微胶囊乳液沉积对乌金木表面涂层自修复及理化性能的影响.pdf

林业工程学报，（）：收稿日期：修回日期：基金项目：江苏省自然科学基金（）。作者简介：韩岩，男，研究方向为家具设计与工程。通信作者：闫小星，女，教授。：微胶囊乳液沉积对乌金木表面涂层自修复及理化性能的影响韩岩，闫小星，陶雨（南京林业大学家居与工业设计学院，南京）摘 要：将密胺树脂包覆虫胶微胶囊分散到水性涂料中，可以在一定程度上延长木器表面涂层的使用寿命，但是其自修复效果受限于涂层中自修复微胶囊的最大含量；因此通过正交试验，分析沉积次数、水性涂料中微胶囊负载量、漆膜厚度 个因素对乌金木表面涂层自修复效率的影响效果，以延长自修复的有效作用时间。结果表明，沉积次数对涂层自修复性能的影响最显著。为显著提高乌金木表面自修复涂层修复性能，预先使用微胶囊乳液对乌金木基材进行不同次数的沉积处理，以拓宽自修复微胶囊与木材的响应机制。在沉积处理后的乌金木表面涂饰 质量分数透明虫胶微胶囊的水性丙烯酸树脂涂层，探究沉积次数对表面涂层理化性能和自修复效果的影响。不同沉积次数处理下的乌金木表面涂层的硬度不变。随着沉积次数的增多，乌金木表面涂层的附着力和抗冲击强度缓慢上升，粗糙度先上升后下降，最后再上升，光泽度不断降低。使用微胶囊乳液对乌金木进行沉积处理可以增强乌金木表面涂层的耐老化性能和修复性能。当沉积次数为 次时，表面自修复涂层划痕宽度的变化率为，修复性能最好。关键词：沉积；微胶囊；水性涂料；自修复；乌金木中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，（），林 业 工 程 学 报第 卷 ，：；作为一种可再生资源，木材凭借其优良的力学性能和装饰特性，越来越广泛地应用于人们的日常生活中。在木器表面涂饰涂层可以隔绝空气中的水分，有效防止木材发生腐朽霉变，对保护木质基材发挥了重要作用。但是，由于木材本身具有尺寸不稳定性及耐久性差等缺点，在使用过程中往往会导致涂层开裂，对涂层的外观、牢固性和耐久性等产生负面影响，大大缩短涂层的使用寿命。同时，涂层受到损害后，木材本身受到破坏的风险会大大增加，从而造成不必要的经济损失。借助微胶囊技术，将自修复型微胶囊应用到木器表面涂层中，可以对涂层开裂处进行自动填充和修复，一定程度上有效延长了木器表面涂层的稳定性。但是，由于受到涂层中自修复微胶囊含量的限制，木器表面涂层还存在着自修复性能的有效周期较短、修复程度不够等缺陷。为提高其修复性能，基于木材自身的多孔性和渗透性，预先使用自修复型微胶囊乳液对木质基材进行沉积处理，再在表面涂饰自修复涂层，拓宽微胶囊与木质基材的结合方式，可以提升涂层自身的耐久性。等将采用溶胶凝胶技术制备的水杨酸 二氧化硅微胶囊（）通过真空压力处理浸渍到杨木（）中，与未经 处理的杨木相比，处理的杨木耐腐性得到了显著提高。等采用界面聚合法制备出了聚氨酯包覆磷酸氢二铵微胶囊，通过真空压力法将微胶囊浸渍到杨木（）中，测试发现浸渍样本表现出了更高的阻燃性。等分别评估了红橡木（）和糖枫（）种木材浸渍 以制备高热质量的实木复合地板，结果表明，糖枫难以浸渍，而红橡木的蓄热效果增强。这些研究有效赋予或提高了木质基材的耐腐性、阻燃性和蓄热效果。但是，关于通过微胶囊浸渍的方法来提高木材表面涂层自修复能力的研究还存在空白。前期研究表明，密胺树脂包覆虫胶松香微胶囊在以乌金木（）为基材的水性丙烯酸树脂涂层中表现出了良好的自修复性能。当微胶囊的负载量为（质量分数），微胶囊的芯材为透明虫胶松香混合溶液时，这种自修复涂层的理化性能和自修复性能最优。因此，通过制备透明虫胶微胶囊，将微胶囊预聚乳液对乌金木基材进行不同次数的沉积处理，并且在沉积处理后的乌金木表面涂饰含有 虫胶微胶囊的水性丙烯酸树脂涂层，以拓宽微胶囊涂层木材的界面响应机制，得出最佳沉积次数参数，为进一步提升木材表面水性涂层的修复性能奠定基础。