水性树脂底漆对木材表面润湿性的影响

路周，胡进波，张默涵，苌姗姗，刘元*，郑磊，李贤军

(1. 中南林业科技大学材料科学与工程学院，长沙 410004；2. 希美埃(芜湖)机器人技术有限公司，安徽 芜湖 241000)

随着人们生活水平的提高，兼具实用性与装饰性的木器产品越来越受到消费者的欢迎，特别是经过精美涂饰的木器，近年来在家居市场占比较高。经过不同切割方式的木材呈现形态各异的美丽花纹，但这些自然花纹需要经过着色和涂装才能更清晰显现，才能更具立体感和触摸感[1-3]。随着科技的进步，人们对环保呼声的越来越高，水性涂料因其本身具有无色无味、绿色环保、低黏快干、高固含量、成本低等优点越来越受到企业和消费者的广泛关注[4]。然而到目前为止，水性涂料在木质材料的使用上还存在一些问题，如水性漆涂装对木材表面整洁度要求高、水性漆进入木材浅表面致涂膜干燥能量需求高、水性涂膜耐水性差等[5-6]，这些问题都可能与水性涂料在木材表面的渗透性有直接关系。

木器涂料按照施工的先后顺序，通常可分为底漆和面漆。底漆可认为是木材与面漆之间的过渡层，能增强涂层和木材之间的附着力，防止面漆渗透到木材孔隙影响漆膜的平整、美观。因此，底漆在木材表面的润湿性就非常重要，润湿性好则渗透性越好，涂料与木材形成的胶钉就越多，能够使其在木材表面形成一层均匀连续的漆膜，增强下一道面漆工序的层间附着力[7-8]。通常对于木器制品而言，木材表面润湿性能用底漆树脂与木材形成的接触角来衡量，用以观察和分析底漆在木材表面润湿铺展及黏附的难易程度和效果，是木材界面中最重要的参数之一[9-10]。对于水性漆涂装，研究木材表面水性树脂底漆润湿特性，可为改善木材表面加工性能及与其他材料的界面相容性等提供依据。为了研究水性树脂底漆与木材表面的润湿性，选取不同树种、不同类型的水性树脂底漆、底漆质量分数、干磨砂纸粒度4个影响木材接触角的因素，采用L25(56)正交表进行正交试验，分析判定影响水性树脂底漆在弦切板和径切板表面润湿性的因素；通过定量表征不同树种、不同板材表面细胞孔槽特性进一步证实其接触角的差异性根源，也为进一步探究不同树脂类型的水性树脂底漆在不同实木弦切面、径切面湿润性，以及为更好地完成木制品水性漆涂装提供基础技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料：马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、白橡(Quercusalba)、奥古曼(Aucoumeaklaineana)和非洲紫檀(Pterocarpussoyauxii)5种木材的弦、径切板。试材放置于恒温恒湿箱中，并将含水率调整为12%。

水性底漆：单组分水性丙烯酸树脂底漆(以下简称“MWD111”)、单组分水性丙烯酸改性聚氨酯底漆(以下简称“MWD311”)、双组分水性丙烯酸树脂底漆(以下简称“NHDD01A”)，市购某品牌产品。

辅助材料：600目(23 μm)、360目(75 μm)、180目(95 μm)干磨砂纸。

1.2 仪器设备与主要试剂

滑走式切片机，Nikon M568E光学显微镜，OCA15Plus视频光学接触角测定仪，1%番红染液，无水乙醇，加拿大中性树胶。

1.3 试验方法

1.3.1 木材表面接触角测定

将5种木材弦、径切板制成规格为60 mm×20 mm×20 mm的试件，试件无缺陷。分别用600目、360目、180目的砂纸打磨试件表面，直到木粉不粘砂纸为止。将3种水性树脂底漆和水依次配制成底漆质量分数分别为60%，70%，80%，90%，100%的水性树脂底漆。根据树种(A)、干磨砂纸粒度(B)、底漆种类(C)、底漆质量分数(D)4种因素，采用L25(56)正交表进行正交实验，用接触角测定仪测量底漆涂料在木材表面的接触角大小。正交试验的因素水平见表1。

表1 木材表面润湿性影响因素水平Table 1 Wood surface wettability influence factors and levels

1.3.2 显微观察与表面孔槽比测定

木材弦、径切面的孔槽比是指弦、径切面上孔槽面积占弦、径切面总面积的百分数。孔是指木材弦切面射线薄壁细胞因横向平剖而形成的凹孔结构。槽是指木材弦、径切面上轴向管胞、轴向薄壁组织、木纤维、导管、射线薄壁细胞因纵向平剖而形成的凹槽结构。

