碳酸钙对水性木质材料涂膜调控研究

徐翰林　闫小星　章伟　邱子枫　付佳铭　陈硕秋

摘 要：文章利用CaCO3作为改性剂，通过对CaCO3与水性涂料的质量比、干燥时间和干燥温度这三个影响因素进行试验，找到能改善水性木器涂料性能的方法。在CaCO3改性中，干燥时间是主要影响因素，在正交实验对工艺参数进行处理后发现，CaCO3与水性涂料的质量比为5%，干燥时间为10-15min，干燥温度为70℃时，水性木器的力学性能比较好。

关键词：水性涂料；优化；力学性能

中图分类号：S781.7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）36-0026-02

水性涂料种类繁多、应用广泛，因为以水作溶剂，所以绿色环保[1]。在种类众多的水性涂料中，水性木器涂料无毒环保、附着力好、涂刷效果佳，因此选择此涂料为主要研究对象，保证较好的实验效果。CaCO3在涂料中对底漆有良好作用，因此本实验选取碳酸钙为改性剂，改善水性涂料在实际生产生活应用中存在的缺点。鉴于水性涂料相关的研究不多，涂料的力学和光学性能优势不够明显[2]，本文通过实验分析，为木器涂饰能够形成高质量涂层找到良好參数。

1 实验部分

1.1 材料

目前实验使用未经特别处理的分析纯。CaCO3的规格是99.5%，200±30nm，作为改性剂使用。

1.2 涂层制备

先对基板进行预处理，即用砂纸打磨木材表面，然后除去油层、涂底涂料，最后放在烘箱中按照设定的时间烘干。将预先设计好量的CaCO3加入水性木器涂料，用玻璃棒将其混合搅拌均匀，在之前经底涂料处理好的木质基板（100mm×100mm×15mm）上，涂层厚度大约60μm。然后在烘箱内持续一定的温度（30与70℃）和干燥一定的时间时间（10与40min）。

1.3 测试与表征

涂层附着力的测算是根据GB/T1720-89，仪器是涂膜附着力实验仪。根据GB6739-86测定涂层硬度。

2 结果与讨论

2.1 正交实验分析

试验的变量很多，但本文有三个要素对实验结论有重要影响：CaCO3的含量、烘箱温度和干燥时间。采用正交实验对这三个要素进行优化，改善其对改性水性木器涂料性能的作用，使协同改性后的涂层力学性能最佳。在此实验中，三个组实验的量，变化范围如下：CaCO3的含量（A）：1.0%-5.0%，烘箱温度（B）：30°C-70°C，干燥时间（C）：10-40min。在每个要素中选两个水平。要素A的第一水平是1.0%CaCO3，第二水平是5.0%CaCO3。要素B的第一水平是烘箱温度30°C，第二水平是烘箱温度70°C。干燥时间变量中，要素C的第一水平是10min，第二水平是40min。

CaCO3的含量、烘箱温度以及干燥时间这三个要素对水性木器涂层的力学性能影响较大。在正交实验中，我们主要分析改性条件对附着能力的影响，精确工艺参数，讨论改性对其他力学性能是否有影响以及其程度。

在同一列中，计算出了与同一个要素相关的最大平均附着力和最小平均附着力的极差（R），写在表1的末排。R越大，因素被影响程度最大。通过比较它们的极差R的值，CaCO3的含量、干燥时间、烘箱温度三个影响要素中，CaCO3的含量和干燥温度对附着力的影响极差R都为0.5，而干燥时间的影响极差R为1.5。干燥时间对改性水性木器涂层的附着力影响最大，CaCO3含量和烘箱温度的影响次之。另外，表1显示，样品2#和3#的涂层附着力值接近，附着力比样品1#和4#更低，因此在独立试验中为了节能，将CaCO3的量固定为5%，干燥温度固定为70°C。

2.2 CaCO3对水性木器涂层力学性能的影响

根据以上的正交试验，为研究CaCO3的关键作用，设计了下面一些实验：把CaCO3含量和干燥温度分别固定为5%和70°C。改变干燥时间为5min、10min、15min、20min。我们发现水性木器涂层的硬度的确受试验干燥时间的影响。图1展示了在其他条件不变时，水性木器涂层硬度随干燥时间变化的情况。由图可见，干燥时间由5min增长到15min，涂层的硬度保持为2H。继续增加干燥时间至20min，涂层硬度下降至H。在干燥时间5min时，涂层刚刚固化，硬度不高，但CaCO3具有较好的硬度，在涂层中的分散促使涂层硬度的改善。干燥时间延长到10-15min时，涂层固化了一定的时间，CaCO3与水性涂料分子结合更紧密，硬度较好维持在2H。当干燥时间延长到20min时，已经固化的涂层由于过度受热，产生膨胀，CaCO3与水性涂料分子间产生间隙，涂层变脆，降低硬度。因此，在涂层干燥时间5-15min时硬度较好。

图2表明了干燥时间和附着力之间的关系，对比空白样，明显看出CaCO3的加入对附着力影响较大。从图2中可以看出，干燥时间自5min增至15min，附着力保持在1级不变，有相当好的附着力。当进一步增加干燥时间至20min，涂层附着力降低至2级。涂层的内聚力和机械联锁和附着力密切相关[3]：干燥时间的增加导致CaCO3粒子数的增多，粒子之间的内聚力增强，连锁性也很好。然而，进一步将干燥时间增加，水性涂料中能够挥发的物质挥发，相对的，CaCO3含量的增加，附着力有所下降。此外，CaCO3的增多降低了涂层的弹性，减少能力损耗，使得涂层更为脆弱，附着力达到2级[4]。

3 结论

通过正交试验对配方构成、固化条件等工艺参数进行了优化，当CaCO3与水性涂料的质量比等于5%时，干燥温度为70°C，干燥时间为10-15min时，硬度和附着力分别达2H和1级。

参考文献：

[1]闫小星，赵静，吴燕，等.协同改性对水性UV木器涂料性能的影响[J].林业工程学报，2014，28（6）：75-78.

[2]毛卫国，闫小星，吴燕，等.CaCO3改性对UV固化木器涂料性能的影响[J].家具，2013（4）：26-29.

[3]马茜茜.聚丙烯薄膜（BOPP）的生产技术研究进展[J].化工管理，2015（31）：100-101.

[4]苏嘉辉，黄伟，杨雪娇，等.多官能度聚氨酯丙烯酸酯水性UV树脂的合成与性能表征[J].高分子材料科学与工程，2015，31（1）：13-18.endprint