材料与方法 试验材料（质量分数）甲醛溶液购自西安天茂化工有限公司；三聚氰胺、（乳化剂）、（乳化剂）均购自山东优索化工科技有限公司；三乙醇胺，分析纯，购自广州嘉乐化工有限公司；松香液购自苏州古悦乐器有限公司；一水合柠檬酸购自南京全隆生物技术有限公司；无水乙醇购自无锡市晶科化工有限公司。水性涂料来自多乐士涂料有限公司，其主要成分为水性丙烯酸共聚分散体、消光剂、添加剂与水。透明虫胶液（质量分数）购自上海煜焰建材有限公司。乌金木，（长）（宽）（厚），由北京天坛家具股份有限公司提供。试验方法 微胶囊乳液的制备将 甲醛溶液和 三聚氰胺混合加入烧杯中，再加入 的蒸馏水；首先，用三乙醇胺调节混合物的 至 后，将烧杯放入 恒温水浴锅中，在 下搅拌保温，获得水溶性的羟甲基三聚氰胺混合物；其次，称取 和 于烧杯中，加入 无水乙醇，充分搅拌混合后，往烧杯中滴加 虫胶液和 松香液，搅拌均匀后放入 恒温水浴锅中，在 下再搅拌反应 ，获得芯材乳液；最后，在 下将三聚氰胺甲醛预聚体溶液缓慢滴加进芯材乳液中，然后将混合物放入超声波材料乳化分散器中超 第 期韩岩，等：微胶囊乳液沉积对乌金木表面涂层自修复及理化性能的影响声处理 。超声处理后将混合物转移至水浴锅中，在 下，用柠檬酸调节，当 达到 左右时，将水浴锅缓慢升温至 ，恒温反应 ，获得微胶囊乳液。、）样品 修复前后；、）样品 修复前后；、）样品 修复前后；、）样品 修复前后。图 乌金木表面涂层划伤后的划痕宽度变化 乌金木沉积处理将备用的乌金木浸没于制得的微胶囊乳液中，然后将木块取出使其自然晾干，此过程记为 次沉积，重复上述步骤可得到沉积若干次的乌金木块；然后在上述处理后的乌金木块表面分别涂覆水性涂料，获得所需样品以备后续测试。为了探究乌金木沉积次数（、次）、水性涂料中微胶囊负载量以及漆膜厚度对乌金木表面涂层自修复性能的影响，设计了 因素 水平的正交试验，如表 所示；然后针对影响最大的因素进行单因素试验，进一步探究微胶囊与木材的结合机理对其表面涂层自修复性能的作用。表 正交试验表 样品沉积次数 次水性涂料中微胶囊负载量 漆膜厚度 测试与表征选择 扫描电子显微镜（，美国 公司）对沉积后的乌金木端面和涂层老化前后微观形貌进行表征。选择 傅里叶变换红外光谱仪（，德国布鲁克仪器公司）对乌金木表面水性涂层采用 法分析其化学成分。根据 色漆和清漆：铅笔法测定漆膜硬度，使用铅笔硬度计和 铅笔测定漆膜的硬度，其中，最软，最硬，是中间值。铅笔与涂层间角度为，以涂层表面未出现压痕时铅笔的最大硬度记为该涂层硬度。运用 涂膜划格仪（上海乐傲试验仪器有限公司）来分析涂层的附着力等级，共有 个等级，其中 级表示涂层附着力最好，级表示涂层附着力最差。依据 漆膜、腻子膜柔韧性测定法，通过 型漆膜冲击器测试仪（上海乐傲试验仪器有限公司）表征涂层的抗冲击性能。涂层的粗糙度采用 精密粗糙度测试仪（上海泰明光学仪器有限公司）测试。将表面涂覆自修复涂层的乌金木置于 鼓风干燥箱中进行高温老化试验。经过 高温老化试验后，测定老化后乌金木表面涂层的硬度、附着力、抗冲击强度和粗糙度，方法同老化前乌金木表面涂层力学性能的测试。使用单面刀片在自修复涂层上产生长度为 、深度约为 、平行于拉伸方向的划痕，使用 光学显微镜（，德国 公司）观察涂层划痕产生时和静置 后的修复变化情况。根据式（）计算出划痕宽度变化率来表征自修复涂层的修复性能：（）（）式中：为宽度变化率，；和 分别为修复前后乌金木表面涂层裂纹宽度，。所有的测试重复 次，误差小于。结果与分析 正交试验结果分析正交试验制得的乌金木表面涂层划伤后的修复效果如图 所示。后：样品 的划痕宽度从 缩小到 ，为；样品 的划痕宽度由 缩小到 ，为；样品 的划痕宽度由 缩小到，为 ；样品 的划痕宽度由 缩小到 ，为。为了探林 业 工 程 学 报第 卷究 个因素中对划痕修复效果影响最大的因素，对宽度变化率结果进行极差和方差分析（表）。