大果紫檀抽提物改性的水性漆对桉木表面涂饰性能的影响

韦柳明，张卿硕，黄成禹，余春和，孙 静

(1.广西大学 林学院，广西 南宁 530000；2.广西壮族自治区国有雅长林场，广西 百色 533000)

自明清以来，红木因其特殊的材质、纹理、色泽以及稀有度，一直作为高档家具用材，是中国明清时期家具文化的重要载体[1]。红木木材表面带有深红色条纹，其抽提物色泽为红色，并具有耐腐性、抗辐射和抑菌等作用[2-5]。木材主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，内含物中有单宁、树脂、蛋白质等[6]。不同树种的内含物稍有不同，用乙醚、乙醇、苯和水等对木材进行抽提所得的内含物称为木材抽提物[7]。

从河姆渡时期至今，我国涂漆工艺有着超过了7 000 a历史[8]。如今，漆饰装修行业也是人们家居生活中无法离开的一部分。随着人们日益关注涂漆中色素颜料是否环保，因此环保涂料受到了人们的重视[9]。水性漆是以水作为溶剂，具有调配简单、无毒、环保等优点[10-11]。相比于油性漆,它减少了有机溶剂的使用量,进而减少了漆中易挥发的有机物质,故称为绿色环保涂料[12-14]。色泽和物理性能是水性漆的重要评价标准。闫小星等[15]以杉木板为基材，木器水性底漆为漆基，添加变色油墨制成感温可逆变色水性涂料。他对漆膜的理化性质进行测试，结果表明添加变色油墨的木器水性漆仍能保持漆膜的原有理化性能，例如附着力、抗冲击力、耐液性等。朱晓冬等[16]将温敏变色粉添加到木质家具涂料中，其附着力和光泽度并未产生显著性变化，并表现出较强的色牢度。

以桉木为基材，大果紫檀心材抽提物为研究对象，水性漆为主要溶剂，对木材漆膜的附着力、抗冲击性、硬度和色差等理化性质和甲醛挥发量进行测定，并对其性能进行分析和综合评价。本研究对含有大果紫檀心材抽提物的水性漆进行木材表面涂饰性能研究，考察了涂饰材表面的仿珍贵红木效果和各项理化性能。通过在水性漆中添加大果紫檀心材抽提物，使其不影响水性漆原有理化性能和甲醛挥发量的前提下，提高木制品的色泽和美感。不仅能够提高桉木的附加价值，而且为改良水性漆提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

购于广西省南宁市的大果紫檀(Pterocarpusmacrocarpus)，经广西大学林学院林产品质量检测中心鉴定为大果紫檀心材。百家涂透明水性木器漆，昆山优利涂料有限公司；桉木(Eucalyptusrobusta)板，20 mm(厚)× 100 mm(宽)× 100 mm(长)购于广西省凭祥市；无水乙醇，成都市科隆化学品有限公司。

1.2 仪器与设备

WS-265宽带砂光机，广州福瑞德机械制造有限公司；QCJ-40抗冲器，上海市精科材料试验工厂；ADCI-60C全自动测色色差计，北京辰泰克仪器技术有限公司；QFH-A漆膜附着力十字交叉测定器，天津市精科材料试验工厂；BSA224S-CW电子天平，广州赛多利斯仪器有限公司；QHQ-T3铅笔硬度仪，上海市科器高新技术公司。

1.3 大果紫檀心材抽提物制备

大果紫檀心材刨花粉碎，过60目筛，将其放置干燥箱中60℃烘干，选取100%乙醇作为溶剂，料液质量比1∶30，转速300 r·min-1，提取时间4 h，经减压蒸发得染料的浓缩液。

1.4 桉木板涂饰正交试验

以砂带目数、抽提液质量分数、漆涂布量、涂饰次数作为考察因素，采用4因素3水平设计正交试验，详细正交试验设计L9(34)见表1。将20 mm(厚)× 100 mm(宽)× 100 mm(长)的木材试样经过刨削砂光处理后，再分别用360、800、1 000目砂带进行打磨，得到表面粗糙度不同的3种试样，每个3块(表2)。根据试验设计，涂刷对应的水性漆，每涂刷1遍，待其自然干燥2 h后，再进行下一次涂刷，全部试样涂饰完毕并干燥后，对其漆膜进行理化性能测试。

表1 正交试验的因素与水平

1.5 木材表面色差测试

选择国际照明委员会推荐的CIE(L*a*b*)标准色度学表色系统来进行材色参数测定[17]。每个试样表面取3不同位置的点进行试验，记录测试得的L*、a*、b*，每个试样取均值作为测试数据，计算公式如下:

