幼儿用环保型油画棒制备及性能测试

胡 媛，李宏飞

（1.陕西学前师范学院, 陕西 西安 710000；2.西北大学 化学与材料科学学院，陕西 西安 710127）

引 言

油画棒的主要成分为蜡、无机填料、色料和油组分，书画手感和效果极佳。自油画棒被引入国内后，快速成为了儿童主要书画工具。目前，市面上存在的油画棒主要为水性油画棒、纳米颜料油画棒和油性油画棒。陈湖雄[1]研制出一种油溶性油画棒，该油画棒的主要原料组分包括：白蜂蜡、石蜡、硬化油、白油、合成蜡、环保颜料和超细滑石粉等成分；牟连春[2]发明了一种性能更稳定的水溶性油画棒，其主要成分为：硬脂酸5～35 份，聚乙二醇4～15 份，平平加4～15 份，滑石粉50～80 份，颜料2～10 份，石蜡2～8份，己醇为4～7 份，邻苯二甲酸丁苄酯为1～2 份，三己酸甘油酯为5～6 份，季戊四醇为3～6 份，山梨醇为5～7 份，月桂酸为4～7 份，丙二醇为1～3 份；王莉[3]发明了一种含纳米颜料的油画棒，主要成分为基质46～60 份、纳米颜料色浆1.5～12.5 份、普通颜料1.5～12.5 份、填充料40～125 份、溶剂油30～55 份；以上学者的研究为油画棒的创新提供了数据基础，但主要颜料仍为无机颜料。无机颜料中含有的重金属元素会对孩子身体健康造成极大的影响。因此寻找一种更为安全健康的油画棒原料，成为当前美术绘画领域思考和研究的重点。针对该问题，李娟丽[4]提出用高分子材料替代无机矿物颜料，并以丙烯材料为例探讨了高分子油画棒的实用性；安晓龙[5]则首次提出用荧烷颜料替代无机颜料，并对其性能进行研究。本研究在以上学者的研究基础上，参考安晓龙的替代思路，用廉价和环保的LBC-25 颜料制备一种环保型的美术油画棒，并对其性能进行表征。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料为：乳化蜡（扬州天诗新材料科技有限公司，T.P.试剂）、棕榈油（湖北鑫润德化工有限公司，T.P.试剂）、代可可脂（山东腾望化工有限公司，T.P.试剂）、滑石粉（枣强县伟帅复合材料有限公司，AR）、草酸（济南运泽化工有限公司，AR）、硬脂酸（广州共信化工有限公司，AR）、白炭黑（河北健石新材料科技有限公司，AR）、LBC-25 染料（广东翁江化学试剂有限公司，98%）。

本试验主要仪器为：加热搅拌反应釜（安徽华蕊实验设备有限公司，HR-FYF-00）、三辊机（上海新勒机电科技有限公司，SS65）、差热扫描热分析仪（莱博特(天津)试验机有限公司，LBT-42）、电子天平（上海仪天科学仪器有限公司，JY2002）、电子强力机（温州际高检测仪器有限公司，YG026PC）、恒温恒湿箱（深圳市长旭机械设备有限公司，HW-225）。

1.2 试验步骤

（1）按配比将乳化蜡、代可可脂、棕榈油置于HR-FYF-00 型加热搅拌反应釜中，充分搅拌使原料混合均匀，反应温度和时间分别为95℃和155min。

（2）在反应釜中按配比加入LBC-25 染料、硬脂酸、白炭黑和滑石粉继续搅拌，此时反应温度和时间分别为95℃和23min；待熔融过程结束后，根据情况加入一定量草酸，混合均匀，得到液态混合料。

（3）用上海新勒机电科技有限公司生产的SS65型三辊机对液态混合物进行碾压，待液态混合料变为细微粒状半固态物即可。

（4）将碾压后产品继续置于HR-FYF-00 型加热搅拌反应釜熔融；熔融温度保持在70℃左右。待固态全部变为液态后即可注入模具冷却，得到产物。

1.3 性能测试

1.3.1 热学性质测试

用莱博特试验机有限公司生产的LBT-42 型差热扫描热分析仪分析样品热学性质。具体步骤为：

（1）用JY2002 型电子天平称取样品8g；设置差热扫描热分析仪流速为50mL/min，测试环境为N2。

（2）开始试验后，将温度由0℃缓慢提升至90℃，温度提升速率为2℃/min；温度达到90℃后，以同样的速率将温度降低至0℃。根据样品的热熔图，分析样品的热学性质。

