硅酸鹽改性楊木表面粗糙度對(duì)漆膜附著性能的影響

張夢(mèng)瑩，呂建雄,2，李萍，徐斌，莫新譜，左迎峰*

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091；3.咸寧市公共檢驗(yàn)檢測(cè)中心，咸寧 437000)

楊樹(shù)是人工速生林主要樹(shù)種之一，人工速生林有生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、軀干直等優(yōu)點(diǎn)[1]。但人工速生材存在材質(zhì)疏松、密度小、易吸濕、易變形等缺點(diǎn)[2-3]，使人工速生材的應(yīng)用范圍受到限制。為提高人工速生材的相關(guān)性能，采用無(wú)機(jī)鹽對(duì)速生材進(jìn)行改性，不僅安全無(wú)毒、價(jià)格低廉，且有效地提高了其物理機(jī)械、阻燃抑煙等性能[4-5]。以往的研究成果顯示，部分研究致力于采用無(wú)機(jī)改性劑對(duì)人工速生材的物理機(jī)械性能進(jìn)行改善[6-8]，而研究無(wú)機(jī)物質(zhì)改性速生材后對(duì)其表面涂飾性能的影響較少[9]。木材表面粗糙度對(duì)木材的表面性能有一定影響，表面的膠合能力、漆膜附著力、潤(rùn)濕性和表面自由能都會(huì)受到表面粗糙度的制約。

木材表面粗糙度是指在加工方式、木材的材質(zhì)、紋理、孔隙率等的共同作用下，在木材表面形成由若干個(gè)谷峰和峰間距所構(gòu)成的微觀幾何形貌特征。Petrie[10]研究發(fā)現(xiàn)，表面越是不平整，涂層對(duì)底材包覆面積越大，進(jìn)而使得兩個(gè)面之間的結(jié)合力越大。黃艷輝等[11]用不同粗糙度的砂紙對(duì)樟子松板材進(jìn)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著性能。結(jié)果表明，樟子松表面粗糙度對(duì)水性漆的漆膜附著力影響顯著。當(dāng)粗糙度Ra=2.19 μm時(shí)，涂層附著性能最好，大部分試件的漆膜附著力為1級(jí)，甚至有一部分試件的漆膜附著力能夠達(dá)到0級(jí)；而粗糙度Ra=2.87，2.53和1.94 μm時(shí)，試件的漆膜附著力綜合評(píng)級(jí)均為2級(jí)?；谏鲜鲅芯靠梢?jiàn)，當(dāng)基材表面粗糙度較小時(shí)，涂層與基材間機(jī)械互鎖被削弱，使得漆膜附著效果不佳。當(dāng)基材表面粗糙度較大時(shí)，涂層的連續(xù)性和平整性遭到破壞，也不利于漆膜更好地附著在基材表面。王娜[12]在研究改性楊木家具的表面性能時(shí)，得出底材表面自由能與其表面是否砂磨有關(guān)，砂光后基材獲得較好的表面粗糙度，表面自由能提高，表面質(zhì)量得到改善。綜上所述，砂磨在一定程度上可以改善木材表面的漆膜附著力。楊木經(jīng)硅酸鹽浸漬改性后物理力學(xué)性能得到改善，但表面漆膜附著性能變差[13-14]，故本研究圍繞硅酸鹽改性楊木(改性材)表面粗糙度對(duì)其漆膜附著力的影響進(jìn)行探究，以期得出改性材表面平均粗糙度對(duì)其漆膜附著力的影響規(guī)律和使漆膜附著力最佳的表面粗糙度。提高改性材的附加值，為其在家居裝飾材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

楊木(毛白楊)(Populustomentosa)，采自湖南永州，氣干密度0.39 g/cm3，含水率11%～16%；FH-WA100水性封閉清漆，固含量為52.58%，F(xiàn)H-KMM532L亮光清漆，固含量為58.65%，均購(gòu)于廣東嘉寶莉化工有限公司；硅酸鈉溶液，工業(yè)級(jí)，模數(shù)3.4，湖南荷塘化工有限公司；超純水，極性液體，實(shí)驗(yàn)室自制；二碘甲烷(CH2I2)，非極性液體，化學(xué)純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，上海晶純生化科技股份有限公司；甲酰胺(CH3NO)，半極性液體，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。60，180，320，400和500目砂紙(25，38，47，80，250 μm，下同)，湖北玉立砂帶集團(tuán)股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

50 L浸漬罐，長(zhǎng)沙炬創(chuàng)科技有限公司；750D型真空泵，750W型空壓機(jī)，臺(tái)州藤原工具有限公司；CP-214型電子天平，AR-124CN型分析天平，奧豪斯儀器(上海)有限公司；01-3AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，101-3AB電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；JC2000DS接觸角測(cè)試儀，德國(guó)數(shù)據(jù)物理儀器有限公司；QFH型漆膜劃格儀，天津市精科材料試驗(yàn)機(jī)廠。