ΔE=(ΔL*2+Δa*2+Δb*2)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，L*：表示颜色的明亮度；a*：绿红轴色品指数，负值表示绿色，正值表示红色；b*：蓝黄轴色品指数，负值表示蓝色，正值表示黄色；ΔL*：表示涂饰前后试样的明亮度差；Δa*：表示涂饰前后试样的绿红轴色品指数差；Δb*：表示涂饰前后试样的蓝黄轴色品指数差；ΔE*：表示涂饰前后试样的总体色差；n：代表测量次数。

表2 水性漆染料正交试验

1.6 木材表面附着力测试

参照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》,使用附着力测试仪(刀齿间距2 mm,漆膜厚度120 μm)，测试对照组和测试组试样附着力等级。

1.7 木材表面硬度测试

参照GB/T6739-2006《涂膜硬度铅笔测定法》,使用便携式铅笔划痕试验仪测试对照组和测试组试样的漆膜铅笔硬度并确定等级。

1.8 木材表面抗冲击测试

参照GB/T4893.9-2013《家具表面漆膜抗冲击测定法》，使用抗冲器测试对照组和测试组试样的表面抗冲击性能并确定等级。

1.9 木材表面甲醛释放量测试

参照GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能实验方法》，使用干燥器法测试对照组和测试组试样的甲醛释放量。

2 结果与分析

2.1 木材表面色差结果分析

2.1.1 试验因子对试样变色前后色差的影响 根据表3得出，各个试样的色差变化值较大，色差最高值为48.54。如图1，研究结果表明，桉木板涂饰共混大果紫檀心材抽提物色素的水性木器漆色差值变化明显。根据正交试验设计表对桉木进行涂饰，不同试验因素和水平时试样涂饰前后色差的试验结果(表3)。由表3可知，经不同砂带目数处理过的桉木板色差值先升高后降低，800目砂带处理过的木板色差值最大，其色差值为41.65。由于表面的粗糙程度会影响亮度值，当表面平滑反射出的光线较多，表面光亮。但粗糙度高，光线垂直反射较少，相反漫反射较多，故表面亮度值下降。经过800目砂带打磨4、5、6号木板后的红绿轴色品指数均较高，涂饰后桉木板材色趋向红黄色(图2)。本研究砂带最佳目数为800目。

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

表3 色差均值响应

在染液质量分数为10%时，试样前后的色差值达到最大，其值为48.54。染液质量分数为5%时，色差值为41.15。当染液质量分数为1%时，它的色差值最小，其值为30.41。综合分析可得，染液质量分数从1%到5%时，试样前后色差值上升10.74。染液质量分数从5%到10%时，试样前后色差值上升7.39。本研究最佳染液质量分数为10%。

漆涂布量从3～6 mL时，色差值变化了2.02。当从6～9 mL时，色差值增加了8.27。随着桉木板涂饰布量的增加，色差值随之变高。3、6、9号试样的涂布量为6 mL时，色差值分别为61.77、46.76、37.08，且6号试样的红绿轴色品指数值最高。故涂饰效果良好，木材表面颜色趋向红色。本研究漆涂布量的最佳值为9 mL。

随着涂饰次数的增加，试样前后色差值也逐渐增大，其值分别为33.16、40.74、46.19。涂饰3次时，试样前后色差最大，其次为涂饰2次，最小为涂饰1次(图2)。本研究确定最佳涂饰次数为3次。根据正交试验设计表对桉木进行涂饰试验，测量涂饰前后色差，试验结果见表3。各因素影响桉木板色差值的主次顺序为抽提液质量分数>涂饰次数>漆涂布量>砂纸目数。最佳涂饰条件为：抽提液质量分数10%，涂饰次数3，漆涂布量9 mL，砂纸目数800目。

图2 漆膜色彩指数变化

2.1.2 木材表面色差试验结果的方差分析 色差试验的方差分析表明，在显著性水平a=0.05下，试验因子染液质量分数、涂饰次数、漆涂布量、砂带目数对桉木板试样前后色差的影响显著，且F值可得染液质量分数最为显著，其次是涂饰次数和漆涂布量，最后是砂纸目数(表4)。

表4 试验结果的方差分析

2.1.3 验证试验 根据正交试验设计所确定出的最佳工艺，即抽提液质量分数10%、涂饰次数3、漆涂布量9 mL、砂纸目数800目制备桉木试样。不同试验因子和水平下试样总色差试验结果见表5。最佳工艺参数所做验证试验的桉木板前后色差值为66.81±0.60，大于其他试验所得的桉木板前后色差。故该结果表明本试验所确定的最佳制备工艺是可靠的。

