玻璃纤维粉对添加变色油墨的水性涂料漆膜性能的影响

闫小星，钱星雨，包文斯

（南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037）

感温变色涂料作为一种能够使众多材质表面发生颜色变化的特殊涂料［1］，在表面测温、化学防伪、娱乐装饰等领域引起了国内外科学家的广泛关注［2-3］。制备感温变色涂料的方式分为很多种，从组成材料看可分为无机类、有机类以及液晶类等［4］。利用变色油墨制备变色涂料的方式方便快捷、效果美观，且能够使产品表面具有较佳的效果，因而在印刷喷涂等领域被广泛应用［5-6］。此外，在众多涂料种类中，水性涂料由于无毒环保、附着力好、涂刷效果佳等优点［7］，越来越受到市场的关注［8］。然而感温变色涂料受温度影响明显［9］，且水性涂料具有硬度低、不耐磨等缺陷［10］。

玻璃纤维粉微观状态下呈长杆状，由多种氧化物组成，是无机非金属材料中的一种［11］。具有机械强度高、耐热性优、绝缘性好、吸湿低以及耐腐蚀等优良特性［12］，因而已广泛应用于绝缘材料、塑料、橡胶、水泥等领域［13］，并因其隔热保温性能常被用作汽车墙体等材料［14］。针对玻璃纤维粉的研究多集中于对复合材料的改性，在涂料领域中应用的相关报道还比较少。笔者利用添加变色油墨的水性涂料制备感温变色水性涂料，探究不同质量分数的玻璃纤维粉对其性能的影响，以及添加玻璃纤维粉后的感温变色水性涂料是否具有保温功效，并考察时间对具有保温功效的漆膜变色性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水性涂料：多乐士牌水性木器漆，主要组分包括水性丙烯酸共聚分散体、添加剂、水和消光剂，固含量（质量分数）≥30.0%。

变色油墨：购于淘宝店铺“鸿鑫工艺印花耗材”，31 ℃红色变无色，其中颗粒物直径约3 μm，呈微胶囊形态，主要成分为甲基红（C15H15N3O2，发色剂）、双酚A（C15H16O2，显色剂）、异构十醇（C10H22O，溶剂）、三聚氰胺（C3H6N6，包覆于甲基红、双酚A 等复配物表面）等。

基材：规格100 mm×100 mm×12 mm，杉木板材。

玻璃纤维粉：购于淘宝店铺“富华纳米材料”，粒径15 μm（细度800 目），主要成分为SiO2、CaO、Al2O3、和FeO 等。

1.2 试验方法

本试验准备2.0 g 水性底漆，配制2.0 g 添加玻璃纤维粉的变色油墨水性面漆，其中变色油墨质量分数为15%，玻璃纤维粉质量分数分别为0，1%，3%，5%，7%，10%，6 份添加玻璃纤维粉的变色油墨水性涂料配料如表1 所示。变色油墨和玻璃纤维粉加入水性面漆，以三底三面的工艺方式涂覆于杉木板材表面。先涂1 遍底漆，30 min 后待表面干燥，将样品移至35 ℃电热鼓风干燥箱中加热至质量不再变化后取出，自然冷却至室温。用细砂纸轻轻打磨，再重新涂两遍底漆。面漆涂饰方法同上，也涂饰3 遍。涂饰完后，将样品移至35 ℃电热鼓风干燥箱中加热至质量不再变化后取出，制备得到6 种样品。

表1 添加玻璃纤维粉的变色油墨水性涂料漆膜配料Table 1 Ingredients of the waterborne coating with color-changing ink added glass fiber powder

1.3 测试与表征

依据GB／T 9754—2007《不含金属颜料的色漆漆膜的镜面光泽的测定》采用HG268 智能型光泽度仪测试入射角分别为20°，60°和80°时的漆膜光泽度。采用SEGT-J 便携式色差仪对漆膜色差进行测试。依据ISO 2409：2013“Paints and varnishes-Cross-cut test”标准采用QFH-HG600 涂膜划格仪对漆膜附着力进行测试。依据GB／T 1731—1979《漆膜柔韧性测定法》使用QCJ 型漆膜冲击器测试仪对漆膜抗冲击力进行测试。根据《家具耐液性检测常用试液表》选取15%质量分数的NaCl、70%医用乙醇、含25%脂肪醇环氧乙烷与75%水的白猫洗洁精和红墨水测试漆膜耐液性能。以手持式红外线测温仪测量漆膜从40 ℃自然冷却至18 ℃的温度变化。通过环境扫描电子显微镜以及VERTEX 80v 红外光谱测试仪观测漆膜的微观结构和化学组成。

