硅酸盐改性杨木表面粗糙度对漆膜附着性能的影响

2022-12-05张梦莹吕建雄李萍徐斌莫新谱左迎峰

林业工程学报 2022年6期

张梦莹，吕建雄,2，李萍，徐斌，莫新谱，左迎峰*

(1.中南林业科技大学材料科学与工程学院，长沙 410004；2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091；3.咸宁市公共检验检测中心，咸宁 437000)

杨树是人工速生林主要树种之一，人工速生林有生长速度快、适应性强、躯干直等优点[1]。但人工速生材存在材质疏松、密度小、易吸湿、易变形等缺点[2-3]，使人工速生材的应用范围受到限制。为提高人工速生材的相关性能，采用无机盐对速生材进行改性，不仅安全无毒、价格低廉，且有效地提高了其物理机械、阻燃抑烟等性能[4-5]。以往的研究成果显示，部分研究致力于采用无机改性剂对人工速生材的物理机械性能进行改善[6-8]，而研究无机物质改性速生材后对其表面涂饰性能的影响较少[9]。木材表面粗糙度对木材的表面性能有一定影响，表面的胶合能力、漆膜附着力、润湿性和表面自由能都会受到表面粗糙度的制约。

木材表面粗糙度是指在加工方式、木材的材质、纹理、孔隙率等的共同作用下，在木材表面形成由若干个谷峰和峰间距所构成的微观几何形貌特征。Petrie[10]研究发现，表面越是不平整，涂层对底材包覆面积越大，进而使得两个面之间的结合力越大。黄艳辉等[11]用不同粗糙度的砂纸对樟子松板材进行打磨，探究丙烯酸水性底漆和面漆在不同粗糙度表面的漆膜附着性能。结果表明，樟子松表面粗糙度对水性漆的漆膜附着力影响显著。当粗糙度Ra=2.19 μm时，涂层附着性能最好，大部分试件的漆膜附着力为1级，甚至有一部分试件的漆膜附着力能够达到0级；而粗糙度Ra=2.87，2.53和1.94 μm时，试件的漆膜附着力综合评级均为2级。基于上述研究可见，当基材表面粗糙度较小时，涂层与基材间机械互锁被削弱，使得漆膜附着效果不佳。当基材表面粗糙度较大时，涂层的连续性和平整性遭到破坏，也不利于漆膜更好地附着在基材表面。王娜[12]在研究改性杨木家具的表面性能时，得出底材表面自由能与其表面是否砂磨有关，砂光后基材获得较好的表面粗糙度，表面自由能提高，表面质量得到改善。综上所述，砂磨在一定程度上可以改善木材表面的漆膜附着力。杨木经硅酸盐浸渍改性后物理力学性能得到改善，但表面漆膜附着性能变差[13-14]，故本研究围绕硅酸盐改性杨木(改性材)表面粗糙度对其漆膜附着力的影响进行探究，以期得出改性材表面平均粗糙度对其漆膜附着力的影响规律和使漆膜附着力最佳的表面粗糙度。提高改性材的附加值，为其在家居装饰材料领域的应用提供理论指导与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

杨木(毛白杨)(Populustomentosa)，采自湖南永州，气干密度0.39 g/cm3，含水率11%～16%；FH-WA100水性封闭清漆，固含量为52.58%，FH-KMM532L亮光清漆，固含量为58.65%，均购于广东嘉宝莉化工有限公司；硅酸钠溶液，工业级，模数3.4，湖南荷塘化工有限公司；超纯水，极性液体，实验室自制；二碘甲烷(CH2I2)，非极性液体，化学纯，质量分数99%，上海晶纯生化科技股份有限公司；甲酰胺(CH3NO)，半极性液体，分析纯，质量分数≥99.5%，国药集团化学试剂有限公司。60，180，320，400和500目砂纸(25，38，47，80，250 μm，下同)，湖北玉立砂带集团股份有限公司。

