黑色高光生漆涂料的制備工藝及性能研究

李暉 洪克儉 王霄 楊柳 楊志斌

摘要：為了研究黑色高光生漆涂料的各項(xiàng)性能，本試驗(yàn)選取5個(gè)產(chǎn)地天然生漆與調(diào)制黑料按不同比例混合和調(diào)制，以搭配比例、干燥溫度與濕度為變量，對(duì)生漆涂料的干燥時(shí)間、物理機(jī)械性能、耐溫及耐化學(xué)腐蝕性能進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)正交優(yōu)化和多因素方差分析，各因素的影響程度為濕度≥溫度≥含量≥搭配比例，在1 kg含量為71%的生漆搭配50%的黑料和202的助劑，調(diào)制出的黑色高光生漆涂料在溫度為25 ℃、濕度85%時(shí)干燥時(shí)間最短為226 h。與傳統(tǒng)推光漆的性能進(jìn)行比較，干燥時(shí)間變短，性能更加優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：高光生漆；搭配比例；干燥溫度；濕度；性能；制備工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ633；S789.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-3020（2014）04-0021-05

生漆是一種古老的天然優(yōu)質(zhì)涂料，素有“涂料之王”之稱(chēng)。它是從漆樹(shù)韌皮部割口流出的乳白色乳狀液體，由于生漆的特殊化學(xué)組成，它既可在室溫條件下自然氧化干燥成膜，又可在高溫條件下（100 ℃以上）烘干成膜＼[1＼]。當(dāng)接觸空氣后迅速氧化，表面逐漸由淺入深變?yōu)闇\紅色、紅棕色、淺褐色、褐色乃至黑色，數(shù)小時(shí)后凝結(jié)成一層黑亮而有彈性的漆膜＼[2＼]。生漆的漆膜具有極強(qiáng)的抗腐蝕能力，能抵抗強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及大多數(shù)有機(jī)溶劑的腐蝕＼[3＼]。

生漆在我國(guó)已有7 000多年的使用歷史，有涂料“始祖”的稱(chēng)謂，對(duì)我國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化生活曾產(chǎn)生過(guò)重要影響，是繼四大發(fā)明之后的重大發(fā)現(xiàn)。但生漆干燥時(shí)間長(zhǎng)，為方便使用，提高其裝飾性能和其它理化綜合性能，人們采取諸多方法來(lái)改性、復(fù)合制成了不同性能的生漆涂料。

黑色高光生漆涂料具有烏黑錠亮、堅(jiān)韌耐磨和優(yōu)良耐久性等性能，歷來(lái)受到青睞和贊賞＼[4-5＼]。目前主要產(chǎn)品為黑色推光漆，它保留了天然生漆的優(yōu)點(diǎn)，但因黏度大不易施工等問(wèn)題＼[6＼]，在其應(yīng)用范圍受到很大的局限，為降低黏度，需用有機(jī)溶劑對(duì)其進(jìn)行稀釋?zhuān)瑫?huì)造成污染，背離了天然無(wú)害的原則。因此，開(kāi)展天然無(wú)害，施工方便且性能優(yōu)良的黑色高光生漆研究十分必要。

本研究對(duì)象為黑色高光生漆涂料制備工藝，由于各季節(jié)生漆涂料凝結(jié)為黑色漆膜的溫度及其環(huán)境條件存在差異，對(duì)黑色生漆涂料的制備造成一定的影響，故系統(tǒng)研究各氣候條件下黑色生漆涂料制備工藝，對(duì)生產(chǎn)加工實(shí)際具有廣泛的指導(dǎo)意義。本研究采用天然生漆與鉬的氫氧化物按照一定的比例混合用特殊的方法熬制成黑料，然后再將天然生漆與黑料按照特定的比例混合分散均勻而制得，該種工藝技術(shù)降低了常規(guī)涂層厚度，節(jié)約了成本，提高了涂裝效率。通過(guò)對(duì)生漆與鉬的氫氧化物、生漆與黑料的配比，以及各工藝參數(shù)的研究首創(chuàng)性研制出具有高光性能的黑色生漆涂料。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用生漆來(lái)源于湖北恩施市、利川市、陜西省平利縣和貴州省金沙縣，采割時(shí)間均為2013年8月，存放時(shí)間為6個(gè)月，預(yù)處理統(tǒng)一采用過(guò)濾操作，去除生漆采割過(guò)程中的雜質(zhì)殘?jiān)?/p>

