夯土墻用變色涂料制備、性能及裝飾中的應用*

耿暖暖

（西安歐亞學院艾德藝術(shù)設(shè)計學院，陜西西安710065）

可逆熱致變色涂料作為目前常見的一種功能涂料，廣泛用于各個領(lǐng)域，如室內(nèi)裝修、景觀園林等多個方面。但傳統(tǒng)溶劑型變色涂料存在容易揮發(fā)的有機物，進而可能給人體健康造成影響。同時，目前市場中常見的熱致變色涂料多為中、高溫涂料，且多使用金屬鹽作為變色材料，這樣不僅造成了環(huán)境污染，還嚴重限制了變色涂料的應用。為尋找一種低溫熱致環(huán)保變色涂料，符柳娃嘗試以丙烯酸酯為基料，氟化物為變色材料，從而合成變色涂料，結(jié)果表明該合成涂料的熱穩(wěn)定性有所提高［1］；王雅群則通過熱老化試驗對涂料的變色性能進行研究，結(jié)果表明熱作用可影響變色性能［2］。從以上研究成果看出，影響變色涂料的因素很多，且制備環(huán)保的變色涂料是當前合成涂料領(lǐng)域研究的重點。本研究嘗試利用微膠囊技術(shù)對變色材料進行包裹，增加其穩(wěn)定性，以克服傳統(tǒng)合成涂料可逆性差的問題。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

本試驗所用試劑與儀器見表1 和表2。

表1 試驗主要試劑Table 1 Main reagents

表2 試驗主要儀器Table 2 Main test instruments

1.2 試驗制備

1.2.1 變色材料的制備

將固態(tài)溶劑加入四口燒瓶中加熱，熔化后加入結(jié)晶紫內(nèi)酯（CVL）; 將溫度提升至60℃后，用數(shù)顯直流無級調(diào)速攪拌器攪拌, 至完全熔化，攪拌速度保持在400r/min；待固體完全溶解后加入一定量的顯色劑雙酚A，繼續(xù)攪拌，同時將溫度提升至95℃，維持溫度和轉(zhuǎn)速反應1.5h；待反應完成后，自然冷卻，得到深藍色固體，備用。

1.2.2 變色材料乳液制備

稱取一定量丙烯酸乳化劑放入燒杯中。在燒杯中加入20mL 水，加熱攪拌至完全溶解；將溫度穩(wěn)定在40～60 ℃后，緩慢滴加上述步驟制備的變色材料，滴加時間為1h，然后攪拌2～3 h；待溶液形成均一、穩(wěn)定的乳狀液后，冷卻至室溫，停止攪拌，將乳液密封，備用。

1.2.3 預聚體溶液制備

稱取一定量的PVA 固體放入燒杯，加入25mL 去離子水，將溫度提升至40℃后慢慢攪拌，攪拌后浸泡1h，將溫度緩慢提升至95℃后加快攪拌，待PVA 完全溶解后冷卻至室溫，備用。

取以上一定量的PVA 溶液，攪拌的同時將溫度提升至40℃，然后緩慢滴加適量的正丁醛后，在恒溫條件下攪拌1h；將溫度降至10～15 ℃后，用鹽酸溶液調(diào)節(jié)預聚體pH 值，使pH 值維持在4～5；然后將溶液攪拌均勻，并將溫度提升至40℃反應2h，得到預聚體溶液。

1.2.4 變色微膠囊制備

在室溫條件下，稱取以上制備的一定量的預聚體溶液；緩慢攪拌中，在1.5h 內(nèi)緩慢滴加完變色材料乳液；滴加完后，緩慢將溫度提升至65～75 ℃，保溫反應3h。待反應完成后，將固體用循環(huán)水式多用真空泵洗滌抽濾，在50℃下真空干燥24h，得到微膠囊粉末。

1.2.5 變色涂料的制備

將一定比例的去離子水、分散劑在數(shù)顯直流無級調(diào)速攪拌器的攪拌作用下分散均勻，加入定量增稠劑繼續(xù)攪拌2h，得到粘稠溶液。稱取定量微膠囊粉末加入溶液，攪拌均勻后加入一定量消泡劑繼續(xù)攪拌1h，得到色漿備用。在丙烯酸乳液中加入定量的成膜助劑和流平劑，攪拌均勻后，加入色漿和少量消泡劑繼續(xù)攪拌2h，最終得到本研究的熱致變色涂料。

