不同粉末对虫胶漆膜性能的影响

史诗琪， 黄 慧， 尤 江， 宁依微

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

虫胶(Shellac)因其颜色多呈紫色、褐色或深红色，亦称为紫胶、赤胶、紫草茸等，是一种吸取树液为生的紫胶虫分泌的树脂，经采集、割虫胶粒、热熔、过滤、提纯、脱蜡等工序，最后制成片状半透明固体[1]。虫胶主要产于印度、泰国、孟加拉等东南亚国家，中国西南地区(云南为主)也是虫胶的重要产地。虫胶是一种天然的混合物，主要由紫胶树脂(75～85%)、紫胶色素(4～8%)及少量的紫胶蜡(5～6%)组成[2-3]，能完全溶解在甲醇和乙醇等溶剂中。虫胶具有无毒、生理无害、生物可降解、可塑成膜等优点[4]，广泛应用于食品、医药、装饰等行业[5]。由于其还具有绝缘、阻隔潮湿等特点，在电子、军事领域中也得到广泛应用[6]。

虫胶漆密封性好，而且不溶于苯类、酯类溶液以及油类，有隔离涂层的作用，因此常应用于涂饰工业。虫胶经改良后可以应用在船舶、建筑、家居、乐器等领域。同时虫胶漆有美化和防护的双重作用，常作为木材产品的涂饰材料[7-8]。虫胶作为木制家具涂饰材料的历史悠久，17世纪以法国为代表的欧洲对虫胶的涂饰十分狂热，是巴洛克和洛可可式浪漫主义家具形成和发展的物质基础，虫胶也被很多艺术家用作与其他树脂混合的涂料清漆[9]。

经济社会高速发展的今天，人们对家具产品的要求在逐步提高。绿色环保[10-12]、康养设计[13-14]、无障碍设计[15-18]、富有文化内涵[18-20]等特征已经是影响消费者购买意愿的主要因素。木材是一种天然的具有多孔型结构的材料，为获得高光涂层，在虫胶漆的抛光过程中通常采用粉末进行填充。传统涂饰工艺中常添加痱子粉(主要成分滑石粉、碳酸镁和碳酸钙)。氧化铝、钛白粉等白色金属氧化物的形态和颜色与痱子粉接近，但其具有吸收阳光的作用，常用作光触媒[21]。用纳米级氧化铝、钛白粉等粉末代替传统涂饰工艺中的痱子粉可能有助于提高虫胶漆膜的耐光老化性能。

鉴于上述研究背景，本文以虫胶漆的传统制备方法和涂饰工艺为基础，采用氧化铝和钛白粉粉末代替痱子粉制作不同的虫胶漆膜，以颜色、光泽度、粗糙度及表面化学成分的变化为评价标准，探究其他粉末对虫胶漆膜性能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 试验材料及工具

基材：加拿大杨木(Canadian Aspen)，含水率为12±2%，尺寸为100 mm×80 mm×8 mm的径切板，无缺陷，数量为20块。

涂料：紫虫胶片(云南大树)，100 g；乙醇(纯度95%)，5 L，南京化学试剂股份有限公司；松香20 g；市售痱子粉140 g，强生(中国)有限公司，主要成分滑石粉、香精；钛白粉；氧化铝(酸性)，500 g，无锡市亚泰联合化工有限公司。

其他工具：电子天平秤0.001 g、药匙、镊子、玻璃棒、水浴锅(最高温度100 ℃)、烧杯、量筒(200 ml)、抛光垫(纱布棉花自制)、毛刷、360砂纸。

1.2 虫胶漆的制备

将50 g虫胶片与5 g松香粉末充分混合放入500 ml的95%的乙醇溶液，并在100 ℃水浴锅内加热，待溶质完全溶解后，用纱布过滤溶液，冷却后装入深色的细空瓶中待用。