1.3 硅酸鹽改性楊木的制備

取一定量的楊木(一批木材6組，每組包含3塊長(zhǎng)×寬×厚為80 mm×30 mm×10 mm的木塊，5塊長(zhǎng)×寬×厚為150 mm×100 mm×10 mm的木塊，5塊長(zhǎng)×寬×厚為20 mm×20 mm×20 mm的木塊)，試件干燥至含水率在8%～13%，而后放入浸漬罐中。采用循環(huán)呼吸浸漬法[15-16]將浸漬罐抽真空至0.091～0.096 MPa，目的是將木材中的空氣抽出，保壓20 min；通過(guò)罐內(nèi)負(fù)壓把質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.5%的硅酸鈉溶液吸進(jìn)罐內(nèi)，然后卸載負(fù)壓；此時(shí)，向浸漬罐內(nèi)加正壓至0.48 MPa，保壓40 min；這樣循環(huán)3次后，卸壓，將試件取出，室溫晾置48 h,再放入60 ℃的烘箱中烘至含水率為8%～12%備用。

1.4 砂紙?zhí)幚砉杷猁}改性楊木表面及涂層涂飾

用60，180，320，400，500目砂紙對(duì)改性材表面進(jìn)行打磨，用毛刷把表面的粉塵掃除干凈，防止粉末對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

用水性封閉底漆和水性面漆對(duì)改性材進(jìn)行涂飾，先刷涂3遍水性封閉底漆，每次涂布量為0.05 g/cm3，每相鄰兩次涂刷時(shí)間間隔為6 h；再刷3遍水性面漆，每相鄰兩次涂刷時(shí)間間隔為4 h，每次涂布量為0.07 g/cm3，除最后一次涂飾外，每涂飾1遍待干燥后，均采用600目的砂紙?jiān)诒砻孢M(jìn)行打磨，并用毛刷把表面的碎屑掃除干凈。待放置7 d完全干燥后，測(cè)試漆膜附著力。

1.5 性能測(cè)試與表征

1)表面粗糙度測(cè)試。采用TR200粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)未砂磨和砂磨的改性材表面進(jìn)行測(cè)量，其工作原理是傳感器在基材表面移動(dòng)，得到粗糙度數(shù)據(jù)。因木材具有各向異性，故同一個(gè)樣品測(cè)量3個(gè)位置，取其平均值。

2)表面漆膜附著能力測(cè)試。參照GB/T 4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能試驗(yàn) 第4部分：附著力交叉切割測(cè)定法》，手持劃格儀使其垂直于被測(cè)試件表面，并與木紋方向呈45°進(jìn)行切割，切割力度應(yīng)劃透基材表面。與原切割線呈90°的交角再作相同數(shù)量的平行切割線。用軟毛刷沿網(wǎng)格圖形每一條對(duì)角線輕輕地向后掃幾次，再向前掃幾次。每個(gè)試件取3個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)試，以兩個(gè)一致的值為最終實(shí)驗(yàn)值。

3)掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試。取砂磨前后的改性材表面(2 mm×2 mm×1 mm的試樣)和涂刷漆膜的試件樣品(沿木材橫截面截下帶有漆膜4 mm×2 mm×1 mm的試樣)，將裁切好的試樣按順序固定在載物臺(tái)上，放入噴金儀器中進(jìn)行噴金處理，把噴好金的試樣放在掃描電子顯微鏡中進(jìn)行拍攝。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂紙目數(shù)對(duì)硅酸鹽改性楊木表面平均粗糙度的影響

基材涂飾性能的好壞，在一定程度上受涂飾工藝的影響，對(duì)基材表面砂光，不但可以去除基材表面的污漬，還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飾性能?；谋砻娲植诙瘸Ｓ幂喞阈g(shù)平均偏差Ra來(lái)表征，其中Ra越小，說(shuō)明基材表面越平整光滑(表1)。

表1 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木前后表面粗糙度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為10.34 μm，60，180，320，400，500目砂紙對(duì)改性材表面進(jìn)行打磨后，其表面的平均粗糙度分別為6.43，4.95，5.02，5.92，6.06 μm。由此可見(jiàn)，砂磨改性材可有效降低其表面的粗糙度；砂紙目數(shù)小于180目時(shí)，隨著砂紙目數(shù)的增大，改性材表面平均粗糙度呈現(xiàn)先減小的趨勢(shì)；砂紙目數(shù)大于180目時(shí)，隨著砂紙目數(shù)的增大，改性材表面平均粗糙度增大；180目砂紙打磨改性材表面平均粗糙度達(dá)到最小Ra為4.95 μm。改性材表面平均粗糙度并不是隨著砂紙目數(shù)的增大而逐漸變小，這也與Sulaiman等[17]的研究結(jié)果一致，這是因?yàn)槟静谋砻娴钠骄植诙仁苣静慕Y(jié)構(gòu)影響，木材的橫紋、年輪寬度、射線、節(jié)子、早材和晚材比例會(huì)對(duì)平均粗糙度產(chǎn)生影響[18]，且材料本身的密度對(duì)表面平均粗糙度也有影響[19]。細(xì)胞壁也可能在打磨的過(guò)程中被壓縮或撕裂，對(duì)基材造成一定的損傷，使得表面平均粗糙度并不隨著砂紙目數(shù)的增大而變小。