1.3 性能測試

將以上制備的變色涂料均勻涂抹在打磨好的鋁片上制成涂膜，所有性能測試皆針對涂膜進行。

1.3.1 變色涂料干燥時間測定

參照GB/T 1728-89 對變色涂料干燥時間測定［3-5］，在制備的涂膜上放置一片濾紙，同時將干燥試驗器放置于濾紙之上，開始計時。30s 后移開試驗器，同時翻轉(zhuǎn)鋁板。若濾紙自由脫落，則停止計時，記錄脫落的時間即為涂料的干燥時間。

1.3.2 變色涂料附著力測定

參照GB/T 1720-79 對變色涂料附著力測定［6］，待涂膜自然干燥后在恒溫恒濕條件下用附著力試驗儀對涂料附著力進行測試，讀取附著力等級。

1.3.3 變色涂料柔韌性測定

參照GB/T 1731-1993 對變色涂料柔韌性測定［7］，待涂膜自然干燥后，將附有涂膜的鋁片放置于柔韌性測試儀上測試，通過觀察彎曲后的涂膜是否有裂紋、斷裂的現(xiàn)象，再判斷變色涂料的柔韌性等級。

1.3.4 變色涂料鉛筆硬度測試

參照GB/T 6739-2006 對變色涂料硬度測定［8］，待涂膜自然干燥后用鉛筆硬度法進行測試，具體方式為：在鉛筆上施加一定壓力，使鉛筆與涂膜水平面形成45°角，在漆膜表面滑動6.5mm 距離，依次降低鉛筆硬度，直到鉛筆不劃傷漆膜為止。

1.3.5 涂料變色性能測定

將涂料均勻涂抹于玻璃片上，待涂膜自然干燥，將玻璃板放置于烘箱中，按初始溫度15℃開始升溫，升溫速率為1℃/min。觀察在升溫過程中，涂料的變色情況，直到涂膜完全變色，記錄變色的溫度區(qū)間和變色的時間。得到涂料變色時間和溫度區(qū)間后，開始緩慢降溫，降溫速率與升溫速率相同，得到涂料復色時間和溫度區(qū)間。重復上述步驟3 次，最終得到準確結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 色漿中微膠囊用量對涂料變色性能影響

變色材料的添加量對的涂料變色性能影響較大，因涂料基料選用無色透明度較高的丙烯酸類物質(zhì)，故成膜物質(zhì)對涂料顏色不產(chǎn)生影響，所以涂料的變色性能只能受微膠囊影響。為探究色漿中微膠囊用量對涂料變色性能影響，設(shè)計試驗，在其他成分不變的情況下改變微膠囊用量。試驗結(jié)果統(tǒng)計見表3，從表3 可看出，隨微膠囊用量的增加，涂膜顏色逐漸增加，變色和復色時間也逐漸降低。當色漿中的微膠囊用量達到18.75% 時，顏色達到要求。當微膠囊用量超過18.75% 時，顏色改變和復色時間改變都不明顯，易造成變色材料的浪費，所以在色漿中，微膠囊的最佳用量為18.75%。

表3 色漿中微膠囊用量對涂料變色性能影響Table 3 Effect of microcapsule content in color paste on color change performance of paint

2.2 顏填料對涂料性能影響

不同種類的顏填料對的涂料性能也有影響，在不改變其他用料用量的前提下，選用不用顏填料制備涂料，得到表4 的結(jié)果。

表4 顏填料種類對涂料性能影響Table 4 Effect of pigments and fillers on coating properties

通過表4 看出，氧化鈣和氧化鋁導致涂膜出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這是因為氧化鈣和氧化鋁有一定的堿性，破壞了涂料內(nèi)部的酸堿平衡，附著力較差［9］；鈦白粉雖能在涂料中分散均勻，但自身有很強大的遮蓋力，對涂料顏色有影響，導致顏色變化不明顯；而二氧化硅會影響涂膜外觀，使得涂膜表面較為粗糙；以輕質(zhì)碳酸鈣為顏填料制備的涂料，不僅具有良好的分散穩(wěn)定性，且涂膜表面光滑，顏色明顯。故選用輕質(zhì)碳酸鈣作為該涂料的顏填料。

同時采用單因素試驗的方法，在不改變其他因素的前提下，設(shè)定輕質(zhì)碳酸鈣的用量分別為4%、8%、12%、16%、20%，由此得到表5 的結(jié)果。

表5 輕質(zhì)碳酸鈣用量對涂料的影響Table 5 Effect of light calcium carbonate content on Coatings