2 结果与分析

2.1 玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜光学性能的影响

通过色差仪测试了添加不同质量分数玻璃纤维粉的变色油墨水性涂料从18 ℃至40 ℃颜色值的变化结果。L、a、b、c和H分别表示为明度、红绿颜色变化情况、黄蓝颜色变化情况、饱和度以及色相。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为初始值，L2、a2、b2为改变温度后的值。依照公式（1）计算色差ΔE。

ΔE（色差）=［（ΔL）2+（Δa）2+（Δb）2］1／2（1）

色差结果如图1 所示，当温度从18 ℃升至28℃时，添加不同质量分数玻璃纤维粉的变色涂料漆膜色差范围为0.1～4.4，没有明显的变色效果。继续升高温度至30 ℃，未添加玻璃纤维粉的漆膜开始发生变色，此时色差为12.9；而玻璃纤维粉质量分数为1%～7%的漆膜加热至32 ℃时开始发生明显的变色，玻璃纤维粉质量分数为10%的漆膜在34 ℃时才显著变色。从图1 整体走势可以看出，同一温度下，玻璃纤维粉质量分数为0 的添加变色油墨的水性涂料漆膜色差最大，玻璃纤维粉质量分数为10%的漆膜色差最小。玻璃纤维粉本身带有颜色，为白色，会影响变色效果，从而影响色差。另外，当玻璃纤维粉质量分数较高时，容易在涂层中团聚，不易分散，也会影响色差［15］。因此，在升温过程中，添加玻璃纤维粉的漆膜色差小于未添加玻璃纤维粉的漆膜，且变色需要更高的温度，玻璃纤维粉质量分数为1%～7%的漆膜变色性能较好。

图1 玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜18～40 ℃色差的影响Fig.1 Effects of glass fiber powder content on color difference of waterborne coatings with color-changing ink from 18 ℃to 40 ℃

本研究采用20°，60°和85° 3 种入射角度反映不同玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜光泽度的影响。从表2 可以明显看出，入射角越大，光泽度越高。且在同一入射角下，光泽度随着玻璃纤维粉质量分数的增加而降低。这可能是由于玻璃纤维粉质量分数的增多使漆膜表面的粗糙度增大，漆膜表面产生了漫反射，从而降低表面的光泽度。当玻璃纤维粉质量分数为0～5%时，漆膜的光泽度比较良好。

表2 玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜光泽度的影响Table 2 Effects of glass fiber powder content on gloss of waterborne coatings with color-changing ink

2.2 玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜力学性能的影响

涂层的附着力代表涂膜与基体的接合强度，附着力好的涂膜能够起到保护和装饰的作用［16］。抗冲击力表示漆膜抵抗冲击负荷作用的能力［17］。玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜附着力和抗冲击力的测试表明，添加不同质量分数玻璃纤维粉的变色油墨水性涂料漆膜附着力等级均为0 级，漆膜抗冲击力均为5 kg·cm，附着力和抗冲击力都没有随着玻璃纤维粉质量分数的变化而产生改变，所以玻璃纤维粉质量分数对漆膜附着力以及抗冲击力无影响。

2.3 玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜耐液性能的影响

控制温度在18 ℃，通过NaCl、洗洁精、乙醇与红墨水4 种试液对添加不同玻璃纤维粉质量分数的变色水性涂料漆膜进行耐液测试，记录未经过耐液测试的漆膜颜色值，以及4 种试液测试24 h 之后漆膜的颜色值，色差和耐液等级结果如表3 所示。

由表3 可见，添加玻璃纤维粉质量分数为0～10%的漆膜对NaCl、洗洁精和乙醇3 种试液的色差较小，耐液等级均为1 级，无印痕；对红墨水的色差较大，耐液等级均为3 级，有明显印痕。漆膜的耐液等级没有因玻璃纤维粉质量分数的改变而发生变化，证明玻璃纤维粉质量分数对漆膜耐液等级无影响。

表3 玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜耐液色差和耐液等级的影响Table 3 Effects of glass fiber powder content on liquid resistance color difference and level of waterborne coatings with color-changing ink

2.4 玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜自然冷却下温度变化的影响

为了测试不同质量分数玻璃纤维粉的变色油墨水性涂料漆膜在自然状态下的温度变化情况，在15 ℃下，首先利用恒温磁力加热器将不同质量分数玻璃纤维粉的漆膜样品加热至40 ℃，每隔30 s再用手持式红外线测温仪测量其冷却后的温度值，到18 ℃时停止，各质量分数玻璃纤维粉的漆膜温度变化情况如图2 所示。

