不同粉末對(duì)蟲膠漆膜性能的影響

史詩琪， 黃 慧， 尤 江， 寧依微

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

蟲膠(Shellac)因其顏色多呈紫色、褐色或深紅色，亦稱為紫膠、赤膠、紫草茸等，是一種吸取樹液為生的紫膠蟲分泌的樹脂，經(jīng)采集、割蟲膠粒、熱熔、過濾、提純、脫蠟等工序，最后制成片狀半透明固體[1]。蟲膠主要產(chǎn)于印度、泰國、孟加拉等東南亞國家，中國西南地區(qū)(云南為主)也是蟲膠的重要產(chǎn)地。蟲膠是一種天然的混合物，主要由紫膠樹脂(75～85%)、紫膠色素(4～8%)及少量的紫膠蠟(5～6%)組成[2-3]，能完全溶解在甲醇和乙醇等溶劑中。蟲膠具有無毒、生理無害、生物可降解、可塑成膜等優(yōu)點(diǎn)[4]，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、裝飾等行業(yè)[5]。由于其還具有絕緣、阻隔潮濕等特點(diǎn)，在電子、軍事領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用[6]。

蟲膠漆密封性好，而且不溶于苯類、酯類溶液以及油類，有隔離涂層的作用，因此常應(yīng)用于涂飾工業(yè)。蟲膠經(jīng)改良后可以應(yīng)用在船舶、建筑、家居、樂器等領(lǐng)域。同時(shí)蟲膠漆有美化和防護(hù)的雙重作用，常作為木材產(chǎn)品的涂飾材料[7-8]。蟲膠作為木制家具涂飾材料的歷史悠久，17世紀(jì)以法國為代表的歐洲對(duì)蟲膠的涂飾十分狂熱，是巴洛克和洛可可式浪漫主義家具形成和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，蟲膠也被很多藝術(shù)家用作與其他樹脂混合的涂料清漆[9]。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的今天，人們對(duì)家具產(chǎn)品的要求在逐步提高。綠色環(huán)保[10-12]、康養(yǎng)設(shè)計(jì)[13-14]、無障礙設(shè)計(jì)[15-18]、富有文化內(nèi)涵[18-20]等特征已經(jīng)是影響消費(fèi)者購買意愿的主要因素。木材是一種天然的具有多孔型結(jié)構(gòu)的材料，為獲得高光涂層，在蟲膠漆的拋光過程中通常采用粉末進(jìn)行填充。傳統(tǒng)涂飾工藝中常添加痱子粉(主要成分滑石粉、碳酸鎂和碳酸鈣)。氧化鋁、鈦白粉等白色金屬氧化物的形態(tài)和顏色與痱子粉接近，但其具有吸收陽光的作用，常用作光觸媒[21]。用納米級(jí)氧化鋁、鈦白粉等粉末代替?zhèn)鹘y(tǒng)涂飾工藝中的痱子粉可能有助于提高蟲膠漆膜的耐光老化性能。

鑒于上述研究背景，本文以蟲膠漆的傳統(tǒng)制備方法和涂飾工藝為基礎(chǔ)，采用氧化鋁和鈦白粉粉末代替痱子粉制作不同的蟲膠漆膜，以顏色、光澤度、粗糙度及表面化學(xué)成分的變化為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，探究其他粉末對(duì)蟲膠漆膜性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及工具

基材：加拿大楊木(Canadian Aspen)，含水率為12±2%，尺寸為100 mm×80 mm×8 mm的徑切板，無缺陷，數(shù)量為20塊。

涂料：紫蟲膠片(云南大樹)，100 g；乙醇(純度95%)，5 L，南京化學(xué)試劑股份有限公司；松香20 g；市售痱子粉140 g，強(qiáng)生(中國)有限公司，主要成分滑石粉、香精；鈦白粉；氧化鋁(酸性)，500 g，無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司。

其他工具：電子天平秤0.001 g、藥匙、鑷子、玻璃棒、水浴鍋(最高溫度100 ℃)、燒杯、量筒(200 ml)、拋光墊(紗布棉花自制)、毛刷、360砂紙。

1.2 蟲膠漆的制備

將50 g蟲膠片與5 g松香粉末充分混合放入500 ml的95%的乙醇溶液，并在100 ℃水浴鍋內(nèi)加熱，待溶質(zhì)完全溶解后，用紗布過濾溶液，冷卻后裝入深色的細(xì)空瓶中待用。

1.3 蟲膠漆膜的制備

制備涂層前楊木基材在溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為55%的環(huán)境中處理14天，其含水率為12%左右。用360號(hào)砂紙對(duì)基材進(jìn)行表面砂光，砂光后對(duì)基材進(jìn)行表面涂刷，待蟲膠漆中酒精充分揮發(fā)后再涂刷下一層，時(shí)間間隔為1 h，涂層間不需要砂光，待涂刷6次之后靜置24 h，待酒精完全揮發(fā)后進(jìn)行拋光處理。

