硅酸鹽改性對(duì)杉木表面水性漆膜附著力的影響1)

李萍 張?jiān)?周亞 吳義強(qiáng) 呂建雄 左迎峰

(中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙，410004)

木材無(wú)機(jī)浸漬改性是以木材為基體，將能與木材成分發(fā)生物理作用或化學(xué)反應(yīng)的無(wú)機(jī)物通過(guò)滲透浸入到木材細(xì)胞內(nèi)，形成沉積物于木材細(xì)胞腔甚至細(xì)胞壁中，起到填充作用，或是與細(xì)胞壁物質(zhì)形成化學(xué)連接，從而賦予木材新的性質(zhì)使得木材性能提高的一種方法[1-2]。無(wú)機(jī)改性劑中，硅酸鹽不僅可大幅提高木材的物理力學(xué)和寸穩(wěn)定性[3]，使木材具有更好的阻燃與耐熱效果[4]，還能保持木材的環(huán)境學(xué)特性[5]；特別是針對(duì)杉木結(jié)構(gòu)疏松、密度小、強(qiáng)度低的缺陷具有良好的改善作用[6-7]。

杉木經(jīng)硅酸鹽改性后，改性劑固化后在杉木孔隙中形成了物理填充作用，同時(shí)硅酸鹽與杉木化學(xué)組分中的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成了Si—O鍵結(jié)合[8]。這些反應(yīng)不僅會(huì)改變杉木表面的特性，也會(huì)對(duì)它的涂飾性能產(chǎn)生影響。木材的涂飾性能一直是木材加工企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，也是衡量木材產(chǎn)品最終質(zhì)量的重要因素[9]。涂飾性能中漆膜附著力是一項(xiàng)重要的測(cè)試指標(biāo)，漆膜附著力大才能很好的附著在木材表面，對(duì)木家具、木地板等木制品發(fā)揮應(yīng)有保護(hù)和裝飾作用，讓其在使用過(guò)程中更持久、更穩(wěn)定[10]。為探討硅酸鹽“呼吸法”仿生改性對(duì)杉木涂飾性能的影響，本文中選用當(dāng)下較為流行且環(huán)保的兩種常見(jiàn)水性漆，對(duì)硅酸鹽仿生改性前后的杉木試件的油漆接觸角進(jìn)行測(cè)量，以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)杉木表面潤(rùn)濕特性的計(jì)算與評(píng)估[11-12]，并對(duì)改性材的涂料附著性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 材料與方法

杉木(Cunninghamialanceolata)采自湖南省永州市，樹(shù)齡8 a，木段縱向長(zhǎng)度2 m(取自樹(shù)干距地面2～4 m)，直徑15～20 cm，氣干密度為0.35～0.45 g/cm3，含水率15%～20%，心材比例約30%，邊材比例約70%。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能試驗(yàn) 第4部分 附著力交叉切割測(cè)定法》，將試件(取自邊材部位)加工成150 mm×100 mm×10 mm的長(zhǎng)方形規(guī)格，分別鋸制徑切板和弦切板；水性漆為FH-LW100底面合一型(黏度1 208 mPa·s)和FH-BBW520L底面分開(kāi)型(底漆黏度1 526 mPa·s，面漆黏度607 mPa·s)嘉寶莉化工集團(tuán)股份有限公司。視頻光學(xué)接觸角測(cè)定儀型號(hào)OCA 15plu，德國(guó)Dataphysics公司；漆膜劃格儀QFH型，天津市精科材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)；膠帶為標(biāo)準(zhǔn)黏性的Scotch膠帶，寬50 mm；另外還有目視放大鏡、毛刷、砂紙等。