2.2 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木前后表面微觀形貌分析

未砂磨的改性材表面孔隙較大，這是因?yàn)槟静谋旧砭哂袑?dǎo)管和紋孔，再加上硅酸鹽在內(nèi)部的固化形成不規(guī)則晶體，進(jìn)而導(dǎo)致未打磨的改性材表面較粗糙(圖1)。用60目砂紙對(duì)改性材表面進(jìn)行打磨后，其表面已無(wú)明顯的導(dǎo)管暴露出來(lái)，較未砂磨改性材表面平整很多，但仍有較多縫隙；這可能是因?yàn)?0目砂紙能夠?qū)Ω男圆谋砻孢M(jìn)行有效改善，但由于60目砂紙粒徑過(guò)大、粒間距較大，使得砂紙對(duì)改性材表面打磨不均勻，且在砂磨的過(guò)程中也會(huì)對(duì)基材表面的纖維造成一定的傷害，與未砂磨改性材比，表面變光滑，但總體來(lái)看表面仍較粗糙。用180目砂紙對(duì)改性材表面進(jìn)行打磨后，改性材表面較平整光滑，這可能是因?yàn)樯凹埩阶冃?、粒間距也減小，使改性材表面被均勻打磨。使用320，400和500目砂紙對(duì)改性材表面進(jìn)行打磨后，隨著砂紙目數(shù)的增大，改性材表面越來(lái)越粗糙。這可能是隨著砂紙目數(shù)增大，砂紙粒徑越來(lái)越小，且粒間距越來(lái)越小，導(dǎo)致砂紙?jiān)诖蚰ジ男圆谋砻鏁r(shí)，對(duì)其表面的凸起磨損力度不夠，使得改性材表面隨著砂紙目數(shù)增大越來(lái)越不平整。砂紙目數(shù)小于180目時(shí)，打磨改性材表面的砂紙目數(shù)越大，改性材表面越來(lái)越平整；打磨改性材表面的砂紙目數(shù)大于180目時(shí)，隨著砂紙目數(shù)的增大，改性材表面平整度下降。不同目數(shù)砂紙打磨改性材后表面微觀粗糙形貌分析結(jié)果(180目砂紙打磨改性材后，其表面最光滑)與表1砂紙目數(shù)對(duì)硅酸鹽改性楊木表面粗糙度(180目砂紙打磨改性材后，其表面平均粗糙度最小)分析結(jié)果的規(guī)律一致。

a)未砂磨；b)60目；c)180目；d)320目；e)400目；f)500目。圖1 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木前后表面微觀形貌分析Fig.1 Analysis of surface micro morphology of silicate modified poplar before and after sanding

2.3 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木前后漆膜附著力分析

漆膜附著力的好壞，直接關(guān)系到木質(zhì)產(chǎn)品的保護(hù)、裝飾和使用壽命。根據(jù)GB/T 4893.4—2013，對(duì)各試件表面的漆膜附著力進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)漆膜脫落程度，把漆膜附著力分為0～5共6個(gè)等級(jí)。0級(jí)是最好的等級(jí)，漆膜不脫落，從0級(jí)到5級(jí)漆膜附著力逐步下降。硅酸鹽改性材表面粗糙度對(duì)漆膜附著力的影響如表2、圖2和圖3所示。

表2 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木前后的漆膜附著力等級(jí)評(píng)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。圖2 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木前后徑面漆膜附著力分析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。圖3 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木弦面前后漆膜附著力分析Fig.3 Adhesion analysis of paint film before and after sanding the tangential surface of silicate modified poplar with sandpaper

