不同工況下廣漆干燥速率與漆膜性能的研究

韓振華 尹婷婷 許 鵬 劉 健

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

近年來，仿古建筑營造與古典建筑修繕等木結(jié)構(gòu)相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，由于其獨特的建筑形式與豐富的建筑色彩，廣漆在此類建筑中的應(yīng)用也越來越廣泛。廣漆是利用生漆與聚合桐油的共聚性，按照特定比例混合制成的共聚物涂料。制成的廣漆不僅能減少生漆的使用量，降低使用成本，而且干燥后的漆膜較生漆更加豐滿、透明、抗水、防腐、附著力強、經(jīng)久耐用，因而在仿古建筑與古典建筑修繕等工程中應(yīng)用廣泛[1-2]。

廣漆雖然優(yōu)點眾多，但是在實際工程中由于溫濕度條件以及廣漆成分配比的差異，其成膜時間與漆膜性能各有不同。國內(nèi)學(xué)者針對生漆的成膜機理與改性方法進行了較多研究，但對廣漆在不同環(huán)境下的干燥速率與性能變化研究較少。由于廣漆在木結(jié)構(gòu)施工涂刷時即拌即用，各項性能受施工時的溫濕度影響較大，如何為廣漆施工選擇合適的溫濕度環(huán)境與成分配比成了目前木結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)場施工亟待解決的難題。為了得出不同環(huán)境下廣漆的最佳配比，從而提高施工效率、節(jié)約成本，通過試驗探究了溫濕度與成分配比等因素對廣漆漆膜干燥速率與漆膜性能的影響，量化了廣漆的成膜時間，深入分析了各項因素對廣漆成膜過程的影響機理，以期為實際工程應(yīng)用提供參考。本文采用多因素全水平搭配的試驗分析方法，可以準確地估計各因素及其各級交互作用的效應(yīng)大小，為本課題后續(xù)的改性研究提供更多支撐。

1 試驗介紹

1.1試驗材料

馬口鐵片：尺寸為150 mm（長）×70 mm（寬）×0.28 mm（厚），質(zhì)量為（23.00±0.10）g，表面未經(jīng)涂飾處理；生漆和熟桐油：上海國富漆廠，性能如表1所示。

表1 生漆和熟桐油性能

1.2試驗設(shè)備

HSX-300HC恒溫恒濕控制箱、E600-2電子天平、WGG-60便捷式鏡像單角度光澤儀、PPH-750 g鉛筆硬度計、QFH-2×5漆膜劃格器：上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司。

1.3試驗設(shè)計

試驗采用多因素分析的方法，根據(jù)實際工程中可能遇到的溫濕度環(huán)境以及廣漆配比，共設(shè)置了4種溫度（10、20、30、40 ℃）、3種相對濕度（HR＝50%、HR＝70%、HR＝90%）、3種成分配比（生漆與桐油的質(zhì)量配比為6∶4、5∶5、4∶6）。每種工況下共設(shè)置3個重復(fù)試件，共計36組108個涂漆馬口鐵試件。

1.4試驗方法

將生漆與桐油按相應(yīng)配比稱量混合，采用潔凈的玻璃棒不斷攪拌直至呈黏稠膏狀。在上漆前，所有馬口鐵試件依據(jù)GB/T 9271—2008《色漆和清漆 標準試板》，用400目（砂粒粒徑37.5 μm）的砂紙進行打磨，然后用蒸餾水進行清洗并用亞麻布擦干，處理完畢后，用漆刷將混合好的廣漆在馬口鐵片上快速、均勻地沿縱橫方向涂刷，得到一層均勻的漆膜，涂布量為80 g/m2。將制備好的試件按照設(shè)定的干燥條件放入恒溫恒濕箱中進行干燥。

1.5性能測定

采用GB/T 1728—2020《漆膜、膩子膜干燥時間測定法》中的指壓法與刀片法，測定干燥過程中漆膜的表干、實干時間；按照GB/T 6739—2006《色漆和清漆 鉛筆法測定漆膜硬度》進行漆膜硬度的測定；按照GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》測定漆膜附著力；按照GB/T 9754—2007《色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的測定》進行漆膜光澤的測定。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1干燥溫度對廣漆成膜時間的影響

廣漆是一種乳膠體系，生漆作為廣漆的基料，是一種油包水型膠體分散體系，其成分主要包括漆酚（60%～70%）、漆多糖（5%～7%）、糖蛋白（2%～5%）、漆酶（＜1%）以及水分（20%～30%）[3-4]。漆酚是生漆的主要成分以及成膜物質(zhì)，漆酶在漆液成膜過程中起催化作用，加快漆酚的氧化聚合反應(yīng)[5]。