图2 玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜自然冷却温度变化的影响Fig.2 Effects of glass fiber powder content on temperature cool down naturally of waterborne coatings with color-changing ink

由图2 可见，添加1%，5%，7%，10%玻璃纤维粉的漆膜与未添加玻璃纤维粉的漆膜相比，每30 s记录下的温度值更低，散热更快；而添加3% 玻璃纤维粉的漆膜前2.5 min 记录下的温度值大于未添加玻璃纤维粉的漆膜，具有一定的保温效果。可能是因为，在添加变色油墨的水性涂料中，油墨呈液体状，能够均匀地包覆于杉木板表面，加入玻璃纤维粉后，玻璃纤维粉纤维保存的热量小于从玻璃纤维粉纤维缝隙间流失的热量。

2.5 微观结构分析

不同玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜微观结构的影响见图3。由图3 可见，玻璃纤维粉微观下呈柱状结构，且添加1%，3%和10%玻璃纤维粉的漆膜中都有明显颗粒，分布均匀无团聚现象；但随着玻璃纤维粉质量分数的增加，柱状形态的玻璃纤维粉明显增加，在10%时纤维较多并出现团聚。主要是玻璃纤维粉质量分数的增多导致漆膜柱状纤维团聚增多，这也是导致漆膜光泽度降低的原因。结果表明，玻璃纤维粉质量分数为3%时漆膜微观结构最佳。

图3 不同玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜SEM 图Fig.3 Different contents of glass fiber powder in the waterborne coatings with color-changing ink by SEM

2.6 红外光谱分析

不同玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜红外光谱图见图4。由图4 可知，3 430 cm-1为—OH 吸收峰，当玻璃纤维粉质量分数增多时，—OH 吸收峰变小，说明玻璃纤维粉与添加变色油墨的水性涂料发生了脱水反应；2 929，2 856 及1 446 cm-1为—CH2吸收峰；1 730 cm-1为C═O 强而尖的特征峰。红外光谱测试下，随着玻璃纤维粉质量分数的变化，无峰的消失或出现，说明不同玻璃纤维粉质量分数的漆膜成分无差别。

图4 不同玻璃纤维粉质量分数对添加变色油墨的水性涂料漆膜红外光谱图Fig.4 Different contents of glass fiber powder in the waterborne coatings with color-changing ink by IR

2.7 时间对具有保温功效漆膜变色性能的影响

为了测试时间对具有一定保温功效即玻璃纤维粉质量分数为3%的变色油墨水性涂料颜色变化的影响，将添加3%玻璃纤维粉的变色油墨水性漆膜样本放置3 个月，对其颜色进行测试，结果如表4 所示。测量放置3 个月后漆膜18 ℃的颜色值及后续3 d 在30 ℃烘箱烘烤后的颜色值，根据公式（1）计算色差。

研究结果表明，3 个月后玻璃纤维粉质量分数3%的漆膜在18 ℃下及每天6 h 连续3 天30 ℃下的色差在1.3～1.6，无明显颜色变化，说明时间对添加玻璃纤维粉后具有保温功效的漆膜变色性能无影响。

表4 时间对具有保温功效的漆膜颜色变化的影响Table 4 Effect of time on color value of insulated waterborne coating

3 结论

不同玻璃纤维粉质量分数条件下，通过对添加变色油墨水性涂料的各项性能进行测试，探究玻璃纤维粉对添加变色油墨后水性涂料性能的影响。结果表明：添加变色油墨的水性涂料中加入玻璃纤维粉后，漆膜变色色差小于未添加玻璃纤维粉，且变色需要更高的温度，玻璃纤维粉质量分数1%～7%的漆膜变色性能较好；相同强度的入射光下，随玻璃纤维粉质量分数的增加，漆膜光泽度逐渐降低，玻璃纤维粉质量分数0～5%的漆膜变色性能较好；玻璃纤维粉质量分数对漆膜力学性能无影响；玻璃纤维粉质量分数对漆膜耐液等级无影响；添加3%玻璃纤维粉的漆膜前2.5 min 温度值大于未添加玻璃纤维粉的漆膜，具有一定的保温效果；玻璃纤维粉质量分数为3%时漆膜微观结构最佳；不同玻璃纤维粉质量分数的漆膜成分无差别；具有保温功效的漆膜变色性能不受时间影响。综合分析，玻璃纤维粉质量分数为3%时漆膜综合性能最佳。