拋光處理之前需對(duì)涂刷后的試件進(jìn)行砂光(360號(hào)砂紙)，砂光之后在木材表面分別均勻放置少量的痱子粉、氧化鋁和鈦白粉(粉末的使用一定要少量而多次的添加)，并用自制的拋光墊蘸取蟲膠溶液進(jìn)行拋光，初始圓周式拋光，八字螺旋拋光和縱向運(yùn)動(dòng)平行拋光如圖1所示。反復(fù)拋光直到獲得高光的涂層。

圖1 蟲膠涂層拋光方法示意圖

1.4 蟲膠漆膜顏色比較

本實(shí)驗(yàn)采用CAPSURETM彩通色彩檢測(cè)儀(RM200-PT01)對(duì)添加不同粉末的蟲膠漆膜進(jìn)行顏色對(duì)比。該儀器采用國際照明委員會(huì)推薦的CIE1976(L*，a*，b*)標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)表色系統(tǒng)。采用的光源為D65標(biāo)準(zhǔn)光源，其相關(guān)色溫為6 504 K，照明幾何條件為d/0(漫反射/垂直入射)，10°大視野，測(cè)量范圍為直徑8 mm。每個(gè)試件取鄰邊界2 cm處為測(cè)點(diǎn)，每個(gè)試件取四個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖2所示，所有試件的測(cè)點(diǎn)取平均值，并與以痱子粉為填充材料的進(jìn)行比較。

圖2 蟲膠漆膜顏色比較測(cè)點(diǎn)示意圖

1.5 蟲膠漆膜光澤度比較

本實(shí)驗(yàn)采用HG268型號(hào)的光澤度計(jì)(三恩時(shí)科技有限公司，深圳)對(duì)添加不同粉末的蟲膠漆膜進(jìn)行光澤度對(duì)比。該儀器符合ISO 2813、ASTM D 523、GB/T 9754、ASTM D 2457標(biāo)準(zhǔn)，選取的入射角分別為20°，60°和85°。每個(gè)試件取四個(gè)測(cè)點(diǎn)，取點(diǎn)方法與測(cè)量方法同上。

1.6 蟲膠漆膜粗糙度比較

本實(shí)驗(yàn)使用JB-4C觸針式精密粗糙度儀(泰明光學(xué)儀器有限公司，上海)對(duì)添加不同粉末的蟲膠漆膜進(jìn)行表面粗糙度測(cè)定，觸針式粗糙度儀是一種接觸式測(cè)量儀器，采用針描法進(jìn)行測(cè)量。該儀器符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3505-2000、GB/T 6062-2001、GB/T 10610-1998及國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5436和ISO 11562。觸針式粗糙度儀由觸針測(cè)頭、驅(qū)動(dòng)箱和工作臺(tái)等部件組成，工作時(shí)觸針在試件表面上滑動(dòng)，試件表面的上下起伏造成了觸針的移動(dòng)，這種移動(dòng)經(jīng)電子裝置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，并經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)和圖表。在添加不同粉末的蟲膠漆膜試件中，每種粉末選取最具代表性的一個(gè)試件，每個(gè)試件選取不同的兩處進(jìn)行測(cè)量。選取具有代表性的參數(shù)Ra、Rq和Rt作為評(píng)價(jià)蟲膠漆膜粗糙程度的主要參數(shù)。

1.7 蟲膠漆膜化學(xué)成分分析

本實(shí)驗(yàn)使用布魯克傅里葉紅外光測(cè)譜儀(Bruker Vertex 70)對(duì)老化前后的試件表面進(jìn)行紅外光譜分析，光譜掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為24次。

2 結(jié)果與討論

2.1 顏色比較

顏色是漆膜的重要物理特征，能給人以最直觀的視覺感受。添加不同粉末試件與未添加粉末試件顏色的比較如圖3所示。未添加任何粉末的試件為參照組，其顏色參數(shù)L*、a*和b*分別為50.32、26.11和50.17，其顏色為橙色；色彩飽和度參數(shù)c為56.6。通過添加不同粉末試件顏色的對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)痱子粉粉末的試件顏色亮度L*增加的同時(shí)a*和b*的值也在增加，色彩的飽和度增加至58.5。添加氧化鋁和鈦白粉粉末的試件L*，a*和b*的值都有不同程度的下降，其中添加氧化鋁粉末的試件顏色亮度最低，其次為鈦白粉；同時(shí)顏色的飽和度是也下降至52.0和52.5。鑒于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，添加痱子粉可使蟲膠漆膜的顏色亮度和飽和度增加，而添加氧化鋁粉末的試件顏色亮度和飽和度都有明顯的下降，鈦白粉的顏色效果在痱子粉和氧化鋁粉末之間。

