一種新型環(huán)保畫筆顏料制備及應(yīng)用性能研究

摘 要：為推動綠色發(fā)展，本試驗以丙烯酸樹脂為主要材料制備環(huán)保畫筆顏料，并通過表面張力測試、接觸角測試、熱重分析和附著性測試對畫筆顏料配方進(jìn)行優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，最佳助溶劑為乙醇，此時，畫筆顏料的表面張力和接觸角均最小，分別是32.8 mN·m -1 、42.5°，潤濕性最好；最佳表面活性劑為OP-10，此時，畫筆顏料的潤濕性最佳；在丙烯酸樹脂中摻入附著力促進(jìn)劑，可以提高樹脂熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)畫筆顏料附著性。

最佳附著力促進(jìn)劑為乙烯基三甲氧基硅烷。在優(yōu)選助溶劑、表面活性劑以及附著力促進(jìn)劑下，試驗制備的環(huán)保畫筆顏料綜合性能良好，可以用于美術(shù)繪畫。

關(guān)鍵詞：丙烯酸樹脂；表面張力；接觸角；附著性；熱穩(wěn)定性

中圖分類號：TQ628.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0020-04Preparation and application performance research of a newenvironmentally friendly brush pigment for art paintingFENG Ruifen，WANG Jing（Xi’an Siyuan University，Xi’an 710038，China）

Abstract：To promote green development，in this experiment acrylic resin was used as the main material to prepareenvironmentally friendly brush materials，and the brush material formula was optimized through surface tension test?ing，contact angle testing，thermogravimetric analysis，and adhesion testing. The experimental results show thattheoptimal co solvent was ethanol. At this time，the surface tension and contact angle of the brush material were thesmallest，which were 32.8 mN·m -1 、42.5°respectively，and the wettability was the best. The optimal surfactant wasOP-10，at which point the wettability of the brush material was the best. Adding adhesion promoter to acrylic resincould improve the thermal stability of the resin and enhance the adhesion of brush materials. The best adhesion pro?moter was vinyl trimethoxysilane. Under the optimal selection of solvents，surfactants，and adhesion promoters，theenvironmentally friendly brush material prepared in this experiment has good comprehensive performance and canbe used for art painting.

Key words：acrylic resin；surface tension；contact angle；adhesion；thermal stability

隨著綠色科學(xué)發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)，人民的環(huán)保意識不斷提高，也更加注重繪畫用的畫筆顏料的環(huán)保性和藝術(shù)性。而丙烯顏料有著無毒、環(huán)保等優(yōu)點，是一種常用的美術(shù)繪畫顏料?；诖?，關(guān)于丙烯顏料的研究成為美術(shù)繪畫領(lǐng)域發(fā)展的一個熱點。對此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。如通過丙烯酸樹脂包覆的方式，對C.I.顏料黃14進(jìn)行改性，并研究該改性顏料性能 [1] 。另外，為解決在傳統(tǒng)工業(yè)漆生產(chǎn)中的環(huán)境污染問題，制備了一種環(huán)保型水性工業(yè)漆，并對其性能進(jìn)行研究[2] 。除此之外，合成了一種水性聚丙烯酸樹脂，并研究該水性顏料墨水的應(yīng)用效果 [3] 。為進(jìn)一步提高畫筆顏料的環(huán)保性、附著力以及成品穩(wěn)定性，試驗以丙烯酸樹脂為主要材料，制備一種美術(shù)繪畫用的環(huán)保畫筆顏料。通過單因素試驗對畫筆顏料中添加的助溶劑、表面活性劑以及附著力促進(jìn)劑進(jìn)行優(yōu)選。

1 試驗部分

1. 1 材料與設(shè)備

主要材料：丙烯酸樹脂E0504（工業(yè)純，三一樹脂科技）；氧化鐵紅（工業(yè)純，宗潤礦產(chǎn)）；潤濕劑T-80（工業(yè)純，鴻河化工）；消泡劑BK-L099（工業(yè)純，多美多新材料）；三（2-羥乙基）胺（工業(yè)純，盛潤化工）；8-羥基唑啉（工業(yè)純，薪和化工）；聚乙二醇（工業(yè)純，鴻騰偉業(yè)新材料，PEG400）；分散劑MOA-5（工業(yè)純，海安石化）；助溶劑乙醇（AR，鑫泉石油化工）；助溶劑甲醇（AR，常興新材料）；助溶劑乙二醇（AR，龍飛環(huán)保新材料）；表面活性劑OP-10（工業(yè)純，國原新材料）；表面活性劑MOA-3（工業(yè)純，海安石化）；MN-500表面活性劑聚醚（工業(yè)純，富飛化工）；促進(jìn)劑A — —乙烯基三甲氧基硅烷（工業(yè)純，利鳴化工）；促進(jìn)劑B — —三乙氧基乙烯基硅烷（工業(yè)純，羅恩硅材料）；促進(jìn)劑C — —三氯烯丙基硅烷（工業(yè)純，成豐化工）。

