幼兒用環(huán)保型油畫棒制備及性能測試

胡 媛，李宏飛

（1.陜西學前師范學院, 陜西 西安 710000；2.西北大學 化學與材料科學學院，陜西 西安 710127）

引 言

油畫棒的主要成分為蠟、無機填料、色料和油組分，書畫手感和效果極佳。自油畫棒被引入國內(nèi)后，快速成為了兒童主要書畫工具。目前，市面上存在的油畫棒主要為水性油畫棒、納米顏料油畫棒和油性油畫棒。陳湖雄[1]研制出一種油溶性油畫棒，該油畫棒的主要原料組分包括：白蜂蠟、石蠟、硬化油、白油、合成蠟、環(huán)保顏料和超細滑石粉等成分；牟連春[2]發(fā)明了一種性能更穩(wěn)定的水溶性油畫棒，其主要成分為：硬脂酸5～35 份，聚乙二醇4～15 份，平平加4～15 份，滑石粉50～80 份，顏料2～10 份，石蠟2～8份，己醇為4～7 份，鄰苯二甲酸丁芐酯為1～2 份，三己酸甘油酯為5～6 份，季戊四醇為3～6 份，山梨醇為5～7 份，月桂酸為4～7 份，丙二醇為1～3 份；王莉[3]發(fā)明了一種含納米顏料的油畫棒，主要成分為基質(zhì)46～60 份、納米顏料色漿1.5～12.5 份、普通顏料1.5～12.5 份、填充料40～125 份、溶劑油30～55 份；以上學者的研究為油畫棒的創(chuàng)新提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但主要顏料仍為無機顏料。無機顏料中含有的重金屬元素會對孩子身體健康造成極大的影響。因此尋找一種更為安全健康的油畫棒原料，成為當前美術(shù)繪畫領(lǐng)域思考和研究的重點。針對該問題，李娟麗[4]提出用高分子材料替代無機礦物顏料，并以丙烯材料為例探討了高分子油畫棒的實用性；安曉龍[5]則首次提出用熒烷顏料替代無機顏料，并對其性能進行研究。本研究在以上學者的研究基礎(chǔ)上，參考安曉龍的替代思路，用廉價和環(huán)保的LBC-25 顏料制備一種環(huán)保型的美術(shù)油畫棒，并對其性能進行表征。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗主要材料為：乳化蠟（揚州天詩新材料科技有限公司，T.P.試劑）、棕櫚油（湖北鑫潤德化工有限公司，T.P.試劑）、代可可脂（山東騰望化工有限公司，T.P.試劑）、滑石粉（棗強縣偉帥復合材料有限公司，AR）、草酸（濟南運澤化工有限公司，AR）、硬脂酸（廣州共信化工有限公司，AR）、白炭黑（河北健石新材料科技有限公司，AR）、LBC-25 染料（廣東翁江化學試劑有限公司，98%）。

本試驗主要儀器為：加熱攪拌反應釜（安徽華蕊實驗設(shè)備有限公司，HR-FYF-00）、三輥機（上海新勒機電科技有限公司，SS65）、差熱掃描熱分析儀（萊博特(天津)試驗機有限公司，LBT-42）、電子天平（上海儀天科學儀器有限公司，JY2002）、電子強力機（溫州際高檢測儀器有限公司，YG026PC）、恒溫恒濕箱（深圳市長旭機械設(shè)備有限公司，HW-225）。

1.2 試驗步驟

（1）按配比將乳化蠟、代可可脂、棕櫚油置于HR-FYF-00 型加熱攪拌反應釜中，充分攪拌使原料混合均勻，反應溫度和時間分別為95℃和155min。

（2）在反應釜中按配比加入LBC-25 染料、硬脂酸、白炭黑和滑石粉繼續(xù)攪拌，此時反應溫度和時間分別為95℃和23min；待熔融過程結(jié)束后，根據(jù)情況加入一定量草酸，混合均勻，得到液態(tài)混合料。

（3）用上海新勒機電科技有限公司生產(chǎn)的SS65型三輥機對液態(tài)混合物進行碾壓，待液態(tài)混合料變?yōu)榧毼⒘畎牍虘B(tài)物即可。

（4）將碾壓后產(chǎn)品繼續(xù)置于HR-FYF-00 型加熱攪拌反應釜熔融；熔融溫度保持在70℃左右。待固態(tài)全部變?yōu)橐簯B(tài)后即可注入模具冷卻，得到產(chǎn)物。

1.3 性能測試

1.3.1 熱學性質(zhì)測試

用萊博特試驗機有限公司生產(chǎn)的LBT-42 型差熱掃描熱分析儀分析樣品熱學性質(zhì)。具體步驟為：

（1）用JY2002 型電子天平稱取樣品8g；設(shè)置差熱掃描熱分析儀流速為50mL/min，測試環(huán)境為N2。

（2）開始試驗后，將溫度由0℃緩慢提升至90℃，溫度提升速率為2℃/min；溫度達到90℃后，以同樣的速率將溫度降低至0℃。根據(jù)樣品的熱熔圖，分析樣品的熱學性質(zhì)。