1.3 虫胶漆膜的制备

制备涂层前杨木基材在温度为20 ℃，相对湿度为55%的环境中处理14天，其含水率为12%左右。用360号砂纸对基材进行表面砂光，砂光后对基材进行表面涂刷，待虫胶漆中酒精充分挥发后再涂刷下一层，时间间隔为1 h，涂层间不需要砂光，待涂刷6次之后静置24 h，待酒精完全挥发后进行抛光处理。

抛光处理之前需对涂刷后的试件进行砂光(360号砂纸)，砂光之后在木材表面分别均匀放置少量的痱子粉、氧化铝和钛白粉(粉末的使用一定要少量而多次的添加)，并用自制的抛光垫蘸取虫胶溶液进行抛光，初始圆周式抛光，八字螺旋抛光和纵向运动平行抛光如图1所示。反复抛光直到获得高光的涂层。

图1 虫胶涂层抛光方法示意图

1.4 虫胶漆膜颜色比较

本实验采用CAPSURETM彩通色彩检测仪(RM200-PT01)对添加不同粉末的虫胶漆膜进行颜色对比。该仪器采用国际照明委员会推荐的CIE1976(L*，a*，b*)标准色度学表色系统。采用的光源为D65标准光源，其相关色温为6 504 K，照明几何条件为d/0(漫反射/垂直入射)，10°大视野，测量范围为直径8 mm。每个试件取邻边界2 cm处为测点，每个试件取四个测点如图2所示，所有试件的测点取平均值，并与以痱子粉为填充材料的进行比较。

图2 虫胶漆膜颜色比较测点示意图

1.5 虫胶漆膜光泽度比较

本实验采用HG268型号的光泽度计(三恩时科技有限公司，深圳)对添加不同粉末的虫胶漆膜进行光泽度对比。该仪器符合ISO 2813、ASTM D 523、GB/T 9754、ASTM D 2457标准，选取的入射角分别为20°，60°和85°。每个试件取四个测点，取点方法与测量方法同上。

1.6 虫胶漆膜粗糙度比较

本实验使用JB-4C触针式精密粗糙度仪(泰明光学仪器有限公司，上海)对添加不同粉末的虫胶漆膜进行表面粗糙度测定，触针式粗糙度仪是一种接触式测量仪器，采用针描法进行测量。该仪器符合国家标准GB/T 3505-2000、GB/T 6062-2001、GB/T 10610-1998及国际标准ISO 5436和ISO 11562。触针式粗糙度仪由触针测头、驱动箱和工作台等部件组成，工作时触针在试件表面上滑动，试件表面的上下起伏造成了触针的移动，这种移动经电子装置转化为电信号输出，并经过处理转换为数据和图表。在添加不同粉末的虫胶漆膜试件中，每种粉末选取最具代表性的一个试件，每个试件选取不同的两处进行测量。选取具有代表性的参数Ra、Rq和Rt作为评价虫胶漆膜粗糙程度的主要参数。

1.7 虫胶漆膜化学成分分析

本实验使用布鲁克傅里叶红外光测谱仪(Bruker Vertex 70)对老化前后的试件表面进行红外光谱分析，光谱扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为24次。

2 结果与讨论

2.1 颜色比较

颜色是漆膜的重要物理特征，能给人以最直观的视觉感受。添加不同粉末试件与未添加粉末试件颜色的比较如图3所示。未添加任何粉末的试件为参照组，其颜色参数L*、a*和b*分别为50.32、26.11和50.17，其颜色为橙色；色彩饱和度参数c为56.6。通过添加不同粉末试件颜色的对比可以看出，传统痱子粉粉末的试件颜色亮度L*增加的同时a*和b*的值也在增加，色彩的饱和度增加至58.5。添加氧化铝和钛白粉粉末的试件L*，a*和b*的值都有不同程度的下降，其中添加氧化铝粉末的试件颜色亮度最低，其次为钛白粉；同时颜色的饱和度是也下降至52.0和52.5。鉴于上述实验结果，添加痱子粉可使虫胶漆膜的颜色亮度和饱和度增加，而添加氧化铝粉末的试件颜色亮度和饱和度都有明显的下降，钛白粉的颜色效果在痱子粉和氧化铝粉末之间。

