涂覆工艺对添加变色粉水性涂膜性能的影响*

闫小星 常意娟 包文斯

（南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037）

表面涂饰工艺不仅可以保护基材表面，还可达到色泽美观的目的[1-2]。感温可逆变色粉是微胶囊化的可逆感温变色物质，当温度变化时，有机物成分发生电子转移，从而实现变色效果[3-4]。Houska等人[5]使用反应磁控溅射法制备VO2基热致变色涂层，结合四种方法提高涂层性能，对智能窗用高性能耐用温致变色VO2基热致变色涂层，结合四种涂层的设计和低温制备具有重要意义。朱文凯等[6]介绍了改性大漆及大漆的涂饰工艺。崔蒙蒙等[7]采用蜡、溶剂型漆与水性漆对硬木家具进行托蜡处理，发现溶剂型和水性漆托蜡材的耐光性好于传统烫蜡材。Geng等[8]设计并制备了具有优良蓄热释放性能以及良好稳定性的可逆热致变色微胶囊相变材料，并将其应用于消防服生产制造，从而实现在各种火灾环境下为消防员提供足够的防热保护。综上所述，变色产品在建筑、服装、大规模定制及工业领域应用已非常广泛[9]，但是针对木器表面水性涂层变色材料研究较少，且对水性涂料的变色效果尚不明确。

目前木器水性涂料因环保而广受喜爱，有着长远的发展前景。但是由于水在木器水性涂料成分中占到一半以上[10-11]，而漆膜中的水成分和树脂成分相容性较差[12]，导致漆膜在硬度[13]、耐磨性[14]、附着力[15]等方面性能不如油漆，因此实际应用对木器水性涂料要求更高[16-17]。笔者在前期工作中研究了添加变色油墨涂料的最佳涂覆工艺，变色粉可以作为一种涂料改性剂添加进水性涂料，本文以水性变色涂膜为基础，探究添加变色粉的可逆变色水性涂料在杉木表面的最佳涂覆工艺，以使漆膜具有理想的综合性能，为企业开发应用变色涂膜提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

变色粉：来自深圳市幻彩变色科技公司，颗粒直径为3 μm左右，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）和三聚氰胺（微胶囊壁材，包覆甲基红和双酚A成微胶囊），31 ℃下由红色变黄色。多乐士木器水性面漆由多乐士涂料有限公司提供，固体含量30.0 % 左右：主要包含水性丙烯酸共聚物分散体（含量90.0%），消光剂（含量2.0%），添加剂（含量2.0%）和水（含量6.0%）。

杉木[Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.]板材：经过普通机械砂光，规格为100 mm×100 mm× 12 mm（长度×宽度×厚度），由汕头市宜华生活科技有限公司提供。

1.2 试验方法

表1 涂覆工艺正交试验设计方案 Tab.1 Orthogonal experiment schedule of coating process

预试验结果表明：变色粉含量为5.0%时，杉木表面水性底漆和面漆漆膜综合性能最佳。基于此，对涂覆工艺进行正交试验设计，见表1，配制1～4#水性涂料如表2；将1～4#涂料按照表1 中的底、面漆涂覆方式涂覆于杉木板材表面，每个步骤操作完成后，等待30 min左右直至表面干燥，再将样品移至35 ℃电热鼓风干燥箱进行干燥处理，当样本质量不变时拿出冷却至室温；随后用砂纸轻轻打磨、干布除去浮粉后进入下一道工序。

表2 涂覆工艺正交试验漆膜配料表 Tab.2 Coating process orthogonal experiment paint film ingredients list

1.3 测试与表征

寒冬时室内温度在18 ℃左右，而夏季则在40 ℃左右。因此，试验以2 ℃为一梯度，采用SEGT-J便携式色差仪测量漆膜18～40 ℃的颜色值，并依据公式（1）和（2）计算色差。

式中，L代表亮度，正值表示涂层表面明亮，负值则表示涂层表面变黑；a表示红绿色，正值为红色，负值为绿色；b表示黄蓝色，正值为黄色，负值为蓝色。对应ΔL、Δa和Δb分别代表明度差、红绿色差和黄蓝色差。L1、a1、b1代表的是18 ℃下的亮度、红绿色、黄蓝色值，L2、a2、b2代表的是其他温度下的值。

表3 试验测试设备 Tab.3 Experimental test equipment

测试漆膜耐液性能时，根据《家具耐液性检测常用试液表》[18]选取15%质量分数的氯化钠、70%医用乙醇、含25%脂肪醇环氧乙烷与含75%水的白猫洗洁精以及市售红墨水。其余水性漆膜性能[19]，如光泽度、色差、附着力以及抗冲击力，及对应测试标准、测试设备见表3。

2 结果与分析

2.1 正交试验分析

图1 不同涂覆工艺的水性漆膜18 ℃至40 ℃ 时的色差变化Fig.1 Color difference of waterborne paint film with different coating processes from 18 ℃ to 40 ℃

表4 不同涂覆工艺的变色漆膜18 ℃ 与32 ℃ 色差变化正交试验结果 Tab.4 Orthogonal test results of color difference of 18 ℃ and 32 ℃ for color-changing paint films of different coating processes

表5 漆膜色差的极差 Tab.5 Range of the color difference of coating

表6 色差显著性分析 Tab.6 Color difference significance analysis

将不同涂覆方式的漆膜从18 ℃加热至40 ℃，水性漆膜的色差变化如图1 所示。1～4#漆膜在18～28 ℃间色差为0.2～1.8，尚无明显变色现象；在30 ℃时只有3#漆膜色差值较大；而在32 ℃时1～4#漆膜均有显著的变色效果，32 ℃之后漆膜色差变化不大，因此选取温度18℃与32 ℃时对1～4#漆膜进行正交试验，结果见表4。对试验数据进行统计学分析，结果如表5、6 所示，其中底漆道数色差极差最大，表明底漆涂刷方式对漆膜色差影响最大，但三种因素均无显著性。