廣漆成膜的過程是從酶促反應(yīng)開始的，而溫度對酶的活性有著重要的影響，適宜的溫度是保證酶促反應(yīng)有效進行的重要條件[6]。圖1顯示了不同溫度下廣漆表干時間和實干時間的變化。

圖1 不同溫度下廣漆的表干、實干時間變化示意

由圖1可知，恒定濕度下，隨著溫度的升高，不同配比下廣漆的表干、實干時間均出現(xiàn)了明顯的下降。同時，表干時間、實干時間在不同配比下分別隨溫度的增加而逐漸接近，這表明：在低溫時，配比對廣漆的成膜時間影響較大，隨著溫度的升高，影響逐漸減小。

對其進行分析，主要是因為在一定溫度范圍內(nèi)，溫度降低時，分子運動速率降低，乳膠內(nèi)各組分的客觀流動受到阻礙，漆酶的活性降低，從而使氧氣在漆液中的溶解度和吸收速率下降，使漆酚氧化聚合反應(yīng)速度降低，酶促反應(yīng)不能有效地進行，因此廣漆成膜的反應(yīng)時間延長。相反，當溫度上升后，分子熱運動平均動能增加，分子運動速率加快，有效碰撞次數(shù)增加，酶促反應(yīng)速率增大，氧氣吸收速率提高，氧化聚合反應(yīng)速度上升，因此漆液成膜時間有所縮短[7]。綜上可知，當溫度為30～40 ℃時，是漆酶反應(yīng)的最佳溫度。

2.2相對濕度對廣漆成膜時間的影響

廣漆是一種穩(wěn)定的油包水型（W/O）乳膠結(jié)構(gòu)，漆酚屬于連續(xù)相，而水、漆酶以及糖分包裹在一起分布在漆酚中，由酶促反應(yīng)引起的氧化還原反應(yīng)發(fā)生在界面[8]。水分能夠吸收氧氣，通過氧的傳遞，保持漆酶活性，為漆酶催化提供質(zhì)子。試驗研究了相對濕度對廣漆成膜時間的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，恒定溫度下，隨著相對濕度的增加，不同配比下廣漆的表干、實干時間均出現(xiàn)了明顯的降低，主要是因為濕度的增加可以促進漆膜表面氧氣的溶解。當相對濕度較高時，空氣中所含的水分越多，漆膜表面越潮濕，保證了漆酶反應(yīng)活化所需要的環(huán)境，引發(fā)漆酚發(fā)生游離基聚合反應(yīng)的分子鏈數(shù)增加，從而使漆膜的固化時間減少[9-10]；當相對濕度較低時，空氣中水的含量減少，水分揮發(fā)速度加快，漆膜內(nèi)漆酶的活性由于失去水分而遭到破壞，從而使漆膜的固化時間增加。

圖2 不同濕度下廣漆的表干、實干時間變化示意

2.3配比對廣漆成膜時間的影響

不同配比下廣漆的表干、實干時間變化如圖3所示，對生漆與桐油3種不同配比進行分析，可以看出在恒定的濕度和溫度條件下，隨著桐油量的減少，廣漆的表干、實干時間都出現(xiàn)了明顯的降低。

圖3 不同配比下廣漆的表干、實干時間變化示意

熟桐油是一種熱聚合的植物油，可以在室溫條件下自氧化并實現(xiàn)干燥固化，其在氧化過程中，位于不飽和脂肪酸鏈的-H與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氫過氧化物，氫過氧化物容易分解成穩(wěn)定的自由基，最后自由基之間發(fā)生聚合反應(yīng)，從而實現(xiàn)固化。這一系列反應(yīng)需要一個漫長的過程，而且遠遠超過了生漆成膜的時間[11]。因此，當廣漆中桐油的比例增加時，其干燥成膜時間也相應(yīng)延長，其表干和實干時間隨之增加。圖3顯示了表干時間隨生漆比例的提高幾乎呈線性下降。而關(guān)于實干時間，在溫度較低時，隨著生漆比例的增加而發(fā)生明顯的下降，隨著溫度的升高，曲線變得越來越平緩，表明廣漆成膜時間受配比的影響越來越小。

