涂覆工藝對添加變色粉水性涂膜性能的影響*

閆小星 常意娟 包文斯

（南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，南京 210037）

表面涂飾工藝不僅可以保護基材表面，還可達到色澤美觀的目的[1-2]。感溫可逆變色粉是微膠囊化的可逆感溫變色物質(zhì)，當溫度變化時，有機物成分發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)變色效果[3-4]。Houska等人[5]使用反應(yīng)磁控濺射法制備VO2基熱致變色涂層，結(jié)合四種方法提高涂層性能，對智能窗用高性能耐用溫致變色VO2基熱致變色涂層，結(jié)合四種涂層的設(shè)計和低溫制備具有重要意義。朱文凱等[6]介紹了改性大漆及大漆的涂飾工藝。崔蒙蒙等[7]采用蠟、溶劑型漆與水性漆對硬木家具進行托蠟處理，發(fā)現(xiàn)溶劑型和水性漆托蠟材的耐光性好于傳統(tǒng)燙蠟材。Geng等[8]設(shè)計并制備了具有優(yōu)良蓄熱釋放性能以及良好穩(wěn)定性的可逆熱致變色微膠囊相變材料，并將其應(yīng)用于消防服生產(chǎn)制造，從而實現(xiàn)在各種火災(zāi)環(huán)境下為消防員提供足夠的防熱保護。綜上所述，變色產(chǎn)品在建筑、服裝、大規(guī)模定制及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用已非常廣泛[9]，但是針對木器表面水性涂層變色材料研究較少，且對水性涂料的變色效果尚不明確。

目前木器水性涂料因環(huán)保而廣受喜愛，有著長遠的發(fā)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樹脂成分相容性較差[12]，導(dǎo)致漆膜在硬度[13]、耐磨性[14]、附著力[15]等方面性能不如油漆，因此實際應(yīng)用對木器水性涂料要求更高[16-17]。筆者在前期工作中研究了添加變色油墨涂料的最佳涂覆工藝，變色粉可以作為一種涂料改性劑添加進水性涂料，本文以水性變色涂膜為基礎(chǔ)，探究添加變色粉的可逆變色水性涂料在杉木表面的最佳涂覆工藝，以使漆膜具有理想的綜合性能，為企業(yè)開發(fā)應(yīng)用變色涂膜提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

變色粉：來自深圳市幻彩變色科技公司，顆粒直徑為3 μm左右，呈微膠囊形態(tài)，主要成分為甲基紅（C15H15N3O2，發(fā)色劑）、雙酚A（C15H16O2，顯色劑）和三聚氰胺（微膠囊壁材，包覆甲基紅和雙酚A成微膠囊），31 ℃下由紅色變黃色。多樂士木器水性面漆由多樂士涂料有限公司提供，固體含量30.0 % 左右：主要包含水性丙烯酸共聚物分散體（含量90.0%），消光劑（含量2.0%），添加劑（含量2.0%）和水（含量6.0%）。

杉木[Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.]板材：經(jīng)過普通機械砂光，規(guī)格為100 mm×100 mm× 12 mm（長度×寬度×厚度），由汕頭市宜華生活科技有限公司提供。

1.2 試驗方法

表1 涂覆工藝正交試驗設(shè)計方案 Tab.1 Orthogonal experiment schedule of coating process

預(yù)試驗結(jié)果表明：變色粉含量為5.0%時，杉木表面水性底漆和面漆漆膜綜合性能最佳?；诖耍瑢ν扛补に囘M行正交試驗設(shè)計，見表1，配制1～4#水性涂料如表2；將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，每個步驟操作完成后，等待30 min左右直至表面干燥，再將樣品移至35 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱進行干燥處理，當樣本質(zhì)量不變時拿出冷卻至室溫；隨后用砂紙輕輕打磨、干布除去浮粉后進入下一道工序。

表2 涂覆工藝正交試驗漆膜配料表 Tab.2 Coating process orthogonal experiment paint film ingredients list

1.3 測試與表征

寒冬時室內(nèi)溫度在18 ℃左右，而夏季則在40 ℃左右。因此，試驗以2 ℃為一梯度，采用SEGT-J便攜式色差儀測量漆膜18～40 ℃的顏色值，并依據(jù)公式（1）和（2）計算色差。