表5 涂饰前后色差测定结果

2.2 木材表面附着力的结果分析

漆膜附着力是漆膜性能的内在理化性能，它是指人为通过物理和化学作用，使涂料与木料基材表面之间结合起来的牢固程度[18]。附着力测定结果表明，未添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂饰桉木板，9个样品漆膜无明显变化，仅在切割交叉边缘有少量脱落。根据国家标准GB/T 4893.4-2013测定附着力评定等级均为1级。添加大果紫檀心材抽提物后的木器漆涂饰桉木板后，9个试样的附着力结果保持原有理化性能。该结果说明大果紫檀心材抽提物和水性漆溶合较好，不影响漆膜原始附着力，可保持水性漆原有的理化性能。附着力测定结果见表6。

表6 漆膜附着力测定结果

2.3 木材表面硬度的结果分析

铅笔硬度指标常用于评价漆膜承受尖锐物件刮擦的能力。根据GB/T6739-2006《涂膜硬度铅笔测定法》，以桉木作为基材，未添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂饰的9块桉木板试样，漆膜硬度均达2H以上，最佳测试值为6H。添加大果紫檀心材抽提物的木器漆涂饰的9块桉木板试样，漆膜硬度均达3H以上，最佳测试值为6H。硬度测试结果表明添加大果紫檀心材抽提物的漆膜，其硬度测定结果与空白组相比没有明显变化。漆膜硬度测定结果见表7。

表7 漆膜硬度测定结果

2.4 木材表面抗冲击的结果分析

抗冲击是家具木制件的漆膜涂层表面理化性能检测项目之一,检测时不考虑材质属性采用统一标准GB/T4893.9-2013《家具表面漆膜抗冲击测定法》。通过抗冲击性的测定，所有试样受到冲击后均留下不同程度的印痕，但漆膜表面无裂痕或环裂现象，评定等级为1。该结果说明添加大果紫檀心材抽提物的水性漆不会降低漆膜的抗冲击性，测定结果见表8。

表8 漆膜抗冲击性测定结果

2.5 木材表面甲醛释放量检测结果

参照GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能实验方法》，根据甲醛释放量检测结果表明，添加大果紫檀心材抽提物的水性漆甲醛释放量未发生明显变化。研究结果表明，大果紫檀心材抽提物不仅能丰富试样的色彩，还能继续保持其环保、无毒无害的特点(表9)。

表9 漆膜甲醛释放量检测结果

3 结论与讨论

大果紫檀心材抽提物水性木器漆涂饰的9个试样的色差变化值较大，涂饰前后色差最高值为61.77±0.83。结果表明，桉木板涂饰共混大果紫檀心材抽提物色素的水性木器漆色差变化明显。桉木表面的粗糙程度影响亮度值，表面光滑使得光线反射较多。但随着表面粗糙程度的增加，光线的漫反射较多，表面亮度值下降。经不同砂带目数处理后的桉木板前后色差值先升增加后降低，800目砂带处理后的木板色差值最高。从方差结果可得，染液质量分数为显著因素，即染液质量分数是影响色差值的重要因素。随着染液质量分数的增加，色差值的变化也相应越大。当染液质量分数为10%时，漆膜前后色差最大。随漆膜涂布量的增加，其厚度愈厚，颜色可形成叠加效果，使得漆面的前后色差有明显变化。当漆涂布量为9 mL时，颜色叠加效果最明显，前后色差值最大。随着涂饰次数的增加，色素颜色的效果进行了再次叠加。随着涂布次数的增加，色差值随之增加。当涂饰次数为3时，色差值变化明显。

大果紫檀心材抽提物的水性木器漆对桉木板样品具有较好的涂饰效果，说明水性木器漆和大果紫檀心材抽提物中的色素溶合较好。各因素影响桉木板色差值的主次顺序为抽提液质量分数>涂饰次数>漆涂布量>砂纸目数。最佳涂饰条件为抽提液质量分数10%，涂饰次数3，漆涂布量9 mL，砂纸目数800目。

大果紫檀抽提物和水性漆共混后漆膜附着力、铅笔硬度、抗冲击性等性能均无变化，漆膜硬度有略微提高。对共混后漆膜结果分析可得大果紫檀抽提物和水性漆较好结合，同时保持漆膜本身的理化性质。涂饰后漆膜甲醛释放量空白组与测试组均为0.02 mg/mL，说明大果紫檀心材抽提物色素不会增加漆膜甲醛的挥发量。大果紫檀心材抽提物共混水性木器漆不仅能趋近大果紫檀心材的颜色，而且能够保持漆膜的各项理化性能。