1.2輔助材料

輔料均采用工業(yè)級(jí)Span-80分散劑、潤(rùn)濕劑、防沉劑、200目石英粉以及濃縮動(dòng)物苦膽汁。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備

反應(yīng)釜、調(diào)漆釜、涂-4杯粘度儀、天平、溫度計(jì)、調(diào)溫調(diào)濕箱、漆膜干燥自動(dòng)記錄儀、硬度儀、漆膜附著力測(cè)定儀。

1.4制備

1.4.1黑料的制備

將經(jīng)過(guò)濾的天然生漆投入反應(yīng)釜中，按投入天然生漆重量的2%加入已購(gòu)置的鉬的氫氧化物成品，開(kāi)啟加熱、攪拌、抽氣裝置，將溫度控制在110～130 ℃之間。本次試驗(yàn)的黑料制備主要為鉬的氫氧化物與生漆物理混合，對(duì)于兩者發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)不作為主要考察因素。由于天然生漆受品種、季節(jié)、地點(diǎn)等諸多因素影響，水分含量差異較大，因此其加熱的時(shí)間也不相同，一般以漆料完全變黑，粘度為400 Pa·s，立即停止加熱，降溫至60 ℃，趁熱出釜備用，即完成黑料制備。

1.4.2面漆的制備

將黑料與過(guò)濾后的天然生漆按重量比分別設(shè)定為10%，30%，50%，60%，70%幾個(gè)比例進(jìn)行混合、攪拌和調(diào)制，然后分別加入混合漆料重量的02% Span80分散劑，2%的濃縮動(dòng)物苦膽汁，攪拌分散均勻制成漆膜，經(jīng)過(guò)漆膜檢測(cè)，進(jìn)行正交試驗(yàn)獲得面漆最佳配比方案。漆膜的干燥時(shí)間是一個(gè)復(fù)雜連續(xù)緩慢的物理化學(xué)過(guò)程，要經(jīng)過(guò)從流體、黏彈體、固體幾個(gè)階段。干燥時(shí)間的長(zhǎng)短可直接反映調(diào)制時(shí)黑料及相關(guān)助劑與生漆搭配比例合理與否；漆膜的干燥狀態(tài)對(duì)于漆膜的機(jī)械性能和物理性能也可產(chǎn)生直接明顯影響。為此，以A，B，C，D，E這5種不同含漆量的生漆進(jìn)行不同搭配比例、溫度、濕度的調(diào)配，在助劑比例相同條件下最終制得面漆原料的編號(hào)如下表。

1.4.3底漆的制備

在前述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，取一定量制備好的面漆，加入漆料重量的3%的潤(rùn)濕劑，2%的防沉劑，25%的200目石英粉，攪拌分散均勻即成底漆。

2漆膜性能測(cè)試方法

2.1漆膜干燥時(shí)間及物理機(jī)械性能測(cè)試

高光黑色生漆涂料以75 μm的厚度涂膜于玻璃板和馬口鐵片上，確保漆膜干燥環(huán)境無(wú)灰塵，分別以溫度25 ℃、濕度50%和溫度30 ℃、濕度為80%為干燥時(shí)間測(cè)試的外界環(huán)境，對(duì)本試驗(yàn)中各工藝條件下的黑色高光天然生漆涂料成品以及天然生漆原料進(jìn)行測(cè)試。涂膜的干燥時(shí)間按涂料GB1728-1979進(jìn)行測(cè)試記錄，試樣自然干燥后，分別按涂料標(biāo)準(zhǔn)GB1727-1992、GB/T1720-1979、GB/T1731-1993、GB/T 1732-1993、GB/T6739-1996分別進(jìn)行附著力、柔韌性、抗沖擊強(qiáng)度、硬度測(cè)試進(jìn)行測(cè)試。