主要設(shè)備：RD1020 型電子天平（榮達(dá)儀器）；YY-YYDS0.5型砂磨機(jī)（永延納米科技）；DF-101S型磁力攪拌器（赫名儀器）；SN-ZL200型表面張力儀（三諾儀器）；ST-200A型接觸角測試儀（思泰儀器）；DZ-TGA105型熱重分析儀（大展檢測儀器）。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 畫筆顏料的制備

（1）通過電子天平稱量0.05 g的BK-L099、1.75 g的T-80、12 g的MOA-5以及0.5 g的三（2-羥乙基）胺，然后將這些添加劑加入到50.2 g去離子水中；

（2）再用電子天平稱取甲醇、乙二醇、乙醇這3種助溶劑各5.5 g，分別加入步驟（1）中的去離子水中，并添加30 g的氧化鐵紅 [4] ；

（3）用攪拌機(jī)以200 r/min的速度對步驟（2）中各物料進(jìn)行攪拌處理1.5 h，再加入到研磨機(jī)中，以60%填充率和1 500 r/min的速度進(jìn)行研磨處理3 h，獲得不同助溶劑的畫筆顏料。

1. 2 . 2 畫筆顏料配方優(yōu)化

（1）助溶劑。用電子天平分別稱取59.5 g去離子水和20 g丙烯酸樹脂，然后用攪拌機(jī)以200 r/min的轉(zhuǎn)速將去離子水和丙烯酸樹脂攪拌15 min。之后，向樹脂溶液中加入 0.1 g 的 8-羥基唑啉、0.05 g 的BK-L099、0.3 g的PEG400。再加入1.2.1中不同助溶劑的畫筆材料20 g，用攪拌機(jī)以200 r/min的速度進(jìn)行攪拌處理2 h，獲得不同助溶劑的畫筆顏料測試試樣，備用；

（2）表面活性劑。用電子天平分別稱取 59.3 g去離子水和 20 g 丙烯酸樹脂，然后用攪拌機(jī)以200 r/min 的轉(zhuǎn)速將去離子水和丙烯酸樹脂攪拌15 min。之后，向樹脂溶液中加入0.1 g的8-羥基唑啉、0.05 g的BK-L099、0.3 g的PEG400。再加入優(yōu)選助溶劑的畫筆材料 20 g，以及不同的表面活性劑0.2 g，分別用攪拌機(jī)以200 r/min的速度進(jìn)行攪拌處理2 h，獲得不同表面活性劑的畫筆顏料測試試樣，備用 [5-6] ；

（3）附著力促進(jìn)劑。在步驟（1）和步驟（2）中優(yōu)選助溶劑和表面活性劑基礎(chǔ)上，向畫筆顏料中分別添加不同的促進(jìn)劑，攪拌均勻后，獲得不同附著力促進(jìn)劑的畫筆顏料測試試樣，備用。其中，附著力促進(jìn)劑在畫筆顏料中的摻量分別是 0.1%、0.5%、0.9%。

1. 3 性能測試

1. 3. 1 潤濕性測試

通過表面張力儀和接觸角測量儀對各畫筆顏料試樣進(jìn)行表面張力和接觸角測試，分析各畫筆顏料試樣的潤濕性。

1. 3. 2 熱重分析（TG）

通過熱重分析儀，以5 ℃/min的升溫速率對試樣進(jìn)行測試，分析各材料的熱失重曲線。

1. 3. 3 附著性測試

對各畫筆顏料試樣進(jìn)行附著性測試，分析各畫筆顏料試樣的附著性強(qiáng)度。其中，附著性強(qiáng)度等級以數(shù)字1～5表示，從1～5各數(shù)字依次表示不被擦除、擦除1/4、擦除1/3、擦除1/2和全部擦除。根據(jù)附著性強(qiáng)度等級對畫筆顏料附著性進(jìn)行分析，畫筆顏料的附著性強(qiáng)度等級數(shù)字越小，則代表其附著性越好。