硅酸鹽改性材制備方法：將杉木試件放入木材浸漬罐中，將浸漬罐密封；先對(duì)浸漬罐抽真空至-0.098 MPa，保壓12.5 min；將硅酸鈉配成體積分?jǐn)?shù)31.60%的溶液，利用浸漬罐中負(fù)壓將硅酸鈉溶液吸入到浸漬罐中，卸壓；再通過(guò)空氣壓縮機(jī)對(duì)浸漬體系進(jìn)行加壓至0.7 MPa，保壓25 min；卸壓并將硅酸鈉溶液排出后，再將浸漬罐中抽真空至-0.098 MPa，保壓12.5 min；將固化劑吸入浸漬罐中，卸壓；對(duì)浸漬罐進(jìn)行加壓至0.7 MPa，保壓25 min，并將固化劑排出。以此正—負(fù)交替方法進(jìn)行循環(huán)3次。卸壓，將浸漬后的杉木拿出，沖洗并擦干表面。將試件采用逐級(jí)升溫干燥法干燥6 h(80 ℃ 4 h，100 ℃ 1.5 h，120 ℃ 0.5 h)，得到硅酸鹽浸漬改性杉木材，該改性杉木的增質(zhì)量率為86.53%。素材不做處理。所有試件含水率控制在9%～12%，并用240#砂紙將表面進(jìn)行打磨砂光。

接觸角測(cè)定：采用水性漆(底面合一型)為滴液，利用專(zhuān)用滴管使用液滴法將液體滴于木材表面，每次滴液體積為4 μL。每個(gè)試件測(cè)定5個(gè)點(diǎn)取平均值。試驗(yàn)中記錄0(初始接觸角)、1、5、10、30、60 s試件表面液滴接觸角的變化情況[13-16]。

涂料附著性能測(cè)試：先將杉木素材與杉木改性材按照不同的涂飾條件進(jìn)行編號(hào)，詳細(xì)編號(hào)及涂飾條件如表1所示。涂飾前，所有試件均用320#砂紙打磨至表面平整。分別對(duì)素材組與改性材組試件進(jìn)行表面涂飾，涂布量為140 g/m2，每道工序之間均間隔3～4 h以上。所有試件除最后一遍漆外，每涂飾一遍待干透后再用600#砂紙輕輕打磨平整并用毛刷除去表面雜質(zhì)，再進(jìn)行下一道工序。漆面完全干燥后，選擇涂飾后試件的3個(gè)不同位置作為試驗(yàn)區(qū)，沿著與木材紋理呈45°方向使用漆膜劃格儀切割出兩組相互成直角的格狀割痕。每組包含6條平行割痕，割痕間距為2 mm。剪下一段長(zhǎng)約75 mm的Scotch透明膠帶，把膠帶的中心點(diǎn)放在網(wǎng)格上方壓平，確保與涂層全面接觸。5 min內(nèi)，快速且平穩(wěn)的撕離膠帶；觀察漆膜損傷情況并作好相關(guān)記錄，統(tǒng)計(jì)漆膜剝落率，計(jì)算平均值。

表1 試件編號(hào)及具體涂飾條件

2 結(jié)果與分析

2.1 硅酸鹽改性對(duì)杉木水性漆潤(rùn)濕性和接觸角的影響

當(dāng)木材被液體潤(rùn)濕時(shí)，液體在木材表面的接觸角隨著時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生不斷的變化[17]。這個(gè)變化過(guò)程中，可以大致觀察到3個(gè)不同的階段，第1階段：潤(rùn)濕，液滴在木材表面形成接觸角；第2階段：擴(kuò)散，液滴在木材表面擴(kuò)散；第3階段：滲透，液滴在木材內(nèi)部發(fā)生滲透現(xiàn)象[18]。不同成份的液體在木材表面3個(gè)階段的變化也是不同的。杉木素材與改性材的水性漆接觸角測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