（3）熔融热焓表示温度变化导致的热流量曲线与基线包围的面积；由曲线上的温度区间热量所得反映该美术油画棒的稳定性。熔融热焓越高，则该美术油画棒热稳定性能越好。

1.3.2 抗折载荷性能测试

用温州际高检测仪器有限公司生产的YG026PC 型电子强力机测定样品的抗折载荷性能。具体步骤为：

（1）提前将样品置于HW-225 型恒温恒湿箱内养护，养护温度和时间分别为37℃和1h。

（2）将养护后样品横放于电子强力机的两个支点上，控制支点间距离为40mm；保证样品受力点在电子强力机中间位置。

（3）打开电子强力机，在样品中央部位施加一定载荷。待样品折断后，停止加压，记录此时载荷强度。每组试验进行6 次，取其平均值为最终结果。

（4）抗折载荷为美术油画棒样品所能承受最大力，能承受的荷载越大，表示其力学性能越优异。

2 结果与讨论

2.1 乳化钠占脂钠总和比例对LBC-25 染料油画棒性能影响

表1 为乳化钠占脂钠总和比例的原料配合比。

表1 原材料配合比设计Table 1 The mix proportion design of raw materials

2.1.1 乳化钠占脂钠总和比例对LBC-25 染料油画棒热学性质的影响

图2 为乳化钠占脂钠总和比例的油画棒熔融热焓。由图2 可知，随着蜡脂比的增加，熔融热焓表现出震荡上升的趋势。出现该现象的原因是，在制备样品的过程中，在铝锅底铺平压实达不到理想值造成的。但随比例的增加，整体熔融热焓还是表现出上升趋势，比例超过40%时上升趋势逐渐变缓。这是因为乳化蜡含量的增加，导致LBC-25 染料油画棒材料体系晶型发生改变，稳定性增加，因此熔融热焓增长趋势逐渐变得缓慢[6]。故在制备美术油画棒时，应至少保证乳化蜡占蜡脂比总和的40%。

图2 乳化蜡占蜡脂总和比例对LBC-25 染料油画棒熔融热焓的影响Fig. 2 The effect of the proportion of emulsified wax to total wax grease on the melting enthalpy of LBC-25 dye oil painting stick

2.1.2 乳化钠占脂钠总和比例对LBC-25 染料油画棒抗折载荷性能的影响

图3 为乳化蜡占蜡脂总和比例对美术油画棒抗折载荷性能的影响。由图3 可知，随着乳化蜡占蜡脂总和比例的增加，抗折强度也随之增加。当乳化蜡占蜡脂总和比例超过40%时，抗折强度增长趋势逐渐变缓，说明乳化蜡占蜡脂总和比例为40%时，已经达到最高载荷的点。再次证明在制备该美术油画棒时，乳化蜡占蜡脂总和比例应该不小于40%。

图3 乳化蜡占蜡脂总和比例对LBC-25 染料美术油画棒抗折载荷性能的影响Fig. 3 The effect of the proportion of emulsified wax to total wax grease on the anti-bending load performance of LBC-25 dye oil painting stick

2.2 棕榈油占比对LBC-25 染料油画棒的影响

表2 不同棕榈油含量的原料配合比Table 2 The mix proportion of raw materials with different palm oil contents

2.2.1 棕榈油占比对LBC-25 染料油画棒的热学性质的影响

图4 为棕榈油占比对油画棒熔融热焓的影响。由图4 可知，随棕榈油所占比例的增加，LBC-25 染料油画棒的熔融热焓表现出三段式下降的趋势。当棕榈油占比为20%～30%时，出现平台期，其余时段皆表现为下降趋势。这是因为在制备过程中，当棕榈油占比为20%～30%时，LBC-25 染料油画棒整体体系晶型发生一定改变，整体性能更为稳定[7～8]。因此在制备过程中，选择棕榈油占比为20%～30%最佳。

图4 棕榈油占比对LBC-25 染料油画棒熔融热焓的影响Fig. 4 The effect of palm oil ratio on the melting enthalpy of LBC-25 dye oil painting stick