图3 添加不同粉末虫胶漆膜的颜色比较

2.2 光泽度比较

木材漆膜表面光泽度不仅影响木材的美观性，而且影响木材使用的环境和场所。本实验对使用不同粉末填充的虫胶漆涂饰木块试件的光泽度进行测量，分析每组木块光泽度平均值的差异，每种粉末有5个试件，对20组光泽度的数据进行处理，得出的光泽度平均值如图4所示。未添加任何粉末的试件为参照组，当入射角度为20°、60°、85°时，比值分别为18.4、47.7、46.4。从添加不同粉末试件光泽度的对比可以看出，传统痱子粉试件三组光泽度数值均有增加；添加氧化铝粉末和钛白粉的试件三组数值也有所增加。其中，添加氧化铝粉末的试件三组数值都最大；当入射角度为20°时，添加痱子粉的试件数值大于钛白粉；当入射角度为60°和85°时添加痱子粉的试件数值小于钛白粉。鉴于上述实验结果，添加痱子粉、氧化铝、钛白粉都可以使虫胶漆膜的光泽度增加，其中添加氧化铝粉末光泽度的效果最好，超过痱子粉。

图4 添加不同粉末虫胶漆膜的光泽度比较

2.3 粗糙度比较

漆膜粗糙度又称漆膜表面粗糙度，是指漆膜表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，是漆膜形态的微观表征。添加不同粉末试件与未添加粉末试件粗糙度的主要参数Ra、Rq和Rt的值如图5所示，其中Ra和Rq是算数平均粗糙度和几何平均粗糙度，评价表面整体的不平度，Rt是评价长度内轮廓最高点和最低点之间的距离。参照组的Ra、Rq和Rt分别为0.025 μm、0.036 μm和0.593 μm。通过添加不同粉末试件粗糙度的对比可以看出，参照组、痱子粉、钛白粉、氧化铝的Ra、Rq、Rt三组数值分别呈递减的趋势，Ra和Rq的减少量并不多，Rt的减少幅度较大，其原因是粉末对管孔的填充作用。三种粉末的填充效果相对比，其中痱子粉的效果最好，钛白粉其次，氧化铝粉末降低粗糙度的效果最差。

图5 添加不同粉末虫胶漆膜的粗糙度比较

2.4 化学成分分析

FTIR红外光谱图是表征材料表面化学成分或化学变化的重要手段。添加不同粉末虫胶漆膜的FTIR图谱如图6所示，从图中可以看出，在3 600～2 000 cm-1区域有3个强吸收峰3 400 cm-1、2 925 cm-1和2 855 cm-1，主要是羟基OH伸缩振动、甲基CH3与亚甲基CH2的伸缩振动。通过四个图谱的对比可以看出这三个吸收峰没有明显的变化。在1 900 cm-1～400 cm-1区域有1 690 cm-1吸收强峰是C=O和C=C的伸缩振动造成的，1 460 cm-1和1 383 cm-1是C-H键的振动。1 237 cm-1和1 016 cm-1的吸收峰分别为O-H和C-H的振动，对比四个红外光图谱在指纹区内并没有明显差别。这些结果说明添加不同粉末虫胶漆膜没有发生明显的化学变化。

图6 添加不同粉末虫胶漆膜的FTIR图谱

3 结论

虫胶是一种无毒无害的绿色涂料，其传统的涂饰工艺中可以通过添加粉末来提高漆膜的性能。通过颜色、光泽度、粗糙度及FTIR红外光谱图的比较可以得出以下结论：(1)传统工艺中的痱子粉可以增加漆膜的亮度，采用氧化铝和钛白粉作为填充物使颜色的亮度有所下降但并不明显；(2)光泽度和粗糙度的实验结果表明氧化铝和钛白粉的填充效果要比痱子粉的效果略好；(3)红外光谱图的分析显示了虫胶漆膜的化学成分没有明显改变；(4)氧化铝和钛白粉代替传统的痱子粉在工艺上是可行的，可能会提高漆膜的耐候性，但是有待于进一步验证。