圖1中，素材弦切面與徑切面的接觸角差別不大，初始接觸角(0 s)均為93°左右，說(shuō)明剛接觸時(shí)水性漆對(duì)杉木的潤(rùn)濕性較差。隨著時(shí)間的推移，水性漆開(kāi)始擴(kuò)散并慢慢滲透到木材中，其中0到5 s滲透速度較快，呈陡坡?tīng)睿? s之后趨于平緩，30 s之后變化微弱；徑切面接觸角變化水平略大于弦切面，但兩者差別不大。經(jīng)無(wú)機(jī)改性后，杉木的水性漆接觸角弦切面與徑切面出現(xiàn)較大區(qū)別，弦切面的初始接觸角為93°，徑切面的初始接觸角則為87°；變化趨勢(shì)上，徑切面變化較大，0到1 s接觸角呈現(xiàn)較大下降速度，1 s后變化趨于平緩；而弦切面的變化整體都趨于較為平緩的狀態(tài)。杉木徑切面與弦切面出現(xiàn)差別的主要原因在于，改性處理使得硅酸鹽填充到了木材管胞內(nèi)腔和具緣紋孔對(duì)組成的毛細(xì)管體系，阻礙了液體由外界進(jìn)入到木材的移動(dòng)路徑。一方面，杉木素材弦切面的滲透性通常大于徑切面，改性杉木弦切面填充的硅酸鹽物質(zhì)比徑切面要多，這也使得改性杉木徑切面的粗糙度大于弦切面；另一方面，硅酸鹽改性后杉木弦切面表面沉積的無(wú)機(jī)物更多，水性漆更加難以滲透進(jìn)到杉木的內(nèi)部，因此改性材這兩個(gè)切面對(duì)水性漆呈現(xiàn)出兩種不同的潤(rùn)濕狀態(tài)。

圖1 杉木素材與改性材的水性漆接觸角測(cè)量結(jié)果

圖1中，杉木素材的水性漆接觸角分別為93.0°、82.6°、73.0°、71.3°、69.5°、68.8°；杉木改性材的水性漆接觸角則為90.1°、85.1°、82.3°、81.5°、80.5°、79.6°；杉木改性材0 s的接觸角小于杉木素材，但改性材其它時(shí)間節(jié)點(diǎn)的接觸角均略大于素材，說(shuō)明水性漆在剛接觸木材表面時(shí)，改性材較素材潤(rùn)濕性略好。當(dāng)涂料接觸到木材，在木材表面的變化分為3個(gè)階段：潤(rùn)濕階段、擴(kuò)散階段、滲透階段[18]。水性漆里面含有水分子，同時(shí)硅酸鈉是一種水溶性硅酸鹽；因此水性漆對(duì)木材表面潤(rùn)濕時(shí)，水性漆里的水分易溶于木材表面的硅酸鹽中，造成杉木改性材0 s的接觸角小于杉木素材；但隨著測(cè)試時(shí)間的推移，改性材表面無(wú)機(jī)物的大量沉積阻礙了水性漆的擴(kuò)散與滲透。一方面無(wú)機(jī)物質(zhì)填充有效阻礙了水性漆在改性材表面的滲透；另一方面杉木素材內(nèi)部未填充物質(zhì)，表面較粗糙比改性材更大。這兩方面的原因使得改性材接觸角略大于素材接觸角?？傮w上看，水性漆在杉木改性材表面的潤(rùn)濕性較杉木素材略差，且擴(kuò)散與滲透的速度較素材慢，但仍處于部分潤(rùn)濕狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 杉木素材與改性杉木水性漆接觸角對(duì)比