1.2 实验仪器

50 L浸渍罐，长沙炬创科技有限公司；750D型真空泵，750W型空压机，台州藤原工具有限公司；CP-214型电子天平，AR-124CN型分析天平，奥豪斯仪器(上海)有限公司；01-3AB型电热鼓风干燥箱，101-3AB电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；JC2000DS接触角测试仪，德国数据物理仪器有限公司；QFH型漆膜划格仪，天津市精科材料试验机厂。

1.3 硅酸盐改性杨木的制备

取一定量的杨木(一批木材6组，每组包含3块长×宽×厚为80 mm×30 mm×10 mm的木块，5块长×宽×厚为150 mm×100 mm×10 mm的木块，5块长×宽×厚为20 mm×20 mm×20 mm的木块)，试件干燥至含水率在8%～13%，而后放入浸渍罐中。采用循环呼吸浸渍法[15-16]将浸渍罐抽真空至0.091～0.096 MPa，目的是将木材中的空气抽出，保压20 min；通过罐内负压把质量分数为29.5%的硅酸钠溶液吸进罐内，然后卸载负压；此时，向浸渍罐内加正压至0.48 MPa，保压40 min；这样循环3次后，卸压，将试件取出，室温晾置48 h,再放入60 ℃的烘箱中烘至含水率为8%～12%备用。

1.4 砂纸处理硅酸盐改性杨木表面及涂层涂饰

用60，180，320，400，500目砂纸对改性材表面进行打磨，用毛刷把表面的粉尘扫除干净，防止粉末对实验的影响。

用水性封闭底漆和水性面漆对改性材进行涂饰，先刷涂3遍水性封闭底漆，每次涂布量为0.05 g/cm3，每相邻两次涂刷时间间隔为6 h；再刷3遍水性面漆，每相邻两次涂刷时间间隔为4 h，每次涂布量为0.07 g/cm3，除最后一次涂饰外，每涂饰1遍待干燥后，均采用600目的砂纸在表面进行打磨，并用毛刷把表面的碎屑扫除干净。待放置7 d完全干燥后，测试漆膜附着力。

1.5 性能测试与表征

1)表面粗糙度测试。采用TR200粗糙度测量仪对未砂磨和砂磨的改性材表面进行测量，其工作原理是传感器在基材表面移动，得到粗糙度数据。因木材具有各向异性，故同一个样品测量3个位置，取其平均值。

2)表面漆膜附着能力测试。参照GB/T 4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能试验第4部分：附着力交叉切割测定法》，手持划格仪使其垂直于被测试件表面，并与木纹方向呈45°进行切割，切割力度应划透基材表面。与原切割线呈90°的交角再作相同数量的平行切割线。用软毛刷沿网格图形每一条对角线轻轻地向后扫几次，再向前扫几次。每个试件取3个不同的位置进行测试，以两个一致的值为最终实验值。

3)扫描电子显微镜(SEM)测试。取砂磨前后的改性材表面(2 mm×2 mm×1 mm的试样)和涂刷漆膜的试件样品(沿木材横截面截下带有漆膜4 mm×2 mm×1 mm的试样)，将裁切好的试样按顺序固定在载物台上，放入喷金仪器中进行喷金处理，把喷好金的试样放在扫描电子显微镜中进行拍摄。

2 结果与分析

2.1 砂纸目数对硅酸盐改性杨木表面平均粗糙度的影响

基材涂饰性能的好坏，在一定程度上受涂饰工艺的影响，对基材表面砂光，不但可以去除基材表面的污渍，还可以使基材表面具有一定的粗糙度，有利于改善基材表面的涂饰性能。基材表面粗糙度常用轮廓算术平均偏差Ra来表征，其中Ra越小，说明基材表面越平整光滑(表1)。

表1 砂纸打磨硅酸盐改性杨木前后表面粗糙度Table 1 Surface roughness of silicate modified poplar before and after sanding