表 划痕宽度变化率极差和方差分析 极差和方差样品沉积次数 次水性涂料中微胶囊负载量 漆膜厚度宽度变化率 极差均值 均值 偏差平方和自由度方差比临界值显著性显著 极差是各因素平均值的差值，其大小可以表示各因素对试验结果的影响大小，极差值越大表明该因素对试验结果的影响越大。根据划痕宽度变化率极差结果可以发现沉积次数的极差值最大，因此，沉积次数对试验结果影响最大；其次是水性涂料中微胶囊负载量。由方差结果得出沉积次数的比，而 临界值，比临界值，故沉积次数对乌金木表面涂层划痕宽度的变化具有显著影响。综合极差和方差结果发现，乌金木沉积次数对于其表面涂层修复性能具有重要作用。为了具体探究沉积次数与涂层性能间的关系，以沉积次数为单因素变量，设定微胶囊负载量和涂层厚度为较优水平，即 和 ，进行单因素独立试验，如表 所示。表 单因素试验 样品沉积次数 次水性涂料中微胶囊负载量 漆膜厚度 沉积次数对微观形貌和化学成分的影响不同沉积次数下涂覆 微胶囊水性涂层的乌金木端面形貌如图 所示。图 为未沉积乌金木与水性涂层界面，涂层与木材界面分明。根据图，随着沉积次数的增多，乌金木端面微胶囊聚集增多，经过微胶囊沉积后，其表面不再平整，呈现不规则颗粒状，微胶囊附着于乌金木表面。根据图 可以观察到木材导管处有微胶囊的聚集，而在木纤维细胞和其他木材孔隙处，可能由于直径较小，微胶囊几乎很难进入。）沉积 次；、）沉积 次；）沉积 次；）沉积 次。图 乌金木端面 图 号（微胶囊乳液沉积处理 次）乌金木样品端面、号（微胶囊乳液沉积处理 次）乌金木样品端面和乌金木空白样（无涂层）的红外光谱如图 所示。根据空白样的曲线，处的吸收峰是乌金木细胞壁上 的伸缩振动。根据 号样品的红外曲线图，是的特征峰，而 处代表了 的伸缩振动峰，表明 次沉积处理后乌金木上存在虫胶微胶囊。是 的伸缩振动吸收峰，处是壁材 树脂中三嗪环弯曲振动吸收峰，表明微胶囊 树脂壳结构成功制备。由红外光谱可知，沉积处理后的乌金木中存在虫胶微胶囊。图 乌金木端面红外光谱 第 期韩岩，等：微胶囊乳液沉积对乌金木表面涂层自修复及理化性能的影响 沉积次数对乌金木表面涂层老化前后性能的影响 老化前后涂层的微观形貌和化学成分不同沉积次数下乌金木表面涂层在老化前后的扫描电镜图如图 所示。图 为不同沉积次数下乌金木表面涂层老化前的 图，可以发现涂层微观形貌基本一致。图 为不同沉积次数下乌金木表面涂层老化后的 图。经过长时间高温处理后，涂层发生老化，通过扫描电镜可以观察到涂层表面出现明显圆孔形开裂。未经过微胶囊沉积处理的乌金木表面涂层开裂面积较大，直径约为 ，随着微胶囊沉积次数的增多，乌金木表面涂层开裂面积有缩小趋势，可以明显观察到，当沉积次数为 次时，涂层产生的开裂面积最小。由此可见，采用微胶囊乳液对乌金木进行沉积处理可以增强乌金木表面涂层的耐老化性能。、）沉积 次老化前后；、）沉积 次老化前后；、）沉积 次老化前后；、）沉积 次老化前后。图 不同沉积次数下乌金木表面涂层老化前后的 图 沉积 次后乌金木表面自修复涂层老化前后的红外光谱如图 所示。是的特征峰，为水性丙烯酸树脂涂料中 基团的特征峰。由图 可发现，老化前后涂层的红外曲线基本一致，只有峰强度的增强和削弱，没有峰的出现和消失，这说明沉积处理后乌金木表面自修复涂层在高温老化前后没有新的化学键生成。图 沉积处理后乌金木表面涂层老化前后的红外光谱 老化前后涂层的力学性能 高温老化前后，不同沉积次数下乌金木表面涂层的力学性能变化如表 所示。老化试验之前（老化时间为 ），不同沉积次数处理的乌金木表面涂层的硬度不变，均为。随着沉积次数的增多，乌金木表面涂层的附着力等级和抗冲击强度缓慢上升。这可能是因为乌金木表面附着的微胶囊增多，使得木材表面粗糙度增加，涂层附着力下降。乌金木表面涂层的粗糙度随沉积次数的增多先上升后下降，最后再上升。未沉积处理的乌金木表面涂层抗冲击强度为 ，经过 次沉积处理后乌金木表面涂层抗冲击强度增至 ，这说明沉积微胶囊后，微胶囊聚集于木材细胞壁上，使得处理后的乌金木涂层抗冲击强度增大。