2.2.2 棕榈油占比对LBC-25 染料油画棒抗折载荷性能的影响

图5 为棕榈油占比对LBC-25 染料油画棒载荷抗折性能的影响。由图5 可知，随棕榈油的增加，油画棒载荷抗折性能逐渐减小。在棕榈油占比为5%～15%时，减小的趋势相对比较缓慢。这是因为棕榈油的增加，造成一定干湿比的失衡，使得力学性能变差[9～10]。因此从力学方面考虑，在制备LBC-25 染料油画棒时，棕榈油占比应该不超过15%。

图5 棕榈油占比对LBC-25 染料油画棒载荷抗折性能的影响Fig. 5 The effect of palm oil ratio on the anti-bending load performance of LBC-25 dye oil painting stick

2.3 滑石粉占比对LBC-25 染料油画棒性能的影响

表3 为不同滑石粉含量的原料配合比。

表3 不同滑石粉含量的原料配合比Table 3 The mix proportion of raw materials with different talc contents

2.3.1 滑石粉占比对油画棒熔融热焓影响

图6 为滑石粉占比对LBC-25 染料油画棒熔融热焓影响。由图6 可知，随滑石粉占比的增加，熔融热焓整体表现出下降趋势。在占比为15%～25%时出现平台期，此时熔融热焓几乎不再改变。这是因为加入15%～25%的滑石粉后，滑石粉在反应体系中充当晶核，对体系内部结晶器有一定促进作用，使其热性能变得更加稳定。当滑石粉占比超过25%后，滑石粉含量过多，反而限制了体系内大分子运动，影响结晶[11]。因此从油画棒热稳定考虑，制备LBC-25 染料油画棒时，滑石粉比例应该为15%～25%最佳。

图6 滑石粉占比对LBC-25 染料油画棒熔融热焓影响Fig. 6 The effect of talc proportion on the melting enthalpy of LBC-25 dye oil painting stick

2.3.2 滑石粉占比对LBC-25 染料油画棒抗折载荷性能的影响

图7 为滑石粉占比对LBC-25 染料油画棒抗折载荷性能影响。由图7 可知，随滑石粉占比的增加，LBC-25 染料油画棒抗折性能整体表现出震荡上升的趋势，但上升程度不高。在滑石粉占比25%、40%和50%时，力学性能出现稍微下降的趋势，这是因为滑石粉在体系分布不均导致的[12～14]。综合滑石粉占比对熔融热焓的影响，滑石粉占比20%为最佳选择。

图7 滑石粉占比对LBC-25 染料油画棒抗折载荷性能影响Fig. 7 The effect of talc proportion on the anti-bending load performance of LBC-25 dye oil painting stick

3 结 论

本文以滑石粉、棕榈油、LBC-25 染料等为主要原材料，制备用于幼儿的环保型美术油画棒，得出以下结论：

（1）随乳化蜡占蜡脂总和比例的增加，LBC-25染料油画棒的熔融热焓和抗折载荷皆表现出上升趋势。当乳化蜡占蜡脂总和比例为40%时，油画棒熔融热焓和抗折载荷上升趋势皆变得缓慢。因此可推算，当乳化蜡占蜡脂总和比例40%是制备LBC-25 染料油画棒的最佳选择。

（2）随棕榈油占比的增加，美术油画棒的熔融热焓和抗折载荷皆表现为下降趋势。当棕榈油占比在20%～30%时，油画棒熔融热焓出现平台期，热学性能较为稳定。但棕榈油占比超过15%时，干湿比失衡，力学性能差。综合考虑，制备LBC-25 染料油画棒时，选择棕榈油占比为15%。

（3）滑石粉占比对油画棒熔融热焓影响较大，对抗折载荷性能影响较小。随滑石粉占比的增加，熔融热焓出现下降趋势。在滑石粉占比为15%～25%时出现平台期，热学性能稳定。滑石粉占比过多会导致滑石粉分布不均，对滑石粉性能产生影响。因此建议制备LBC-25 染料油画棒时，滑石粉占比为20%。

综上所述，制备LBC-25 染料油画棒最佳配比为：蜡脂比40%，棕榈油占比15%，滑石粉占比20%。