2.2 硅酸鹽改性對(duì)杉木涂料附著性能的影響

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 4893.4—2013家具表面漆膜理化性能試驗(yàn)第4部分附著力交叉切割測(cè)定法》規(guī)定，木材試件涂層表面網(wǎng)格區(qū)域中漆膜剝離程度與漆膜附著力間的關(guān)系總共分為0～5級(jí)6個(gè)級(jí)別，其中0級(jí)表示最優(yōu)，5級(jí)表示最差。對(duì)于一般性的用途，前3級(jí)是令人滿意的，要求評(píng)定通過(guò)與不通過(guò)時(shí)也多采用前3級(jí)。杉木素材與改性材的漆膜附著力測(cè)試結(jié)果如表2所示。杉木素材漆膜附著力級(jí)數(shù)主要分布在1級(jí)、2級(jí)與3級(jí)，而改性材則分布在1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)，分布范圍較素材更廣；另外素材每個(gè)級(jí)數(shù)所占比例基本相同，而改性材2級(jí)所占比例最多，其次是1級(jí)與3級(jí)。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，級(jí)數(shù)越大表示漆膜附著力越差，說(shuō)明經(jīng)硅酸鹽改性后杉木的表面與水性漆間的吸附力變?nèi)?，?dǎo)致水性漆中極性基團(tuán)與杉木中基團(tuán)發(fā)生氫鍵結(jié)合和化學(xué)鍵結(jié)合的能力變差，導(dǎo)致涂料附著性能有所降低。這與前文中對(duì)杉木素材與改性材的接觸角對(duì)比結(jié)果相符，杉木改性后接觸角稍變大，涂料在杉木表面的擴(kuò)散與滲透速度均有所下降。但下降幅度較小，表明改性處理對(duì)杉木涂料附著力有所影響，但影響程度不大。

另外，試驗(yàn)中采用了兩種不同的水性漆類(lèi)型對(duì)杉木進(jìn)行了涂飾，一種是底面合一型、一種是底面分型，兩種漆的測(cè)試結(jié)果如表2所示。除2級(jí)漆膜附著力兩種漆所占比例相同外，1級(jí)漆膜附著力底面分開(kāi)型所占比例遠(yuǎn)大于底面合一型，3級(jí)漆膜附著力底面分開(kāi)型所占比例遠(yuǎn)小于底面合一型，且樣品中最差的4級(jí)附著力也是出現(xiàn)在底面合一型上。說(shuō)明油漆類(lèi)型對(duì)于木材的漆面附著力有較大影響，水性漆底面分開(kāi)型可以較好的附著在木材表面，形成性能較佳的漆膜以保護(hù)木材。這主要是由于底面分開(kāi)型中底漆的極性基團(tuán)與木材中基團(tuán)較好形成了氫鍵和化學(xué)鍵結(jié)合，同時(shí)能夠提高與面漆的隨著力，增加面漆的豐滿度，同時(shí)保證面漆的均勻吸收，使油漆發(fā)揮最佳效果。

表2 不同改性處理和油漆類(lèi)型的漆膜附著力

油漆的涂刷遍數(shù)也對(duì)漆膜的附著性能有著較大影響。表3為水性漆底面合一型涂刷遍數(shù)與漆膜附著力分級(jí)。樣品涂刷時(shí)，每涂飾一遍，均由同一實(shí)驗(yàn)人員采用相同的手法與相同的工具進(jìn)行操作，可認(rèn)定為每次涂刷的漆膜厚度一致。從表中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于合一型水性漆，在涂刷1遍時(shí)，杉木素材附著力為3級(jí)100%，而改性材為4級(jí)(20%)、3級(jí)(80%)。說(shuō)明合一型水性漆相同涂刷厚度時(shí)，改性杉木材的附著性能略差。測(cè)試范圍內(nèi)，隨著涂刷遍數(shù)的增加、漆膜厚度的增加，兩種杉木的附著力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。杉木素材與改性材的最佳附著力均出現(xiàn)在涂刷4遍時(shí)，試件漆膜附著力2級(jí)占20%，1級(jí)占80%，說(shuō)明無(wú)論是杉木素材或改性材在選擇底面合一型的水性漆進(jìn)行涂飾時(shí)，最好是要涂刷4遍左右，以保證漆面的附著性能從而對(duì)木材起到應(yīng)用的保護(hù)作用。