通常选取60° 入射角下的普通光泽为漆膜光泽度指标[24]进行光泽度测试。由表7、8 可知，变色粉添加方式的极差最大，且具有显著性，表明对漆膜光泽度影响最大的涂覆工艺是变色粉添加方式。

表7 涂覆工艺对可逆变色漆膜60° 光泽度影响正交试验结果 Tab.7 Orthogonal experimental analysis table of 60° gloss of reversible color-changing film by coating technologies

表8 光泽度显著性分析 Tab.8 Analysis of gloss significance

采用划格法测试漆膜的附着力，漆膜破坏面积越小等级越低，等级越小说明漆膜附着力越好。从表9中可知，1～4#漆膜附着力等级均为0，附着力较好，表明涂覆工艺对漆膜附着力无影响。此外，1～4#漆膜抗冲击力均为70.0 N·cm，表明涂覆工艺对漆膜抗冲击力无影响。

表9 涂覆工艺对可逆变色漆膜附着力和抗冲击力的影响 Tab.9 Effect of coating technologies on adhesion and impact resistance of reversible color-changing film

对不同涂覆工艺的漆膜进行氯化钠、洗洁剂、乙醇与红墨水4 种试液的耐液试验，设定温度为18 ℃，测量试验前和试验24 h后漆膜的L、a、b值，计算色差后进行耐液等级分析。如表10 所示，1～4#漆膜对不同试液耐液等级均相同，表明涂覆工艺不影响漆膜耐液等级。

表10 涂覆工艺对可逆变色漆膜耐液等级的影响 Tab.10 Effect of coating technologies on liquid resistance grade of reversible color-changing film

由上述正交试验结果得出，涂覆工艺中对漆膜色差影响最大的是底漆涂刷道数；对漆膜光泽度影响最大的是变色粉添加方式；涂覆工艺对漆膜附着力、抗冲击力与耐液等级均无影响。综合分析，对于感温可逆变色水性涂料首要考虑的性能为变色性能，施工工艺中的底漆涂刷道数是对漆膜综合性能影响最大的因素。

2.2 可逆变色水性漆膜工艺优化

如2.1 节所示，施工工艺中底漆涂刷道数是对漆膜综合性能影响最大的因素。因此，固定面漆涂刷道数，改变底漆涂刷道数，根据正交试验设计表11、配制表12的5～10#感温可逆变色水性涂料，分别按照1.2、1.3 中试验和表征测试方法进行涂覆工艺优化试验。

表11 涂覆工艺优化正交试验表 Tab.11 Coating process optimization orthogonal experiment table

表12 感温可逆变色水性涂料配比 Tab.12 Proportion of temperature-sensitive reversible colorchanging waterborne paint

图2 不同涂覆工艺的水性变色漆膜18 ℃至40 ℃时的色差变化Fig.2 Color difference of waterborne color-changing paint film with different coating processes at 18 ℃ to 40 ℃

如图2 所示，5～10#漆膜从18～30 ℃色差都在0.4～4.0，无明显变色现象；7#漆膜加热至32 ℃时颜色有显著变化，色差为61.6；而其他漆膜加热至32 ℃时色差介于1.0～14.6 之间，变色效果不如7#漆膜。因此，初步判断7#漆膜具有较好的变色效果。从表13 中可见，同种涂覆工艺的漆膜光泽度随着光线入射角度的增大而增大；在相同强度的入射光下，不同涂覆工艺的漆膜光泽度变化不大。

表13 涂覆工艺对可逆变色漆膜光泽度的影响 Tab.13 Effect of coating technologies on gloss of reversible color-changing film

图3 不同涂覆工艺的可逆变色漆膜SEM图Fig.3 SEM image of reversible color-changing film with different coating technologies

5～10#样漆膜附着力等级、抗冲击力以及对不同试剂的耐液等级均与1～4#样相同，因此涂覆工艺不影响漆膜附着力、抗冲击力以及耐液等级。对不同涂覆工艺的水性变色漆膜进行SEM分析，如图3 所示，不同涂覆工艺的漆膜均出现部分团聚，有明显颗粒存在，微观结构无显著差异。

当可逆变色漆膜温度升高时，发色剂甲基红受热释放电子（方程式1），显色剂双酚A接受电子（方程式2）发生颜色变化，由红色变为黄色。图4 为不同漆膜工艺的可逆变色水性漆膜红外光谱测试结果，其中 2 917、2 848 cm-1及1 446 cm-1为亚甲基吸收峰；1 600 cm-1附近为C＝C和N＝N的吸收峰；1 729 cm-1为羰基强而尖的特征峰，可能是醛或者酮[25]。不同漆膜涂覆工艺下，无峰的消失或出现，说明变色粉含量对水性涂料/杉木成分无影响。

图4 不同涂覆工艺的可逆变色漆膜红外光谱图Fig.4 Infrared spectrum of reversible color-changing film with different coating technologies

3 结论

底漆2 道、面漆2 道、变色粉于面漆中添加的漆膜具有较好的变色效果；在相同强度的入射光下，不同涂覆工艺的漆膜光泽度的变化无明显规律。涂覆工艺对漆膜附着力、抗冲击力及耐液等级无影响；不同涂覆工艺的漆膜微观结构无明显差异；不同涂覆工艺的漆膜成分无差别。综上所述，底漆2 道、面漆2 道、变色粉于面漆中添加的漆膜综合性能较佳，变色效果稳定、可持续，为优化组合涂覆工艺。