根據(jù)表5 結(jié)果看出，當輕質(zhì)碳酸鈣的用量在8%時，得到的涂料性能和涂膜外觀都比較好，且粘度適中，所以輕質(zhì)碳酸鈣用量設(shè)定為8%。

2.3 分散劑濃度對涂料性能影響

分散劑能使填料均勻分散在色漿和涂料中，不同分散劑濃度會對涂料的性能產(chǎn)生影響。為探究分散劑濃度對涂料性能的影響，在其他條件不變的情況下改變分散劑濃度，從而得到不同分散劑濃度的變色涂料，具體結(jié)果見表6。從表6 可看出，當分散劑濃度達到1.67%時，涂料就不發(fā)生分層的現(xiàn)象，填料在涂料中均勻分散，且穩(wěn)定性較好，同時涂料的細度與粒子的細度相同；繼續(xù)增加分散劑濃度，發(fā)現(xiàn)分散時間延長，且分散劑產(chǎn)生的泡沫對涂膜性能產(chǎn)生影響，讓涂膜表面不均勻，所以選擇分散劑的最佳濃度為1.67%。

表6 分散劑濃度對涂料性能影響Table 6 Eff ect of dispersant concentration on coating performance

2.4 涂料變色性能測定

以丙烯酸彈性乳液作為涂料基液，以微膠囊為變色材料，輕質(zhì)碳酸鈣為顏填料制備變色涂料，其中微膠囊含量為18.75%，分散劑濃度為1.67%，制備變色合成涂料。通過試驗得出，涂料的變色溫度為37.8～40.2 ℃；復色溫度為37.3～32.4 ℃。涂料的變色時間為45.5s，復色時間為59.4s，且變色涂料顏色變化可逆性能較好，靈敏度較高。

2.5 涂料基礎(chǔ)性能測試

按照建筑裝飾涂料的相關(guān)測試國家標準，對以上條件制備的涂料技術(shù)性能進行測試［10］，得到表7 的結(jié)果。從表7 可知，該配方制備出的涂料各方面性能較好，狀態(tài)表現(xiàn)均勻，形態(tài)良好，硬度、柔韌性和附著力都能滿足國家相關(guān)標準要求，可用于室內(nèi)建筑的裝飾設(shè)計使用。

表7 涂料基礎(chǔ)性能測試Table 7 Performance test of basic coatings

2.6 變色涂料在夯土墻裝飾中的應用展示

基于以上的涂料制備，與稻草結(jié)、高嶺土等原料進行結(jié)合，用于實際的裝飾工程中，得到圖1 的部分應用案例。

圖1 變色涂料在夯土墻中的應用實例Fig. 1 Application example of color changing coating in rammed earth wall

通過圖1 的實際應用看出，在燈光照射和溫度變化下，夯土墻呈現(xiàn)除不同的不同的顏色，且表面紋理清晰，說明本研究制備的變色涂料可很好的應用與工程實踐。

3 結(jié)論

以結(jié)晶紫內(nèi)酯、雙酚A、溶劑為原料，用聚乙烯醇縮丁醛為包裹材料制備變色微膠囊，以丙烯酸彈性乳液為基液，制備熱變色涂料，并對制備的涂料進行性能測試。通過以上研究，得出以下幾點結(jié)論：

（1）變色涂料顏色隨微膠囊用量的增加而加深，但存在最佳含量。經(jīng)試驗證明，微膠囊用量為18.75%時，顏色滿足要求，且變色和復色時間較短，因此18.75%就是微膠囊的最佳用量。

（2）輕質(zhì)碳酸鈣為顏填料制備的涂料放置后仍然能保持穩(wěn)定，且顏色鮮艷，具有良好的分散性，故選用輕質(zhì)碳酸鈣作為本研究制備變色涂料的顏填料。

（3）隨分散劑濃度增加，涂料細度逐漸降低，穩(wěn)定性也隨之增加，當分散劑濃度超過1.67% 時，會對涂料涂膜產(chǎn)生影響，導致涂膜不均勻，所以選擇分散劑最佳濃度為1.67%。

（4）對最佳比例制備的變色涂料進行基本性能測試，可得變色涂料變色溫度和復色溫度的區(qū)間分別為37.8～40.2 ℃、37.3～32.4 ℃。涂料的變色和復色時間分別為45.5s、59.4s，變色的可逆性好，各方面性能皆符合建筑裝飾設(shè)計的國家標準。