（3）熔融熱焓表示溫度變化導致的熱流量曲線與基線包圍的面積；由曲線上的溫度區(qū)間熱量所得反映該美術(shù)油畫棒的穩(wěn)定性。熔融熱焓越高，則該美術(shù)油畫棒熱穩(wěn)定性能越好。

1.3.2 抗折載荷性能測試

用溫州際高檢測儀器有限公司生產(chǎn)的YG026PC 型電子強力機測定樣品的抗折載荷性能。具體步驟為：

（1）提前將樣品置于HW-225 型恒溫恒濕箱內(nèi)養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度和時間分別為37℃和1h。

（2）將養(yǎng)護后樣品橫放于電子強力機的兩個支點上，控制支點間距離為40mm；保證樣品受力點在電子強力機中間位置。

（3）打開電子強力機，在樣品中央部位施加一定載荷。待樣品折斷后，停止加壓，記錄此時載荷強度。每組試驗進行6 次，取其平均值為最終結(jié)果。

（4）抗折載荷為美術(shù)油畫棒樣品所能承受最大力，能承受的荷載越大，表示其力學性能越優(yōu)異。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化鈉占脂鈉總和比例對LBC-25 染料油畫棒性能影響

表1 為乳化鈉占脂鈉總和比例的原料配合比。

表1 原材料配合比設(shè)計Table 1 The mix proportion design of raw materials

2.1.1 乳化鈉占脂鈉總和比例對LBC-25 染料油畫棒熱學性質(zhì)的影響

圖2 為乳化鈉占脂鈉總和比例的油畫棒熔融熱焓。由圖2 可知，隨著蠟脂比的增加，熔融熱焓表現(xiàn)出震蕩上升的趨勢。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是，在制備樣品的過程中，在鋁鍋底鋪平壓實達不到理想值造成的。但隨比例的增加，整體熔融熱焓還是表現(xiàn)出上升趨勢，比例超過40%時上升趨勢逐漸變緩。這是因為乳化蠟含量的增加，導致LBC-25 染料油畫棒材料體系晶型發(fā)生改變，穩(wěn)定性增加，因此熔融熱焓增長趨勢逐漸變得緩慢[6]。故在制備美術(shù)油畫棒時，應至少保證乳化蠟占蠟脂比總和的40%。

圖2 乳化蠟占蠟脂總和比例對LBC-25 染料油畫棒熔融熱焓的影響Fig. 2 The effect of the proportion of emulsified wax to total wax grease on the melting enthalpy of LBC-25 dye oil painting stick

2.1.2 乳化鈉占脂鈉總和比例對LBC-25 染料油畫棒抗折載荷性能的影響

圖3 為乳化蠟占蠟脂總和比例對美術(shù)油畫棒抗折載荷性能的影響。由圖3 可知，隨著乳化蠟占蠟脂總和比例的增加，抗折強度也隨之增加。當乳化蠟占蠟脂總和比例超過40%時，抗折強度增長趨勢逐漸變緩，說明乳化蠟占蠟脂總和比例為40%時，已經(jīng)達到最高載荷的點。再次證明在制備該美術(shù)油畫棒時，乳化蠟占蠟脂總和比例應該不小于40%。

圖3 乳化蠟占蠟脂總和比例對LBC-25 染料美術(shù)油畫棒抗折載荷性能的影響Fig. 3 The effect of the proportion of emulsified wax to total wax grease on the anti-bending load performance of LBC-25 dye oil painting stick

2.2 棕櫚油占比對LBC-25 染料油畫棒的影響

表2 不同棕櫚油含量的原料配合比Table 2 The mix proportion of raw materials with different palm oil contents

2.2.1 棕櫚油占比對LBC-25 染料油畫棒的熱學性質(zhì)的影響

圖4 為棕櫚油占比對油畫棒熔融熱焓的影響。由圖4 可知，隨棕櫚油所占比例的增加，LBC-25 染料油畫棒的熔融熱焓表現(xiàn)出三段式下降的趨勢。當棕櫚油占比為20%～30%時，出現(xiàn)平臺期，其余時段皆表現(xiàn)為下降趨勢。這是因為在制備過程中，當棕櫚油占比為20%～30%時，LBC-25 染料油畫棒整體體系晶型發(fā)生一定改變，整體性能更為穩(wěn)定[7～8]。因此在制備過程中，選擇棕櫚油占比為20%～30%最佳。