式中，L代表亮度，正值表示涂層表面明亮，負值則表示涂層表面變黑；a表示紅綠色，正值為紅色，負值為綠色；b表示黃藍色，正值為黃色，負值為藍色。對應(yīng)ΔL、Δa和Δb分別代表明度差、紅綠色差和黃藍色差。L1、a1、b1代表的是18 ℃下的亮度、紅綠色、黃藍色值，L2、a2、b2代表的是其他溫度下的值。

表3 試驗測試設(shè)備 Tab.3 Experimental test equipment

測試漆膜耐液性能時，根據(jù)《家具耐液性檢測常用試液表》[18]選取15%質(zhì)量分數(shù)的氯化鈉、70%醫(yī)用乙醇、含25%脂肪醇環(huán)氧乙烷與含75%水的白貓洗潔精以及市售紅墨水。其余水性漆膜性能[19]，如光澤度、色差、附著力以及抗沖擊力，及對應(yīng)測試標準、測試設(shè)備見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗分析

圖1 不同涂覆工藝的水性漆膜18 ℃至40 ℃ 時的色差變化Fig.1 Color difference of waterborne paint film with different coating processes from 18 ℃ to 40 ℃

表4 不同涂覆工藝的變色漆膜18 ℃ 與32 ℃ 色差變化正交試驗結(jié)果 Tab.4 Orthogonal test results of color difference of 18 ℃ and 32 ℃ for color-changing paint films of different coating processes

表5 漆膜色差的極差 Tab.5 Range of the color difference of coating

表6 色差顯著性分析 Tab.6 Color difference significance analysis

將不同涂覆方式的漆膜從18 ℃加熱至40 ℃，水性漆膜的色差變化如圖1 所示。1～4#漆膜在18～28 ℃間色差為0.2～1.8，尚無明顯變色現(xiàn)象；在30 ℃時只有3#漆膜色差值較大；而在32 ℃時1～4#漆膜均有顯著的變色效果，32 ℃之后漆膜色差變化不大，因此選取溫度18℃與32 ℃時對1～4#漆膜進行正交試驗，結(jié)果見表4。對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，結(jié)果如表5、6 所示，其中底漆道數(shù)色差極差最大，表明底漆涂刷方式對漆膜色差影響最大，但三種因素均無顯著性。

通常選取60° 入射角下的普通光澤為漆膜光澤度指標[24]進行光澤度測試。由表7、8 可知，變色粉添加方式的極差最大，且具有顯著性，表明對漆膜光澤度影響最大的涂覆工藝是變色粉添加方式。

表7 涂覆工藝對可逆變色漆膜60° 光澤度影響正交試驗結(jié)果 Tab.7 Orthogonal experimental analysis table of 60° gloss of reversible color-changing film by coating technologies

表8 光澤度顯著性分析 Tab.8 Analysis of gloss significance

采用劃格法測試漆膜的附著力，漆膜破壞面積越小等級越低，等級越小說明漆膜附著力越好。從表9中可知，1～4#漆膜附著力等級均為0，附著力較好，表明涂覆工藝對漆膜附著力無影響。此外，1～4#漆膜抗沖擊力均為70.0 N·cm，表明涂覆工藝對漆膜抗沖擊力無影響。

表9 涂覆工藝對可逆變色漆膜附著力和抗沖擊力的影響 Tab.9 Effect of coating technologies on adhesion and impact resistance of reversible color-changing film

對不同涂覆工藝的漆膜進行氯化鈉、洗潔劑、乙醇與紅墨水4 種試液的耐液試驗，設(shè)定溫度為18 ℃，測量試驗前和試驗24 h后漆膜的L、a、b值，計算色差后進行耐液等級分析。如表10 所示，1～4#漆膜對不同試液耐液等級均相同，表明涂覆工藝不影響漆膜耐液等級。

表10 涂覆工藝對可逆變色漆膜耐液等級的影響 Tab.10 Effect of coating technologies on liquid resistance grade of reversible color-changing film