由表1可知，未砂磨改性材表面平均粗糙度为10.34 μm，60，180，320，400，500目砂纸对改性材表面进行打磨后，其表面的平均粗糙度分别为6.43，4.95，5.02，5.92，6.06 μm。由此可见，砂磨改性材可有效降低其表面的粗糙度；砂纸目数小于180目时，随着砂纸目数的增大，改性材表面平均粗糙度呈现先减小的趋势；砂纸目数大于180目时，随着砂纸目数的增大，改性材表面平均粗糙度增大；180目砂纸打磨改性材表面平均粗糙度达到最小Ra为4.95 μm。改性材表面平均粗糙度并不是随着砂纸目数的增大而逐渐变小，这也与Sulaiman等[17]的研究结果一致，这是因为木材表面的平均粗糙度受木材结构影响，木材的横纹、年轮宽度、射线、节子、早材和晚材比例会对平均粗糙度产生影响[18]，且材料本身的密度对表面平均粗糙度也有影响[19]。细胞壁也可能在打磨的过程中被压缩或撕裂，对基材造成一定的损伤，使得表面平均粗糙度并不随着砂纸目数的增大而变小。

2.2 砂纸打磨硅酸盐改性杨木前后表面微观形貌分析

未砂磨的改性材表面孔隙较大，这是因为木材本身具有导管和纹孔，再加上硅酸盐在内部的固化形成不规则晶体，进而导致未打磨的改性材表面较粗糙(图1)。用60目砂纸对改性材表面进行打磨后，其表面已无明显的导管暴露出来，较未砂磨改性材表面平整很多，但仍有较多缝隙；这可能是因为60目砂纸能够对改性材表面进行有效改善，但由于60目砂纸粒径过大、粒间距较大，使得砂纸对改性材表面打磨不均匀，且在砂磨的过程中也会对基材表面的纤维造成一定的伤害，与未砂磨改性材比，表面变光滑，但总体来看表面仍较粗糙。用180目砂纸对改性材表面进行打磨后，改性材表面较平整光滑，这可能是因为砂纸粒径变小、粒间距也减小，使改性材表面被均匀打磨。使用320，400和500目砂纸对改性材表面进行打磨后，随着砂纸目数的增大，改性材表面越来越粗糙。这可能是随着砂纸目数增大，砂纸粒径越来越小，且粒间距越来越小，导致砂纸在打磨改性材表面时，对其表面的凸起磨损力度不够，使得改性材表面随着砂纸目数增大越来越不平整。砂纸目数小于180目时，打磨改性材表面的砂纸目数越大，改性材表面越来越平整；打磨改性材表面的砂纸目数大于180目时，随着砂纸目数的增大，改性材表面平整度下降。不同目数砂纸打磨改性材后表面微观粗糙形貌分析结果(180目砂纸打磨改性材后，其表面最光滑)与表1砂纸目数对硅酸盐改性杨木表面粗糙度(180目砂纸打磨改性材后，其表面平均粗糙度最小)分析结果的规律一致。

a)未砂磨；b)60目；c)180目；d)320目；e)400目；f)500目。图1 砂纸打磨硅酸盐改性杨木前后表面微观形貌分析Fig.1 Analysis of surface micro morphology of silicate modified poplar before and after sanding

2.3 砂纸打磨硅酸盐改性杨木前后漆膜附着力分析

漆膜附着力的好坏，直接关系到木质产品的保护、装饰和使用寿命。根据GB/T 4893.4—2013，对各试件表面的漆膜附着力进行测试。根据漆膜脱落程度，把漆膜附着力分为0～5共6个等级。0级是最好的等级，漆膜不脱落，从0级到5级漆膜附着力逐步下降。硅酸盐改性材表面粗糙度对漆膜附着力的影响如表2、图2和图3所示。