圖4 棕櫚油占比對LBC-25 染料油畫棒熔融熱焓的影響Fig. 4 The effect of palm oil ratio on the melting enthalpy of LBC-25 dye oil painting stick

2.2.2 棕櫚油占比對LBC-25 染料油畫棒抗折載荷性能的影響

圖5 為棕櫚油占比對LBC-25 染料油畫棒載荷抗折性能的影響。由圖5 可知，隨棕櫚油的增加，油畫棒載荷抗折性能逐漸減小。在棕櫚油占比為5%～15%時，減小的趨勢相對比較緩慢。這是因為棕櫚油的增加，造成一定干濕比的失衡，使得力學性能變差[9～10]。因此從力學方面考慮，在制備LBC-25 染料油畫棒時，棕櫚油占比應該不超過15%。

圖5 棕櫚油占比對LBC-25 染料油畫棒載荷抗折性能的影響Fig. 5 The effect of palm oil ratio on the anti-bending load performance of LBC-25 dye oil painting stick

2.3 滑石粉占比對LBC-25 染料油畫棒性能的影響

表3 為不同滑石粉含量的原料配合比。

表3 不同滑石粉含量的原料配合比Table 3 The mix proportion of raw materials with different talc contents

2.3.1 滑石粉占比對油畫棒熔融熱焓影響

圖6 為滑石粉占比對LBC-25 染料油畫棒熔融熱焓影響。由圖6 可知，隨滑石粉占比的增加，熔融熱焓整體表現(xiàn)出下降趨勢。在占比為15%～25%時出現(xiàn)平臺期，此時熔融熱焓幾乎不再改變。這是因為加入15%～25%的滑石粉后，滑石粉在反應體系中充當晶核，對體系內(nèi)部結(jié)晶器有一定促進作用，使其熱性能變得更加穩(wěn)定。當滑石粉占比超過25%后，滑石粉含量過多，反而限制了體系內(nèi)大分子運動，影響結(jié)晶[11]。因此從油畫棒熱穩(wěn)定考慮，制備LBC-25 染料油畫棒時，滑石粉比例應該為15%～25%最佳。

圖6 滑石粉占比對LBC-25 染料油畫棒熔融熱焓影響Fig. 6 The effect of talc proportion on the melting enthalpy of LBC-25 dye oil painting stick

2.3.2 滑石粉占比對LBC-25 染料油畫棒抗折載荷性能的影響

圖7 為滑石粉占比對LBC-25 染料油畫棒抗折載荷性能影響。由圖7 可知，隨滑石粉占比的增加，LBC-25 染料油畫棒抗折性能整體表現(xiàn)出震蕩上升的趨勢，但上升程度不高。在滑石粉占比25%、40%和50%時，力學性能出現(xiàn)稍微下降的趨勢，這是因為滑石粉在體系分布不均導致的[12～14]。綜合滑石粉占比對熔融熱焓的影響，滑石粉占比20%為最佳選擇。

圖7 滑石粉占比對LBC-25 染料油畫棒抗折載荷性能影響Fig. 7 The effect of talc proportion on the anti-bending load performance of LBC-25 dye oil painting stick

3 結(jié) 論

本文以滑石粉、棕櫚油、LBC-25 染料等為主要原材料，制備用于幼兒的環(huán)保型美術(shù)油畫棒，得出以下結(jié)論：

（1）隨乳化蠟占蠟脂總和比例的增加，LBC-25染料油畫棒的熔融熱焓和抗折載荷皆表現(xiàn)出上升趨勢。當乳化蠟占蠟脂總和比例為40%時，油畫棒熔融熱焓和抗折載荷上升趨勢皆變得緩慢。因此可推算，當乳化蠟占蠟脂總和比例40%是制備LBC-25 染料油畫棒的最佳選擇。

（2）隨棕櫚油占比的增加，美術(shù)油畫棒的熔融熱焓和抗折載荷皆表現(xiàn)為下降趨勢。當棕櫚油占比在20%～30%時，油畫棒熔融熱焓出現(xiàn)平臺期，熱學性能較為穩(wěn)定。但棕櫚油占比超過15%時，干濕比失衡，力學性能差。綜合考慮，制備LBC-25 染料油畫棒時，選擇棕櫚油占比為15%。

（3）滑石粉占比對油畫棒熔融熱焓影響較大，對抗折載荷性能影響較小。隨滑石粉占比的增加，熔融熱焓出現(xiàn)下降趨勢。在滑石粉占比為15%～25%時出現(xiàn)平臺期，熱學性能穩(wěn)定?；壅急冗^多會導致滑石粉分布不均，對滑石粉性能產(chǎn)生影響。因此建議制備LBC-25 染料油畫棒時，滑石粉占比為20%。

綜上所述，制備LBC-25 染料油畫棒最佳配比為：蠟脂比40%，棕櫚油占比15%，滑石粉占比20%。