表 不同沉积次数下乌金木表面涂层老化前后的力学性能 沉积次数次老化时间硬度附着力级抗冲击强度（）粗糙度 老化前后表面涂层的硬度变化不大，未沉积处林 业 工 程 学 报第 卷理的乌金木表面涂层附着力老化前后变化与沉积处理后乌金木表面涂层附着力变化一致，可见沉积次数对涂层老化前后硬度和附着力影响较小。根据表 可发现，涂层粗糙度在老化前后的变化不规律。未经过沉积处理的乌金木表面涂层抗冲击强度由老化前的 下降为，而经过 次沉积处理后乌金木表面涂层抗冲击强度仅由老化前的 下降为，经过 次沉积处理后乌金木表面涂层抗冲击强度在老化后未有明显下降。由此可见，沉积处理后乌金木表面涂层老化进程减缓，乌金木和其表面涂层力学强度下降趋势有所减缓。微胶囊乳液沉积对乌金木表面涂层修复性能的影响 在不同沉积次数下乌金木表面自修复涂层划痕修复试验结果如图 所示。用单面刀片在涂层表面人为产生均匀划痕，静置 后观察涂层表面划痕宽度变化情况。、）沉积 次修复前后；、）沉积 次修复前后；、）沉积 次修复前后；、）沉积 次修复前后。图 不同沉积次数下乌金木表面涂层划痕修复显微图 制备的微胶囊芯材是将虫胶溶解在乙醇溶液中，微胶囊破碎后，芯材流入涂层微裂纹间隙。乙醇蒸发后，虫胶逐渐分离出来，可在室温下物理固化以填充涂层裂缝。微胶囊结构的作用是防止乙醇蒸发，使虫胶保持液态，达到自愈效果。未经过沉积处理的乌金木表面自修复涂层的划痕由 前的 减小至 ，划痕宽度变化率为；而现有研究表明，负载透明虫胶微胶囊的水性漆膜（未涂覆在木材表面）静置 后，划痕宽度由原来的 缩短至 ，宽度变化率为。乌金木表面自修复涂层的修复性能劣于自修复漆膜本身，可见木质基材对其表面涂层中自修复微胶囊的作用效果具有一定的影响。沉积次数为 次的表面涂层划痕由 前的 减小至 ，划痕宽度变化率为；沉积次数为 次的表面涂层划痕由 前的 减小至 ，划痕宽度变化率为；沉积次数为 次的表面涂层划痕由 前的 减小至 ，划痕宽度变化率为。结果表明，随着沉积次数的增加，乌金木表面自修复涂层划痕宽度变化率先增大后下降，当沉积次数为 次时，表面自修复涂层划痕宽度的变化率最高。当木材表面受到损害时，预先浸渍于木材导管中的微胶囊受力破裂，芯材物质流出并完成常温固化，与涂层中的微胶囊共同作用，对漆膜破损处进行物理填充，有效提高了木材表面自修复涂层的修复能力。综上分析，沉积处理拓宽了微胶囊与木材的响应机制，微胶囊乳液预先沉积处理过的乌金木，其表面自修复涂层的修复性能获得提升，其中沉积次数为 时，其表面自修复涂层的修复性能最好。结 论通过正交试验，探究了不同因素（沉积次数、水性涂料中微胶囊负载量、漆膜厚度）对乌金木表面涂层自修复效率的影响效果。沉积次数对涂层自修复性能的影响最显著，不同沉积次数处理下乌金木表面涂层的硬度不变，均为。随着沉积次数的增多，乌金木表面涂层的附着力和抗冲击强度缓慢上升，粗糙度先上升后下降，最后再上升。经过 次沉积处理后乌金木表面涂层抗冲击强度增大为 。随着沉积次数的增多，乌金木表面涂层光泽度不断下降。当沉积次数为 次时，涂层产生的开裂面积最小，且乌金木表面涂层抗冲击强度在高温老化后未有下降，仍为 ，同时，乌金木表面自修复涂层的划痕宽度变化率最高为，修复性能最好。本研究为自修复涂层的功能实现提供了新的途径。第 期韩岩，等：微胶囊乳液沉积对乌金木表面涂层自修复及理化性能的影响参考文献（）：岑路梅，林剑 柠檬酸预处理杉木压缩变形固定及性能北京林业大学学报，（）：，（）：郝晓峰，徐康，李贤军，等 基于细观力学的木材干燥应力演变机制研究 林产工业，（）：，（）：王润鹏，刘元，胡进波，等 木材弦切面花纹的视觉特性中南林业科技大学学报，（）：，（）：王小青，孟军旺，程志泳，等 木材耐久性超疏水表面构建研究进展 林业工程学报，（）：，（）：李萍，张源，吴义强，等 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