将规格为10 mm×10 mm×10 mm的5种木材小块水煮至下沉，用滑走式切片机在5种木材弦、径切面分别切下厚度为10～15 μm的切片，用加拿大中性树胶进行封固制成永久切片[11]；将切片置于光学显微镜下随机选取30个点观察并成像，将获得的木材弦、径切面图像导入image pro plus图像处理软件，通过标记弦、径切面的孔槽位置，计算孔槽面积值(sum)即S1，之后计算图像总面积S2。各个切面孔槽面积(S1)和全部图像面积(S2)的比值(N)，即为木材弦、径切面的孔槽比[12]。

图1 不同因素水平木材接触角大小Fig. 1 Wood contact angle under different factors

2 结果与分析

2.1 5种木材表面润湿性影响因素分析

2.1.1 正交试验极差分析

根据正交试验结果进行极差分析，结果见表2。由表2可知，5种木材弦、径切面的表面润湿性受水性树脂底漆质量分数的影响最为显著，影响润湿性的主次因素依次为D(底漆质量分数)、C(底漆种类)、A(树种)、B(干磨砂纸粒度)。影响水性树脂底漆渗透、润湿性最主要的因素是涂料的黏稠度，水性树脂底漆质量分数越低黏稠度越低，底漆越容易均匀渗透到木材表面的孔槽结构中，黏稠度与底漆本身关系密切，即受影响于底漆质量分数和种类[13]。此外，水性树脂底漆相对分子量的大小(即底漆种类)和木材表面孔槽结构的大小(即树种)也是制约水性树脂底漆能否均匀渗透到孔槽结构的关键[12]，但木材表面经不同粒度的干磨砂纸打磨后，不能从根本上改变木材表面整体的孔槽大小结构和切面孔槽面积占比，因此，对水性树脂底漆润湿性的影响不显著。

表2 木材表面润湿性影响因素正交实验极差值Table 2 Factors influencing wood surface wettability based on orthogonal experiment

不同因素水平下木材接触角大小情况见图1。整体而言，木材径切面的接触角小于弦切面，径切面的润湿性优于弦切面。从4个单一因素比较来看，如图1a所示，水性树脂底漆固含量越高，黏稠度越高，越易堵塞孔槽结构，使得水性树脂底漆在木材表面的接触角增大，润湿性减弱。虽然木材表面润湿性随着水性树脂底漆质量分数的增加而逐渐减弱，但是在涂装工艺方面，不同的水性树脂底漆质量分数只有控制在一定范围内才能保证后期的漆膜干燥质量，因此具体的水性树脂底漆的最佳质量分数值要根据后期漆膜的干燥质量综合考虑。图1b中单组分的水性树脂底漆和双组分的水性树脂底漆相比，单组分水性树脂底漆的润湿性更好，这与水性树脂底漆中树脂的分子量和木材表面孔槽大小有关，单组分水性树脂底漆的相对分子质量较小，更容易进入木材表面的孔槽结构，从而使润湿性能更佳；图1c所示，5种木材中针叶材的润湿性要优于阔叶材，杉木表面的润湿性最好，白橡的润湿性最差；图1d所示5种木材弦、径切面经180目砂纸打磨后的润湿性能最好，干磨砂纸粒度对木材表面润湿性影响不显著。

2.1.2 正交试验方差分析

对正交试验的结果进行了直观的极差分析，其优点是简单、直观、计算量较小，便于普及和推广，对于生产实际中的一般问题用直观分析法能够得到很好的解决[14]。但极差分析法不能估计试验过程中以及试验结果测定中必然存在的误差大小，因而不能真正区分某因素水平所对应的试验结果的差异究竟是由于水平的改变引起的，还是由于试验误差引起的。除此之外，极差分析对影响试验结果的各因素的重要程度不能给出精确的数量估计，也不能提供一个标准来考察、判断因素对试验结果的影响是否显著。因此，直观分析法得到的结论不够精确。为了进一步验证试验结果的准确性，根据树种(A)、干磨砂纸粒度(B)、底漆质量分数(C)、底漆种类(D)4种因素，对试验结果进行了进一步的方差分析，结果对比F值分布表得出：F0.01>FA>F0.05；FBF0.01；FD>F0.01，具体如表3、表4所示。

表3 木材径向表面润湿性影响因素正交试验方差分析Table 3 Wood radial surface wettability influence factor orthogonal test variance analysis results

表4 木材弦向表面润湿性影响因素正交试验方差分析 Table 4 Wood tangential surface wettability influence factor orthogonal test variance analysis results

a)松木径切面；b)松木弦切面；c)杉木径切面；d)杉木弦切面；e)奥古曼径切面；f)奥古曼弦切面；g)白橡径切面；h)白橡弦切面；i)非洲紫檀径切面；j)非洲紫檀弦切面。图2 5种木材弦、径切面微观结构Fig. 2 Micro images of wood tangential and radial sections

