松香濃度對蟲膠表面涂飾性能的影響

陳晶宇， 黃 慧， 王書玨

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設(shè)計學院，江蘇 南京 210037)

1 研究背景

蟲膠，又稱為紫膠，是紫膠蟲吸取寄主樹樹液后分泌出的紫色天然樹脂，又稱蟲膠、赤膠、紫草茸等，主要含有紫膠樹脂、紫膠蠟和紫膠色素[1]。蟲膠的主要產(chǎn)地來源為印度、泰國、孟加拉國與中國等，其中在中國的主要原產(chǎn)地為云南地區(qū)，現(xiàn)產(chǎn)區(qū)已經(jīng)得到擴大，產(chǎn)量有大幅提高[2]。蟲膠的應用領(lǐng)域非常廣泛，因其具有棕紅色光澤、成膜性，因此最初被用于提取色素，作為涂飾材料[3]。隨著對蟲膠的了解與研究的不斷深入，蟲膠的可利用范圍不斷擴大，時至今日，蟲膠已可用于醫(yī)藥、軍事、涂飾、食品、化妝品、染料、古文物保護與修復等許多領(lǐng)域[4]。

松香是松樹科植物中的一種油樹松脂，主要成分為C19H29COOH，能溶于乙醇、乙醚等有機溶液中[5]。松香可從世界各地類似松樹的多種樹種中獲得，具有防潮、防腐、絕緣等優(yōu)良性能。由于松香含有雙鍵和羧基，能跟蟲膠溶液相溶，相關(guān)研究松香和蟲膠混合可以提高蟲膠漆膜的抗老化性能和耐酒精性能[6-7]。經(jīng)濟社會高速發(fā)展的今天，人們家具產(chǎn)品的要求在逐步提高。綠色環(huán)保[8-10]、康養(yǎng)設(shè)計[11-12]、無障礙設(shè)計[13-16]，富有文化內(nèi)涵[17-20]等特征已經(jīng)是影響消費者購買意愿的主要因素，故研究綠色傳統(tǒng)涂料的開發(fā)與應用具有重要的現(xiàn)實意義[21-22]。

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)，通過改變松香的濃度制作不同的蟲膠漆膜，以顏色、光澤度、粗糙度及表面化學成分的變化為評價標準，探究松香濃度對蟲膠漆膜性能的影響。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料及工具

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，南京化學試劑股份有限公司；松香20 g；市售痱子粉140 g，強生(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。

2.2 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空瓶中待用。

2.3 蟲膠漆膜的制備

制備涂層前楊木基材在溫度為20 ℃，相對濕度為55%的環(huán)境中處理14天，其含水率為12%左右。用360號砂紙對基材進行表面砂光。砂光后對基材進行表面涂刷，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)后進行拋光處理。

拋光處理之前需對涂刷后的試件進行砂光(360號砂紙)，砂光之后在木材表面分別均勻放置少量的痱子粉、氧化鋁和二氧化鈦(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行拋光，初始圓周式拋光，八字螺旋拋光和縱向運動平行拋光。反復拋光直到獲得高光的涂層。蟲膠涂層拋光方法示意圖如圖1所示。

圖1 蟲膠涂層拋光方法示意圖

2.4 蟲膠漆膜顏色比較

本試驗采用CAPSURETM彩通色彩檢測儀(RM200-PT01)對添加不同粉末的蟲膠漆膜進行顏色對比。該儀器采用國際照明委員會推薦的CIE1976(L*，a*，b*)標準色度學表色系統(tǒng)。采用的光源為D65標準光源，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，測量范圍為直徑8 mm。每個試件取鄰邊界2 cm處為測點，每個試件取四個測點，所有試件的測點取平均值，并與痱子粉為填充材料的進行比較。蟲膠漆膜顏色比較測點示意圖如圖2所示。