表2 砂纸打磨硅酸盐改性杨木前后的漆膜附着力等级评定Table 2 Evaluation of adhesion grade of paint film before and after sanding silicate modified poplar with sandpaper

a)未砂磨；b)60目；c)180目；d)320目；e)400目；f)500目。图2 砂纸打磨硅酸盐改性杨木前后径面漆膜附着力分析Fig.2 Adhesion analysis of sandpaper polished silicate modified poplar before and after sanding the radial surface paint film

a)未砂磨；b)60目；c)180目；d)320目；e)400目；f)500目。图3 砂纸打磨硅酸盐改性杨木弦面前后漆膜附着力分析Fig.3 Adhesion analysis of paint film before and after sanding the tangential surface of silicate modified poplar with sandpaper

由表2、图2和图3可知各处理方式下的漆膜附着力综合评级，未砂磨的改性材径面4级(40%)、3级(60%)，弦面3级(100%)。60目砂纸打磨改性材后，径面3级(60%)、2级(40%)，弦面3级(60%)、2级(40%)。180目砂纸打磨改性材后，径面3级(40%)、2级(60%)，弦面3级(40%)、2级(60%)。320目砂纸打磨改性材后，径面4级(20%)、3级(80%)，弦面3级(80%)、2级(20%)。400目砂纸打磨改性材后，径面4级(20%)、3级(80%)，弦面4级(40%)、3级(60%)。500目砂纸打磨改性材后，径面4级(40%)、3级(60%)，弦面3级(60%)、2级(40%)。从60～180目砂纸打磨改性材后，漆膜附着力不再出现4级，3级占比逐渐降低，2级占比逐渐提升，到180目打磨改性材后2级占比最高，达到60%。320～500目砂纸打磨改性材后，漆膜附着力评级出现了4级，随着砂纸目数的增大，4级的占比逐渐升高。同一目数砂纸打磨改性材后，从漆膜附着力等级占比来看，弦面漆膜附着力略好于径面。整体来看，其径面和弦面的漆膜附着力综合评级一致，则径面和弦面对改性材表面漆膜附着力影响不大，这也与Darmawan等[20]研究结果一致。未砂光改性材及60，180，320，400，500目砂纸打磨改性材径面和弦面的综合评级均为3级、3级、2级、3级、3级、3级。除500目外，打磨后的改性材漆膜附着力综合评级均优于未砂光的改性材，且180目砂纸对改性材进行打磨后漆膜附着力最好，达到2级。结合图1和表1可知，平均粗糙度越小，涂层的漆膜附着力越好。这可能是因为平均粗糙度过大，导致改性材表面的连续性和整体性被破坏，使其在基材表面的附着力变小；另一方面，表面平均粗糙度大，导致表面的孔隙被磨削的木屑填充，阻碍了水性漆进入孔隙，铆接程度降低，同时也使得水性漆与基材的接触面积变小，所以表面平均粗糙度越大，漆膜附着性能越差。

2.4 砂纸打磨硅酸盐改性杨木前后基材与漆膜的微观结合形貌分析

为进一步观察各试件基材与漆膜的微观结合形貌，对各试件的漆膜与基材之间的结合状态进行了扫描电子显微镜(SEM)测试[21]，结果如图4所示。

a)未砂磨；b)60目；c)180目；d)320目；e)400目；f)500目。图4 砂纸打磨硅酸盐改性杨木弦面前后漆膜与底材界面结合电镜分析Fig.4 SEM analysis of the interface between paint film and substrate before and after sanding the tangential surface of silicate modified poplar

由图4可知，未砂磨改性材漆膜与基材间存在一条连续且明显的裂缝，60和180目砂纸对改性材表面进行砂磨处理后，基材与漆膜间的裂缝较未砂磨改性材有所收窄，说明60和180目砂纸打磨改性材表面对漆膜与基材的结合牢固程度有所改善。用320，400和500目砂纸对改性材表面进行打磨后，基材与漆膜间的裂缝宽度与未砂磨改性材的漆膜与基材间裂缝宽度相当。由此可见，砂磨改性材和未砂磨改性材的漆膜与基材间结合度都不高，基材与漆膜间有明显裂缝，这也与表2(60目砂纸打磨改性材后，漆膜附着力出现2级；180目砂纸打磨改性材后，漆膜附着力最好)的结果一致。