圖3 添加不同粉末蟲膠漆膜的顏色比較

2.2 光澤度比較

木材漆膜表面光澤度不僅影響木材的美觀性，而且影響木材使用的環(huán)境和場(chǎng)所。本實(shí)驗(yàn)對(duì)使用不同粉末填充的蟲膠漆涂飾木塊試件的光澤度進(jìn)行測(cè)量，分析每組木塊光澤度平均值的差異，每種粉末有5個(gè)試件，對(duì)20組光澤度的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出的光澤度平均值如圖4所示。未添加任何粉末的試件為參照組，當(dāng)入射角度為20°、60°、85°時(shí)，比值分別為18.4、47.7、46.4。從添加不同粉末試件光澤度的對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)痱子粉試件三組光澤度數(shù)值均有增加；添加氧化鋁粉末和鈦白粉的試件三組數(shù)值也有所增加。其中，添加氧化鋁粉末的試件三組數(shù)值都最大；當(dāng)入射角度為20°時(shí)，添加痱子粉的試件數(shù)值大于鈦白粉；當(dāng)入射角度為60°和85°時(shí)添加痱子粉的試件數(shù)值小于鈦白粉。鑒于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，添加痱子粉、氧化鋁、鈦白粉都可以使蟲膠漆膜的光澤度增加，其中添加氧化鋁粉末光澤度的效果最好，超過痱子粉。

圖4 添加不同粉末蟲膠漆膜的光澤度比較

2.3 粗糙度比較

漆膜粗糙度又稱漆膜表面粗糙度，是指漆膜表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，是漆膜形態(tài)的微觀表征。添加不同粉末試件與未添加粉末試件粗糙度的主要參數(shù)Ra、Rq和Rt的值如圖5所示，其中Ra和Rq是算數(shù)平均粗糙度和幾何平均粗糙度，評(píng)價(jià)表面整體的不平度，Rt是評(píng)價(jià)長度內(nèi)輪廓最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的距離。參照組的Ra、Rq和Rt分別為0.025 μm、0.036 μm和0.593 μm。通過添加不同粉末試件粗糙度的對(duì)比可以看出，參照組、痱子粉、鈦白粉、氧化鋁的Ra、Rq、Rt三組數(shù)值分別呈遞減的趨勢(shì)，Ra和Rq的減少量并不多，Rt的減少幅度較大，其原因是粉末對(duì)管孔的填充作用。三種粉末的填充效果相對(duì)比，其中痱子粉的效果最好，鈦白粉其次，氧化鋁粉末降低粗糙度的效果最差。

圖5 添加不同粉末蟲膠漆膜的粗糙度比較

2.4 化學(xué)成分分析

FTIR紅外光譜圖是表征材料表面化學(xué)成分或化學(xué)變化的重要手段。添加不同粉末蟲膠漆膜的FTIR圖譜如圖6所示，從圖中可以看出，在3 600～2 000 cm-1區(qū)域有3個(gè)強(qiáng)吸收峰3 400 cm-1、2 925 cm-1和2 855 cm-1，主要是羥基OH伸縮振動(dòng)、甲基CH3與亞甲基CH2的伸縮振動(dòng)。通過四個(gè)圖譜的對(duì)比可以看出這三個(gè)吸收峰沒有明顯的變化。在1 900 cm-1～400 cm-1區(qū)域有1 690 cm-1吸收強(qiáng)峰是C=O和C=C的伸縮振動(dòng)造成的，1 460 cm-1和1 383 cm-1是C-H鍵的振動(dòng)。1 237 cm-1和1 016 cm-1的吸收峰分別為O-H和C-H的振動(dòng)，對(duì)比四個(gè)紅外光圖譜在指紋區(qū)內(nèi)并沒有明顯差別。這些結(jié)果說明添加不同粉末蟲膠漆膜沒有發(fā)生明顯的化學(xué)變化。

圖6 添加不同粉末蟲膠漆膜的FTIR圖譜

3 結(jié)論

蟲膠是一種無毒無害的綠色涂料，其傳統(tǒng)的涂飾工藝中可以通過添加粉末來提高漆膜的性能。通過顏色、光澤度、粗糙度及FTIR紅外光譜圖的比較可以得出以下結(jié)論：(1)傳統(tǒng)工藝中的痱子粉可以增加漆膜的亮度，采用氧化鋁和鈦白粉作為填充物使顏色的亮度有所下降但并不明顯；(2)光澤度和粗糙度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氧化鋁和鈦白粉的填充效果要比痱子粉的效果略好；(3)紅外光譜圖的分析顯示了蟲膠漆膜的化學(xué)成分沒有明顯改變；(4)氧化鋁和鈦白粉代替?zhèn)鹘y(tǒng)的痱子粉在工藝上是可行的，可能會(huì)提高漆膜的耐候性，但是有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。