2.2漆膜耐熱性能測(cè)試

本試驗(yàn)漆膜調(diào)制過(guò)程中加入了金屬鉬，含鉬的生漆涂料具有很好的耐熱性能，為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)選擇了部分樣本與混合生漆、傳統(tǒng)推光漆進(jìn)行了耐熱對(duì)比試驗(yàn)。參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T1735-2009。

2.3漆膜化學(xué)性能測(cè)試

合格的生漆漆膜具有良好的化學(xué)性能，為考察本試驗(yàn)所配制的各種生漆涂料，對(duì)其進(jìn)行耐水、耐油、耐鹽霧以及二氧化硫腐蝕等方面的測(cè)試。參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T1733-1993、GB/T1734-1993、GB/T1771-2003、GB/T19789-2008。

3結(jié)果與分析

3.1漆膜干燥時(shí)間及物理性能測(cè)試結(jié)果

天然生漆是W/O型的乳液，具有兩相結(jié)構(gòu)，漆酚是生漆中的主要成膜物質(zhì)，它是側(cè)鏈基為飽和與不飽和直鏈的鄰苯二酚系列衍生物的混合物＼[4-5＼]，其不飽和側(cè)鏈可氧化聚合成聚合漆酚，兩個(gè)鄰酚羥基可與金屬離子絡(luò)合。由于鉬離子與漆酚反應(yīng)生成黑色的漆酚鉬，經(jīng)涂刷展開(kāi)后進(jìn)一步聚合成穩(wěn)定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的致密漆膜。生漆干燥成膜主要有兩種方式：一是在常溫條件下自然干燥成膜，又稱(chēng)氧化聚合成膜，該過(guò)程中漆酶起到重要的催化作用＼[6＼]。二是在高溫條件下成膜（100 ℃），又稱(chēng)縮合聚合成膜＼[7＼]。本試驗(yàn)中漆膜干燥時(shí)間是在不同溫條件不同調(diào)配方案下干燥測(cè)得的，屬于氧化聚合成膜方式，漆膜的干燥主要由漆酚鉬漆酚、漆酶、水分、樹(shù)膠等成分參與反應(yīng)，個(gè)調(diào)制組分的相對(duì)變化及干燥環(huán)境的變化，漆膜干燥時(shí)間也發(fā)生變化。為便于測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)選擇了漆膜實(shí)干時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)選擇最佳方案，以時(shí)間最短者作為最佳值。此外，生漆干燥后所表現(xiàn)出來(lái)的使用質(zhì)量通過(guò)漆膜的性能諸如光澤、質(zhì)感、附著力、干燥速度、沖擊強(qiáng)度、硬度等來(lái)體現(xiàn)，因此漆膜的物理機(jī)械性能也是衡量生漆品質(zhì)的重要指標(biāo)，具體測(cè)試結(jié)果如下表。

3.1.1各相關(guān)因素對(duì)漆膜干燥時(shí)間的影響

漆膜在成型過(guò)程中干燥時(shí)間越短，說(shuō)明漆膜的干燥速度越快，結(jié)合表2的試驗(yàn)條件對(duì)表3的直觀分析，可以看出在因素為含漆量71%、黑料搭配比例50%、溫度25 ℃、濕度85%時(shí)漆膜的干燥時(shí)間最短。因此，本實(shí)驗(yàn)在1 kg含量為71%的生漆搭配，50%的黑料和202的助劑在溫度為25 ℃濕度85%最有利于漆膜干燥[8-10]。