由上述正交試驗結(jié)果得出，涂覆工藝中對漆膜色差影響最大的是底漆涂刷道數(shù)；對漆膜光澤度影響最大的是變色粉添加方式；涂覆工藝對漆膜附著力、抗沖擊力與耐液等級均無影響。綜合分析，對于感溫可逆變色水性涂料首要考慮的性能為變色性能，施工工藝中的底漆涂刷道數(shù)是對漆膜綜合性能影響最大的因素。

2.2 可逆變色水性漆膜工藝優(yōu)化

如2.1 節(jié)所示，施工工藝中底漆涂刷道數(shù)是對漆膜綜合性能影響最大的因素。因此，固定面漆涂刷道數(shù)，改變底漆涂刷道數(shù)，根據(jù)正交試驗設(shè)計表11、配制表12的5～10#感溫可逆變色水性涂料，分別按照1.2、1.3 中試驗和表征測試方法進行涂覆工藝優(yōu)化試驗。

表11 涂覆工藝優(yōu)化正交試驗表 Tab.11 Coating process optimization orthogonal experiment table

表12 感溫可逆變色水性涂料配比 Tab.12 Proportion of temperature-sensitive reversible colorchanging waterborne paint

圖2 不同涂覆工藝的水性變色漆膜18 ℃至40 ℃時的色差變化Fig.2 Color difference of waterborne color-changing paint film with different coating processes at 18 ℃ to 40 ℃

如圖2 所示，5～10#漆膜從18～30 ℃色差都在0.4～4.0，無明顯變色現(xiàn)象；7#漆膜加熱至32 ℃時顏色有顯著變化，色差為61.6；而其他漆膜加熱至32 ℃時色差介于1.0～14.6 之間，變色效果不如7#漆膜。因此，初步判斷7#漆膜具有較好的變色效果。從表13 中可見，同種涂覆工藝的漆膜光澤度隨著光線入射角度的增大而增大；在相同強度的入射光下，不同涂覆工藝的漆膜光澤度變化不大。

表13 涂覆工藝對可逆變色漆膜光澤度的影響 Tab.13 Effect of coating technologies on gloss of reversible color-changing film

圖3 不同涂覆工藝的可逆變色漆膜SEM圖Fig.3 SEM image of reversible color-changing film with different coating technologies

5～10#樣漆膜附著力等級、抗沖擊力以及對不同試劑的耐液等級均與1～4#樣相同，因此涂覆工藝不影響漆膜附著力、抗沖擊力以及耐液等級。對不同涂覆工藝的水性變色漆膜進行SEM分析，如圖3 所示，不同涂覆工藝的漆膜均出現(xiàn)部分團聚，有明顯顆粒存在，微觀結(jié)構(gòu)無顯著差異。

當可逆變色漆膜溫度升高時，發(fā)色劑甲基紅受熱釋放電子（方程式1），顯色劑雙酚A接受電子（方程式2）發(fā)生顏色變化，由紅色變?yōu)辄S色。圖4 為不同漆膜工藝的可逆變色水性漆膜紅外光譜測試結(jié)果，其中 2 917、2 848 cm-1及1 446 cm-1為亞甲基吸收峰；1 600 cm-1附近為C＝C和N＝N的吸收峰；1 729 cm-1為羰基強而尖的特征峰，可能是醛或者酮[25]。不同漆膜涂覆工藝下，無峰的消失或出現(xiàn)，說明變色粉含量對水性涂料/杉木成分無影響。

圖4 不同涂覆工藝的可逆變色漆膜紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectrum of reversible color-changing film with different coating technologies

3 結(jié)論

底漆2 道、面漆2 道、變色粉于面漆中添加的漆膜具有較好的變色效果；在相同強度的入射光下，不同涂覆工藝的漆膜光澤度的變化無明顯規(guī)律。涂覆工藝對漆膜附著力、抗沖擊力及耐液等級無影響；不同涂覆工藝的漆膜微觀結(jié)構(gòu)無明顯差異；不同涂覆工藝的漆膜成分無差別。綜上所述，底漆2 道、面漆2 道、變色粉于面漆中添加的漆膜綜合性能較佳，變色效果穩(wěn)定、可持續(xù)，為優(yōu)化組合涂覆工藝。