2.4不同工況對廣漆漆膜物理性能的影響

2.4.1 漆膜外觀

在相同的溫濕度條件下，生漆與桐油的配比對漆膜外觀顏色有很大的影響，其中生漆與桐油的配比為6∶4時的漆膜顏色最深，配比為4∶6時漆膜的顏色最淺。這主要是由生漆和桐油本身的色度所造成，生漆呈褐色，而桐油呈金黃色，因此，隨著生漆比例的提高，漆膜的顏色也逐漸變深。而在相同的生漆與桐油配比下，不同的溫濕度環(huán)境對廣漆外觀顏色的變化并不明顯，表明環(huán)境對漆膜的顏色沒有影響。

2.4.2 漆膜光澤

光澤是指在一定條件下，材料表面反射光的能力的物理量。良好的光澤度是廣漆作為傳統(tǒng)油漆能夠與現(xiàn)代油漆競爭的保障。不同溫濕度以及配比下的廣漆光澤如表2所示。

表2 不同工況對漆膜光澤的影響

由表2可以看出，廣漆的光澤多分布在90～110，其中廣漆的成分配比對漆膜光澤的影響較高。在恒定的溫濕度下，當生漆與桐油的配比為6∶4時，光澤效果最佳，配比為5∶5時次之，而配比為4∶6時效果欠佳。從每種配比的平均值角度分析，當生漆與桐油的配比為6∶4時，漆膜的光澤較配比為5∶5和4∶6時分別提高了2.1%和8.4%，表明過量的桐油會使光澤明顯降低。這主要是由于桐油是一種干性油，桐油與生漆混合后，在干燥的過程中兩者都能夠與氧氣發(fā)生交聯(lián)固化。

但是，由于廣漆中生漆和桐油的固化作用互不影響，兩者在固化過程中分子間發(fā)生了分離，從而使得廣漆表面變粗糙，光澤降低[12]。

同時，從表2中可以看出，溫度對漆膜干燥后的光澤度影響不大，而在生漆與桐油的配比為6∶4與5∶5的情況下，當相對濕度為70%時，干燥后漆膜的光澤最高。因此，生漆與桐油的配比為6∶4與5∶5時，廣漆成膜過程中控制相對濕度在70%為宜。

2.4.3 漆膜硬度

不同溫濕度以及配比下廣漆漆膜硬度試驗值如表3所示。由表3可以看出，廣漆漆膜的硬度值分布在B～2H。通過恒定的配比可以看出，溫度和濕度對于漆膜硬度沒有影響；在恒定溫度和濕度下，漆膜的硬度隨著桐油量的增加而降低。這主要是由于漆膜的主要成分是漆酚，而漆酚的主要來源是生漆，隨著生漆量的增加，單位面積的廣漆內(nèi)所含的漆酚越多，由漆酚分子形成的漆膜結(jié)構(gòu)也就越密實，因此，其漆膜的硬度也就越高。

表3 不同工況對漆膜硬度的影響

2.4.4 漆膜附著力

附著力是漆膜的一項重要指標，附著力好的漆膜結(jié)實可靠，附著力差的漆膜容易開裂、脫落以至于無法使用[13]。不同溫濕度以及配比下廣漆漆膜附著力試驗值如表4所示。由表4可知，3種不同配比下的廣漆漆膜附著力集中在2～3級，溫濕度對漆膜的附著力沒有影響。生漆與桐油的配比在6∶4和5∶5時的附著力略低于配比為4∶6時的附著力。

表4 不同工況對漆膜附著力的影響

3 結(jié)語

在溫度為10、20、30、40 ℃，相對濕度為50%、70%、90%的環(huán)境下，本文分別對生漆與桐油的配比為4∶6、5∶5、6∶4的廣漆進行表干、實干時間的分析，同時對漆膜的物理性能進行分析，得出如下結(jié)論：

1）在本試驗范圍內(nèi)，廣漆成膜的表干、實干時間隨著溫度的升高（10～40 ℃）而減少，隨著相對濕度的升高（50%～90%）而減少；隨著桐油質(zhì)量分數(shù)〔生漆∶桐油＝（6∶4）～（4∶6）〕的增加而增加。

2）廣漆中生漆與桐油的配比對漆膜最終干燥后的物理性能影響較大，隨著生漆質(zhì)量分數(shù)的增加，干燥后漆膜的顏色逐漸變深，漆膜的光澤度及硬度呈現(xiàn)增加的趨勢，而附著力則呈現(xiàn)降低的趨勢，且當相對濕度為70%時，生漆與桐油比例為6∶4和5∶5的漆膜干燥后的光澤度最佳。

3）研究結(jié)果表明，當溫度為40 ℃、相對濕度為70%、廣漆的成分配比為生漆∶桐油=6∶4時，漆膜表干、實干速率較快，漆膜性能達到最佳狀態(tài)。