圖2 蟲膠漆膜顏色比較測點示意圖

2.5 蟲膠漆膜光澤度比較

本試驗采用HG268型號的光澤度計(三恩時科技有限公司，深圳)對添加不同粉末的蟲膠漆膜進行光澤度對比。該儀器符合ISO 2813、ASTM D 523、GB/T 9754、ASTM D 2457標準，選取的入射角分別為20°，60°和85°。每個試件取四個測點，取點方法與測量方法如圖2所示。

2.6 蟲膠漆膜粗糙度比較

本試驗采用JB-4C觸針式精密粗糙度儀(泰明光學儀器有限公司，上海)對添加不同粉末的蟲膠漆膜進行表面粗糙度測定，觸針式粗糙度儀是一種接觸式測量儀器，采用針描法進行測量。該儀器符合國家標準GB/T 3505-2000、GB/T 6062-2001、GB/T 10610-1998及國際標準ISO 5436和ISO 11562。觸針式粗糙度儀由觸針測頭、驅(qū)動箱和工作臺等部件組成，工作時觸針在試件表面上滑動，試件表面的上下起伏造成了觸針的移動，這種移動經(jīng)電子裝置轉(zhuǎn)化為電信號輸出，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試件，每個試件選取不同的兩處進行測量。選取具有代表性的參數(shù)Ra，Rq和Rt作為評價蟲膠漆膜粗糙程度的主要參數(shù)。

2.7 蟲膠漆膜化學成分分析

本試驗采用布魯克傅里葉紅外光測譜儀(Bruker Vertex 70)對老化前后的試件表面進行紅外光譜分析，光譜掃描范圍為4 000～4 00 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為24次。

3 結(jié)果與討論

3.1 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。圖3為添加不同粉末試件與未添加粉末試件顏色的比較。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比可以看出，傳統(tǒng)粉末痱子試件顏色亮度L*增加的同時a*和b*的值也在增加，色彩的飽和度增加至58.5。添加氧化鋁和二氧化鈦粉末的試件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；同時顏色的飽和度是也下降至52.0和52.5。鑒于上述試驗結(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

3.2 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)境和場所。本實驗對使用不同粉末填充的蟲膠漆涂飾木塊試件的光澤度進行測量，分析每組木塊光澤度平均值的差異，每種粉末有5個試件，對20組光澤度的數(shù)據(jù)進行處理，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，當入射角度為20°、60°、85°時，比值分別為18.4、47.7、46.4。通過添加不同粉末試件光澤度的對比可以看出，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，當入射角度為20°時添加痱子粉的試件數(shù)值大于鈦白粉，當入射角度為60°和85°時添加痱子粉的試件數(shù)值小于鈦白粉。鑒于上述實驗結(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

3.3 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粗糙度參數(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，評價表面整體的不平度，Rt是評價長度內(nèi)輪廓最高點和最低點之間的距離。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，Ra和Rq的減少量并不多，Rt的減少幅度較大，其原因是粉末對管孔的填充作用。三種粉末的填充效果相對比，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

3.4 化學成分分析

FTIR紅外光譜圖是表征材料表面化學成分或化學變化的重要手段。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個強吸收峰3 400 cm-1、2 925 cm-1和2 855 cm-1，主要是羥基OH伸縮振動、甲基CH3與亞甲基CH2的伸縮振動。通過四個圖譜的對比可以看出這三個吸收峰沒有明顯的變化。在1 900 cm-1～4 00 cm-1區(qū)域有1 690 cm-1吸收強峰是C=O和C=C的伸縮振動造成的，1 460 cm-1和1 383 cm-1C-H鍵的振動。1 237 cm-1和1 016 cm-1的吸收分別為O-H和C-H的振動，對比四個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)生明顯的化學變化。

圖6 添加不同粉末蟲膠漆膜的FTIR圖譜

4 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)光澤度和粗糙度的試驗結(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)的痱子粉實施工藝上可行，可能會提高漆膜的耐候性，但是有待于進一步驗證。