变色油墨含量的增加，漆膜光泽度变化无规律，但变化不大。变色油墨含量20%的漆膜光泽度最高，含量25%的漆膜光泽度最低。主要原因在于随着变色油墨含量的增加，漆膜中的变色油墨颗粒增多，导致对光的反射降低。

表1 变色油墨含量对底漆漆膜光泽度的影响Table 1 Effect of color⁃changing ink content on gloss of waterborne primer film

2.2 变色油墨含量对漆膜力学性能的影响

由漆膜破坏面积判断其附着力等级，等级越小说明漆膜附着力越好。变色油墨含量0～30%的漆膜附着力等级均为0，附着力良好。因此，变色油墨含量对底漆漆膜附着力无影响。变色油墨含量为0 的漆膜抗冲击力为5.0 kg·cm；变色油墨含量5%～20%的漆膜抗冲击力均为4.0 kg·cm；当变色油墨含量大于20%时，随着含量的增加，漆膜抗冲击力逐渐增强，但相差不大，这可能是由于杉木本身的抗冲击强度较低所致。

2.3 变色油墨含量对漆膜耐液性能的影响

室温下，分别在试验前与24 h 后测量漆膜的L、a、b、c、H值［15］，依据公式（1）计算色差。漆膜的耐液性能等级越低，说明漆膜的性能越好。漆膜耐液性能等级测定结果表明，变色油墨含量0～30%的漆膜对氯化钠、乙醇与洗涤剂的耐液等级均为1级，无印痕；变色油墨含量0～30%的漆膜对红墨水的耐液等级均为3 级，有明显印痕。

2.4 微观结构分析

前述研究结果发现，变色油墨含量为15%时漆膜具有良好的变色能力，且光泽度、力学性能、耐液性与原涂层性能相比基本无改变，可保证涂层原有性能。因此，将变色油墨在涂膜中的分布状况进行ESEM 分析，如图2 所示，确定变色油墨在水性涂料中的分布方式。从图2 中可见，纯底漆较光滑，几乎无颗粒；变色油墨表面有少量颗粒物，干燥后不平整。变色油墨含量为5%的底漆出现颗粒，但颗粒较少；变色油墨含量为15%的底漆有明显颗粒，部分团聚，但不及变色油墨含量为30%的涂层团聚明显。随着变色油墨含量的增加，变色油墨颗粒增多，导致漆膜团聚变多。变色油墨含量为15%时底漆漆膜颗粒团聚较少，且变色油墨含量适中，变色效果较好。

图2 不同变色油墨含量的底漆漆膜ESEM 图Fig.2 ESEM pictures of different contents of color⁃changing ink in the waterborne primer

将变色油墨、杉木、不同含量变色油墨的漆膜进行红外光谱测试，结果如图3 所示。由图3 可知，3 383，3 343 cm-1为羟基吸收峰；2 931，2 852 及1 446 cm-1为亚甲基吸收峰；1 729 cm-1为羰基强而尖的特征峰。当纯底漆与杉木混合时，羟基消失，说明纯底漆与杉木发生了脱水反应。当纯变色油墨与纯底漆混合并涂覆于杉木基材时，除羟基外其他峰均未消失，因此，变色油墨的主要官能团并未受到破坏，变色效果基本不受影响。变色油墨的变色机理为甲基红受热释放电子，双酚A 接受电子发生颜色变化，待温度降至30 ℃左右后又恢复到初始颜色，但仍然具有变色功能，并且可反复变色。

3 结论

图3 红外光谱图Fig.3 Infrared spectra

通过试验结果可知，变色油墨含量为15%的漆膜变色性能较佳。随变色油墨含量的增加，漆膜光泽度稍有变化；变色油墨含量对漆膜附着力无影响；变色油墨含量大于20%时，随变色油墨含量的增加，漆膜抗冲击力逐渐增强，但相差不大；变色油墨含量对漆膜耐液等级无影响；变色油墨含量15%时颗粒分布均匀无团聚。红外光谱测试结果表明，变色油墨在水性涂料中的主要官能团基本不受影响。变色油墨的变色机理为甲基红受热释放电子，双酚A 接受电子发生颜色变化，待温度降至30 ℃左右后又恢复到初始颜色，但仍然具有变色功能，并且可反复变色。因此，在本研究中，变色油墨含量为15%时，杉木板材表面水性底漆漆膜综合性能最佳。