由表3、表4分析可知，根据F值大小，判断出影响木材表面润湿性因素的主次顺序是：底漆质量分数、底漆种类、树种、干磨砂纸粒度。底漆质量分数和底漆种类对试验影响非常显著，树种对试验影响显著，干磨砂纸粒度对实验影响不显著。进一步验证了极差分析结果。

2.2 5种木材表面孔槽比

2.2.1 微观构造

5种木材弦、径切面显微构造见图2。从图2可以看出，松木和杉木的纤维管胞分布均匀，单列较宽，平均宽度为30～65 μm，为粗结构，管胞纵剖面孔宽槽深；木射线为单列，少至中，高2～14个细胞，射线薄壁细胞水平壁薄，纹孔较多；管胞内纹孔清晰可见，管胞与射线薄壁细胞之间存在交叉场纹孔。

奥古曼、白橡、非洲紫檀3种阔叶材的木纤维排列致密，单列较窄，平均宽度为10～40 μm，腔小而壁厚；奥古曼木射线为多列木射线，射线类型为异性Ⅲ型，导管内纹孔清晰可见，导管壁上纹孔排列为互列纹孔；白橡和非洲紫檀为单列木射线，高5～14个细胞，且导管内部含有丰富的侵填体。

松木、杉木是国内典型的木器用针叶材，白橡是典型的欧美进口材，而奥古曼和非洲紫檀是典型的非洲进口材。从5种具有代表性的木材微观图像整体对比(图2)可发现，针叶材(松木、杉木)弦、径切面管胞形成的管槽面积大于阔叶材(奥古曼、白橡、非洲紫檀)弦、径切面细胞形成的管槽面积，且针叶材的管胞细胞壁明显很薄，整体厚度小于阔叶材细胞壁。

2.2.2 弦、径切面孔槽比

利用image pro plus图像处理软件计算木材弦、径切面的孔槽比，结果见表5。5种木材弦切面的孔槽比由高到低依次是松木、杉木、奥古曼、非洲紫檀、白橡，而径切面的孔槽比由高到低依次是杉木、松木、奥古曼、非洲紫檀、白橡。整体而言，5种木材径切面的孔槽比要高于弦切面，原因是木材弦切面存在射线薄壁细胞因横向平剖形成的凹孔结构，凹孔结构相对于凹槽结构壁腔比相对较小，从而导致木材径切面的孔槽比要高于弦切面。这也验证了上述正交试验结果中径切面的润湿性要优于弦切面，主要原因是径切面的孔槽比要高于弦切面，使得水性树脂底漆更易渗透到木材表面的孔槽结构中，从而导致径切面的润湿性要优于弦切面。

表5 5种木材弦、径切面孔槽比Table 5 Hole groove ratio of tangential and radial sections of five kinds of wood species

5种木材中针叶材(松木、杉木)的孔槽比明显高于阔叶材(奥古曼、白橡、非洲紫檀)。从微观图像上来看，针叶材轴向管胞的长和宽大于阔叶材木纤维，且针叶材的纤维管胞细胞壁厚度小于阔叶材木纤维，并且阔叶材弦切面木射线横向平剖形成的凹孔结构的数量也多于针叶材，因此针叶材弦、径切面的壁腔比大于阔叶材，从而导致针叶材的孔槽比高于阔叶材，其润湿性也优于阔叶材，而白橡和非洲紫檀导管内的侵填体堵塞孔槽，也是减弱其表面润湿性的原因[15]。

3 结 论

通过正交试验，采用极差和方差分析法对影响木材表面润湿性因素进行分析，并结合5种木材的微观图像和木材弦、径切面的孔槽比，对原因进一步解释说明。综合分析主要得到以下结论：

1)根据极差RD>RC>RA>RB，表明影响木材表面润湿性能的因素主次顺序依次为水性树脂底漆质量分数、水性树脂底漆种类、树种、干磨砂纸粒度，并用方差分析法进一步验证了其正确性，2种分析方法结果一致，即底漆质量分数和底漆种类对木材表面润湿性影响非常显著，树种对试验影响显著，干磨砂纸粒度对润湿性影响不显著。

2)5种木材径切面的孔槽比高于弦切面，针叶材弦、径切面的孔槽比高于阔叶材，从而导致径切面的润湿性优于弦切面，针叶材的润湿性优于阔叶材；单组分水性树脂底漆和双组分水性树脂底漆相比，单组分水性树脂底漆的润湿性更好。