以生漆的含漆量、搭配比例、溫度以及濕度為變量進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用SSPS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得方差分析表，如下。

從表4可以看出：各因素對(duì)干燥時(shí)間的影響程度為：濕度≥溫度≥助劑≥含量≥搭配比例，其中濕度、溫度對(duì)漆膜干燥時(shí)間影響顯著，含漆量與搭配比例的影響未能達(dá)到顯著水平。這說(shuō)明在漆膜干燥過(guò)程中環(huán)境的濕度和溫度起到較為重要的作用，在實(shí)際使用過(guò)程中隨著環(huán)境濕度的增加，生漆成膜速度加快，干燥時(shí)間變短。

3.1.2物理機(jī)械性能測(cè)試分析

漆膜的附著力是指涂層與表面基材之間或涂層之間通過(guò)物理與化學(xué)作用牢固聯(lián)接的能力，附著力值越低表示漆膜越牢固，由上表可知在含漆量71%、搭配比例50%、溫度25 ℃、濕度65%時(shí)漆膜附著力最好。

本試驗(yàn)所得柔韌性數(shù)值為不引起漆膜破壞的棒軸最小直徑，柔韌性越好棒軸的直徑越大，綜合考察漆膜物理機(jī)械性能在柔韌性適中時(shí)較為滿(mǎn)足使用需求。

漆膜的抗沖擊強(qiáng)度是指涂于基材上的涂膜在經(jīng)受高速率的重力作用下可能發(fā)生變形但漆膜不出現(xiàn)以及重基材上脫落的能力，表3所得測(cè)定值最大值為50 kg·cm，其對(duì)應(yīng)的生漆配制因素為含漆量71%、搭配比例50%、溫度25 ℃、濕度65%和含漆量77%、搭配比例70%、溫度35 ℃、濕度85%。

漆膜的硬度指漆膜對(duì)于外來(lái)物體侵入其表面時(shí)所具有的阻力，受漆膜干燥程度影響，本次試驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間選擇在漆膜完全干燥后進(jìn)行，以此來(lái)排除該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)測(cè)得漆膜硬度最高的為8 H。漆膜硬度為生漆品質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一，但并非漆膜硬度越高越好還要綜合考慮其他評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合評(píng)判生漆涂料的質(zhì)量。

漆膜的物理機(jī)械性能的優(yōu)劣是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，主要影響因素是生漆的含量、黑料搭配比例，由表3中所測(cè)得各項(xiàng)物理機(jī)械性能值可以看出當(dāng)生漆含量為71%時(shí)，黑料搭配比例為50%～60%，助劑202%干燥條件溫度25 ℃，濕度85%，漆膜物理機(jī)械性能最佳。

3.2漆膜的耐熱性能測(cè)試結(jié)果

選取含漆量為70%的天然生漆作為對(duì)比試樣1，再?gòu)闹幸徊糠植捎脗鹘y(tǒng)大漆熬制法以4：6的混合比例制取傳統(tǒng)推光漆，以上兩種生漆涂料不含金屬鉬。

對(duì)試驗(yàn)制得黑色高光生漆試樣與天然生漆以及傳統(tǒng)推光漆進(jìn)行耐熱性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5結(jié)果可知：作為對(duì)比材料的兩組生漆漆膜在300℃時(shí)就已受損，不可使用。與天然生漆、傳統(tǒng)推光漆相比添加鉬化物配制的生漆試樣具有更好的耐熱性能，在300 ℃以下，漆膜完全不受影響，在400 ℃時(shí)少量試樣出現(xiàn)邊沿起小泡的現(xiàn)象，隨著溫度的升高，漆膜的受損程度增加，少數(shù)試樣在溫度達(dá)到600 ℃時(shí)仍能保持光滑，總體看來(lái)本試驗(yàn)配制漆最高耐溫可達(dá)500 ℃以上。