表3 水性漆底面合一型涂刷遍數(shù)與漆膜附著力分級(jí)

表4所示為水性漆底面分開(kāi)型涂刷遍數(shù)與漆膜附著力分級(jí)。在相同的底漆與面漆涂刷遍數(shù)(也就是漆膜厚度相同)時(shí)，杉木素材與改性材差別微弱，僅在1遍底漆與2遍面漆時(shí)，改性材漆膜附著力小于杉木素材。這也從另一個(gè)角度證明了油漆類(lèi)型對(duì)附著力的影響較大，改性處理的影響微弱。數(shù)據(jù)表明，杉木素材與杉木改性材在1遍底漆1遍面漆時(shí)漆膜附著力80%在3級(jí)區(qū)間，但均在3遍底漆3遍面漆時(shí)達(dá)到了100%的1級(jí)漆膜附著力。綜合各方面因素，在選用底面分開(kāi)型水性漆對(duì)杉木進(jìn)行涂飾時(shí)，應(yīng)該要刷2～3遍底漆，再刷2～3遍面漆是較為科學(xué)合理的涂飾方案。

表4 水性漆底面分開(kāi)型涂刷遍數(shù)與漆膜附著力分級(jí)

分析改性處理與油漆類(lèi)型對(duì)杉木涂料涂飾性能的綜合影響發(fā)現(xiàn)：底面合一型水性漆，杉木素材與改性材漆膜附著力1級(jí)所占比例相同，2級(jí)的比例改性材大于素材，3級(jí)的比例素材大于改性材，4級(jí)的比例出現(xiàn)在改性材中。底面分開(kāi)型水性漆，1級(jí)比例杉木素材大于改性材，2級(jí)比例杉木素材小于改性材，3級(jí)比例兩者相同。

綜上所述表明：油漆類(lèi)型的不同對(duì)于杉木的涂料附著性能有較大影響，其次是涂刷的遍數(shù)，而改性處理對(duì)于涂料的附著性能影響最弱。無(wú)論是杉木素材與改性材，在選擇水性漆作為表面涂飾時(shí)，可優(yōu)先選擇底漆面漆分開(kāi)的類(lèi)型，涂刷遍數(shù)至少應(yīng)達(dá)到底漆2～3遍，面漆2～3遍才能獲得較為理想的狀態(tài)。若選擇底面合一型的水性漆時(shí)，則至少應(yīng)涂刷4遍才能獲得較為滿意的附著性能。

3 結(jié)論

杉木經(jīng)硅酸鹽改性后，木材的表面性能發(fā)生了一定的變化。除初始接觸角外，所測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)接觸角均大于杉木素材表面接觸角，表明水性漆在改性材表面的接觸角稍變大，其潤(rùn)濕性較杉木素材略差，擴(kuò)散與滲透的速度較素材慢，但仍處于部分潤(rùn)濕狀態(tài)。改性處理使杉木表面的漆膜附著力有所下降，但下降幅度較小；改性處理對(duì)杉木涂料附著力影響程度不大。油漆類(lèi)型與涂刷的遍數(shù)對(duì)于杉木的涂料附著性能影響程度大于硅酸鹽改性處理。杉木素材與杉木硅酸鹽改性材，在選擇水性漆作為表面涂飾時(shí)，為保證較好的漆膜附著力，可優(yōu)先選擇底漆面漆分開(kāi)的類(lèi)型；2 涂刷遍數(shù)至少應(yīng)達(dá)到底漆2～3遍，面漆2～3 遍。

致謝：感謝中南林業(yè)科技大學(xué)農(nóng)林生物質(zhì)綠色加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心、木竹資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心、木竹資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心、湖南省生物質(zhì)材料及綠色轉(zhuǎn)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖南省竹木加工工程技術(shù)研究中心和湖南省普通高等學(xué)校生物質(zhì)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供平臺(tái)支持。