碳酸鈣對水性木質材料涂膜調控研究

徐翰林　閆小星　章偉　邱子楓　付佳銘　陳碩秋

摘 要：文章利用CaCO3作為改性劑，通過對CaCO3與水性涂料的質量比、干燥時間和干燥溫度這三個影響因素進行試驗，找到能改善水性木器涂料性能的方法。在CaCO3改性中，干燥時間是主要影響因素，在正交實驗對工藝參數進行處理后發現，CaCO3與水性涂料的質量比為5%，干燥時間為10-15min，干燥溫度為70℃時，水性木器的力學性能比較好。

關鍵詞：水性涂料；優化；力學性能

中圖分類號：S781.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0026-02

水性涂料種類繁多、應用廣泛，因為以水作溶劑，所以綠色環保[1]。在種類眾多的水性涂料中，水性木器涂料無毒環保、附著力好、涂刷效果佳，因此選擇此涂料為主要研究對象，保證較好的實驗效果。CaCO3在涂料中對底漆有良好作用，因此本實驗選取碳酸鈣為改性劑，改善水性涂料在實際生產生活應用中存在的缺點。鑒于水性涂料相關的研究不多，涂料的力學和光學性能優勢不夠明顯[2]，本文通過實驗分析，為木器涂飾能夠形成高質量涂層找到良好參數。

1 實驗部分

1.1 材料

目前實驗使用未經特別處理的分析純。CaCO3的規格是99.5%，200±30nm，作為改性劑使用。

1.2 涂層制備

先對基板進行預處理，即用砂紙打磨木材表面，然后除去油層、涂底涂料，最后放在烘箱中按照設定的時間烘干。將預先設計好量的CaCO3加入水性木器涂料，用玻璃棒將其混合攪拌均勻，在之前經底涂料處理好的木質基板（100mm×100mm×15mm）上，涂層厚度大約60μm。然后在烘箱內持續一定的溫度（30與70℃）和干燥一定的時間時間（10與40min）。

1.3 測試與表征

涂層附著力的測算是根據GB/T1720-89，儀器是涂膜附著力實驗儀。根據GB6739-86測定涂層硬度。

2 結果與討論

2.1 正交實驗分析

試驗的變量很多，但本文有三個要素對實驗結論有重要影響：CaCO3的含量、烘箱溫度和干燥時間。采用正交實驗對這三個要素進行優化，改善其對改性水性木器涂料性能的作用，使協同改性后的涂層力學性能最佳。在此實驗中，三個組實驗的量，變化范圍如下：CaCO3的含量（A）：1.0%-5.0%，烘箱溫度（B）：30°C-70°C，干燥時間（C）：10-40min。在每個要素中選兩個水平。要素A的第一水平是1.0%CaCO3，第二水平是5.0%CaCO3。要素B的第一水平是烘箱溫度30°C，第二水平是烘箱溫度70°C。干燥時間變量中，要素C的第一水平是10min，第二水平是40min。

CaCO3的含量、烘箱溫度以及干燥時間這三個要素對水性木器涂層的力學性能影響較大。在正交實驗中，我們主要分析改性條件對附著能力的影響，精確工藝參數，討論改性對其他力學性能是否有影響以及其程度。

在同一列中，計算出了與同一個要素相關的最大平均附著力和最小平均附著力的極差（R），寫在表1的末排。R越大，因素被影響程度最大。通過比較它們的極差R的值，CaCO3的含量、干燥時間、烘箱溫度三個影響要素中，CaCO3的含量和干燥溫度對附著力的影響極差R都為0.5，而干燥時間的影響極差R為1.5。干燥時間對改性水性木器涂層的附著力影響最大，CaCO3含量和烘箱溫度的影響次之。另外，表1顯示，樣品2#和3#的涂層附著力值接近，附著力比樣品1#和4#更低，因此在獨立試驗中為了節能，將CaCO3的量固定為5%，干燥溫度固定為70°C。

2.2 CaCO3對水性木器涂層力學性能的影響

根據以上的正交試驗，為研究CaCO3的關鍵作用，設計了下面一些實驗：把CaCO3含量和干燥溫度分別固定為5%和70°C。改變干燥時間為5min、10min、15min、20min。我們發現水性木器涂層的硬度的確受試驗干燥時間的影響。圖1展示了在其他條件不變時，水性木器涂層硬度隨干燥時間變化的情況。由圖可見，干燥時間由5min增長到15min，涂層的硬度保持為2H。繼續增加干燥時間至20min，涂層硬度下降至H。在干燥時間5min時，涂層剛剛固化，硬度不高，但CaCO3具有較好的硬度，在涂層中的分散促使涂層硬度的改善。干燥時間延長到10-15min時，涂層固化了一定的時間，CaCO3與水性涂料分子結合更緊密，硬度較好維持在2H。當干燥時間延長到20min時，已經固化的涂層由于過度受熱，產生膨脹，CaCO3與水性涂料分子間產生間隙，涂層變脆，降低硬度。因此，在涂層干燥時間5-15min時硬度較好。

圖2表明了干燥時間和附著力之間的關系，對比空白樣，明顯看出CaCO3的加入對附著力影響較大。從圖2中可以看出，干燥時間自5min增至15min，附著力保持在1級不變，有相當好的附著力。當進一步增加干燥時間至20min，涂層附著力降低至2級。涂層的內聚力和機械聯鎖和附著力密切相關[3]：干燥時間的增加導致CaCO3粒子數的增多，粒子之間的內聚力增強，連鎖性也很好。然而，進一步將干燥時間增加，水性涂料中能夠揮發的物質揮發，相對的，CaCO3含量的增加，附著力有所下降。此外，CaCO3的增多降低了涂層的彈性，減少能力損耗，使得涂層更為脆弱，附著力達到2級[4]。

3 結論

通過正交試驗對配方構成、固化條件等工藝參數進行了優化，當CaCO3與水性涂料的質量比等于5%時，干燥溫度為70°C，干燥時間為10-15min時，硬度和附著力分別達2H和1級。

參考文獻：

[1]閆小星，趙靜，吳燕，等.協同改性對水性UV木器涂料性能的影響[J].林業工程學報，2014，28（6）：75-78.

[2]毛衛國，閆小星，吳燕，等.CaCO3改性對UV固化木器涂料性能的影響[J].家具，2013（4）：26-29.

[3]馬茜茜.聚丙烯薄膜（BOPP）的生產技術研究進展[J].化工管理，2015（31）：100-101.

[4]蘇嘉輝，黃偉，楊雪嬌，等.多官能度聚氨酯丙烯酸酯水性UV樹脂的合成與性能表征[J].高分子材料科學與工程，2015，31（1）：13-18.endprint