2 結(jié)果與分析

2. 1 助溶劑的選擇

在畫筆顏料中添加有機(jī)助溶劑可以更好地溶解樹脂、分散劑，提高畫筆顏料的潤濕性 [7-8] 。本試驗在畫筆顏料中分別添加乙醇、甲醇、乙二醇這3種有機(jī)助溶劑，并對各畫筆顏料的潤濕性進(jìn)行測試，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，當(dāng)以乙二醇為助溶劑時，畫筆顏料表面張力和接觸角均最大，分別是39.1 mN/m、54.8°。

當(dāng)添加的有機(jī)助溶劑為甲醇時，畫筆顏料的表面張力和接觸角均適中，分別是35.3 mN/m、50.6°。當(dāng)添加的有機(jī)助溶劑為乙醇時，畫筆顏料的表面張力和接觸角均最小，分別是32.8 mN/m、42.5°。對于美術(shù)繪畫用環(huán)保畫筆顏料，其表面張力和接觸角越小則代表畫筆顏料的潤濕性越好 [9-11] 。由此可見，當(dāng)以乙醇作為有機(jī)助溶劑時，畫筆顏料的潤濕性最佳。本試驗選擇的有機(jī)助溶劑為乙醇。

2. 2 表面活性劑的選擇

在美術(shù)繪畫中，為保證畫筆顏料繪畫效果良好，需要使畫筆顏料的表面張力低于繪畫底材。因此，需要在畫筆顏料中添加表面活性劑，改善其潤濕性，從而降低其表面張力和接觸角 [12] 。試驗在畫筆顏料中分別添加OP-10、MN-500、AEO-12這3種表面活性劑，測試結(jié)果見圖2。

由圖2可知，當(dāng)在畫筆顏料中添加OP-10時，表面張力和接觸角均最小，分別是33.8 mN/m、41.3°。當(dāng)畫筆顏料中添加AEO-12表面活性劑時，畫筆顏料的表面張力和接觸角均增大，分別是 39.2 mN/m、48.6°。除此之外，當(dāng)在畫筆顏料中添加MN-500表面活性劑時，畫筆顏料的表面張力和接觸角均達(dá)到最大，分別是47.6 mN/m、56.5°。根據(jù)以上這些現(xiàn)象可知，當(dāng)在畫筆顏料中添加的表面活性劑為OP-10時，畫筆顏料的潤濕性最佳。綜上，為保證畫筆顏料具備較好的潤濕性，本試驗選擇的表面分散劑為OP-10。

2. 3 附著力促進(jìn)劑的選擇

2. 3. 1 熱重分析

試驗采用的樹脂材料為丙烯酸樹脂E0504，該樹脂有著較好的耐水性，且附著性較好。試驗在丙烯酸樹脂中分別添加附著力促進(jìn)劑A、B、C，并對各樹脂材料進(jìn)行熱失重測試，結(jié)果見圖3。其中添加附著力促進(jìn)劑A、B、C的樹脂材料試件命名為丙烯酸樹脂-A，以此類推。

由圖3可知，各樹脂材料的熱失重曲線均存在2個階段。第一個階段是在140 ℃之前，純丙烯酸樹脂以及添加各促進(jìn)劑的樹脂材料均受到物理作用，材料中的水分蒸發(fā)，因此，材料重量下降。熱失重曲線的第二個階段則在 340～430 ℃，在此階段，純丙烯酸樹脂以及添加各促進(jìn)劑的樹脂材料受到高溫加熱作用，其中的酸酐、高分子鏈等分解，因此，材料質(zhì)量再次下降 [13] ?？梢钥吹?，添加有不同附著力促進(jìn)劑的樹脂材料熱失重曲線基本相近。并且，添加不同附著力促進(jìn)劑的樹脂材料在熱失重曲線第二階段的起始分解溫度和最大分解溫度分別為 360、410 ℃。而對于純丙烯酸樹脂材料，其在熱失重曲線第二階段的起始分解溫度和最大分解溫度分別為340、390 ℃。由此可見，與純丙烯酸樹脂材料相比，添加附著力促進(jìn)劑的各樹脂材料的起始分解溫度以及最大分解溫度均較高。這說明，在丙烯酸樹脂中添加附著力促進(jìn)劑，可以提高其熱穩(wěn)定性。

2. 3. 2 附著性分析

根據(jù)1.3.3中的測試方法，對不同附著力促進(jìn)劑、不同附著力促進(jìn)劑摻量的各畫筆顏料進(jìn)行附著力測試，圖4為各畫筆顏料的附著力強(qiáng)度等級結(jié)果。

由圖4可知，隨著畫筆顏料中附著力促進(jìn)劑摻量的增加，各附著力促進(jìn)劑的畫筆顏料附著力強(qiáng)度等級均減小。這表明，增加畫筆顏料中的附著力促進(jìn)劑摻量，可以增強(qiáng)畫筆顏料在繪畫底材上的附著性。另外，觀察圖4可知，當(dāng)畫筆顏料中的附著力促進(jìn)劑摻量為1%時，摻有促進(jìn)劑A、B、C的畫筆顏料附著性強(qiáng)度等級分別是2、3、4。而當(dāng)畫筆顏料中的附著力促進(jìn)劑摻量為9%時，摻有促進(jìn)劑A、B、C的畫筆顏料附著性強(qiáng)度等級分別是1、1、3。在畫筆顏料中，附著力等級越小則代表畫筆顏料在繪畫底材上的附著性越好。綜合來看，各附著力促進(jìn)劑對畫筆顏料附著性的增強(qiáng)效果從大到小依次是A、B、C。

綜合分析可知，發(fā)生以上這些現(xiàn)象的主要原因是各促進(jìn)劑的分子結(jié)構(gòu)不同。附著力促進(jìn)劑A和B中含有水解基團(tuán)甲氧基、乙氧基，以及有機(jī)官能團(tuán)乙烯基。另外，附著力促進(jìn)劑A中含有的水解基團(tuán)為甲氧基，而附著力促進(jìn)劑B中的水解基團(tuán)為乙氧基 [14] 。由于甲氧基的體積更小，可以快速水解，因此，附著力促進(jìn)劑A在畫筆顏料中的附著性增強(qiáng)效果優(yōu)于附著力促進(jìn)劑B。除此之外，因為附著力促進(jìn)劑C中的水解基團(tuán)為Cl，所以，當(dāng)附著力促進(jìn)劑C進(jìn)行水解時，會產(chǎn)生HCl，使附著力促進(jìn)劑C中的分子不斷縮合為高分子 [15-16] 。綜上，為保證畫筆顏料具備較好的附著性，本試驗選擇的附著力促進(jìn)劑為促進(jìn)劑A，即乙烯基三甲氧基硅烷。

2. 4 畫筆應(yīng)用效果

在樹脂繪畫中常用丙烯酸顏料，但常見的丙烯酸顏料在干燥后會出現(xiàn)顏色變暗，不能長久保持最初顏色的問題。而樹脂材料具備較強(qiáng)的附著力、耐變黃，且用樹脂材料制作的成品穩(wěn)定性較高。因此，將樹脂材料與丙烯酸顏料相結(jié)合，形成一種全新的繪畫藝術(shù)效果，并使繪畫成果呈現(xiàn)出更多的立體感和層次感。圖5為本試驗制備的優(yōu)選畫筆顏料的繪畫效果示意圖。

由圖5可知，這種丙烯酸顏料蠟筆在繪畫時，塑造不同效果蠟筆不太會被水弄糊，畫出來會有柔和隨意的感覺。而且根據(jù)不同紙質(zhì)蠟筆畫出來的效果也會不同。比如粗糙的紙上蠟筆畫出來雖然有顆粒感顏色卻很飽和。該畫筆顏料在繪畫底材上分布均勻、繪畫效果較好，且具備良好的藝術(shù)效果。

3 結(jié)語

（1）各助溶劑對畫筆顏料的潤濕性效果從大到小依次為乙醇、甲醇、乙二醇。因此，最佳助溶劑為乙醇；

（2）各表面活性劑對畫筆顏料的潤濕效果從大到小依次為OP-10、AEO-12、MN-500。因此，最佳表面活性劑為OP-10；

（3）在丙烯酸樹脂中添加附著力促進(jìn)劑可以提高其熱穩(wěn)定性。各附著力促進(jìn)劑對畫筆顏料附著性的增強(qiáng)效果從大到小依次是A、B、C；

（4）實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，本實驗制備的這種蠟筆顏料，其給人的感覺雖然有顆粒感，但卻很飽和，表現(xiàn)出良好的繪畫效果。

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