由表2、圖2和圖3可知各處理方式下的漆膜附著力綜合評(píng)級(jí)，未砂磨的改性材徑面4級(jí)(40%)、3級(jí)(60%)，弦面3級(jí)(100%)。60目砂紙打磨改性材后，徑面3級(jí)(60%)、2級(jí)(40%)，弦面3級(jí)(60%)、2級(jí)(40%)。180目砂紙打磨改性材后，徑面3級(jí)(40%)、2級(jí)(60%)，弦面3級(jí)(40%)、2級(jí)(60%)。320目砂紙打磨改性材后，徑面4級(jí)(20%)、3級(jí)(80%)，弦面3級(jí)(80%)、2級(jí)(20%)。400目砂紙打磨改性材后，徑面4級(jí)(20%)、3級(jí)(80%)，弦面4級(jí)(40%)、3級(jí)(60%)。500目砂紙打磨改性材后，徑面4級(jí)(40%)、3級(jí)(60%)，弦面3級(jí)(60%)、2級(jí)(40%)。從60～180目砂紙打磨改性材后，漆膜附著力不再出現(xiàn)4級(jí)，3級(jí)占比逐漸降低，2級(jí)占比逐漸提升，到180目打磨改性材后2級(jí)占比最高，達(dá)到60%。320～500目砂紙打磨改性材后，漆膜附著力評(píng)級(jí)出現(xiàn)了4級(jí)，隨著砂紙目數(shù)的增大，4級(jí)的占比逐漸升高。同一目數(shù)砂紙打磨改性材后，從漆膜附著力等級(jí)占比來(lái)看，弦面漆膜附著力略好于徑面。整體來(lái)看，其徑面和弦面的漆膜附著力綜合評(píng)級(jí)一致，則徑面和弦面對(duì)改性材表面漆膜附著力影響不大，這也與Darmawan等[20]研究結(jié)果一致。未砂光改性材及60，180，320，400，500目砂紙打磨改性材徑面和弦面的綜合評(píng)級(jí)均為3級(jí)、3級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、3級(jí)、3級(jí)。除500目外，打磨后的改性材漆膜附著力綜合評(píng)級(jí)均優(yōu)于未砂光的改性材，且180目砂紙對(duì)改性材進(jìn)行打磨后漆膜附著力最好，達(dá)到2級(jí)。結(jié)合圖1和表1可知，平均粗糙度越小，涂層的漆膜附著力越好。這可能是因?yàn)槠骄植诙冗^(guò)大，導(dǎo)致改性材表面的連續(xù)性和整體性被破壞，使其在基材表面的附著力變小；另一方面，表面平均粗糙度大，導(dǎo)致表面的孔隙被磨削的木屑填充，阻礙了水性漆進(jìn)入孔隙，鉚接程度降低，同時(shí)也使得水性漆與基材的接觸面積變小，所以表面平均粗糙度越大，漆膜附著性能越差。

2.4 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木前后基材與漆膜的微觀結(jié)合形貌分析

為進(jìn)一步觀察各試件基材與漆膜的微觀結(jié)合形貌，對(duì)各試件的漆膜與基材之間的結(jié)合狀態(tài)進(jìn)行了掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試[21]，結(jié)果如圖4所示。

a)未砂磨；b)60目；c)180目；d)320目；e)400目；f)500目。圖4 砂紙打磨硅酸鹽改性楊木弦面前后漆膜與底材界面結(jié)合電鏡分析Fig.4 SEM analysis of the interface between paint film and substrate before and after sanding the tangential surface of silicate modified poplar

由圖4可知，未砂磨改性材漆膜與基材間存在一條連續(xù)且明顯的裂縫，60和180目砂紙對(duì)改性材表面進(jìn)行砂磨處理后，基材與漆膜間的裂縫較未砂磨改性材有所收窄，說(shuō)明60和180目砂紙打磨改性材表面對(duì)漆膜與基材的結(jié)合牢固程度有所改善。用320，400和500目砂紙對(duì)改性材表面進(jìn)行打磨后，基材與漆膜間的裂縫寬度與未砂磨改性材的漆膜與基材間裂縫寬度相當(dāng)。由此可見(jiàn)，砂磨改性材和未砂磨改性材的漆膜與基材間結(jié)合度都不高，基材與漆膜間有明顯裂縫，這也與表2(60目砂紙打磨改性材后，漆膜附著力出現(xiàn)2級(jí)；180目砂紙打磨改性材后，漆膜附著力最好)的結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

1)與未砂磨改性材(10.34 μm)相比，60，180，320，400和500目砂紙打磨改性材表面的平均粗糙度均有明顯降低，其中180目砂紙打磨改性材后，表面平均粗糙度最小，基材表面最光滑。

2)砂紙目數(shù)小于180目時(shí)，隨著打磨改性材的砂紙目數(shù)越大，改性材表面越平整；砂紙目數(shù)大于180目時(shí)，隨著打磨改性材砂紙目數(shù)的增大，改性材表面越粗糙。

3)未砂磨改性材的徑面和弦面的漆膜附著力均為3級(jí)，60，180，320，400和500目砂紙打磨改性材徑面和弦面的漆膜附著力綜合評(píng)級(jí)均為3級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、3級(jí)、3級(jí)。

4)漆膜與基材間結(jié)合的微觀形貌測(cè)試結(jié)果顯示，砂磨改性材和未砂磨改性材的漆膜與基材間結(jié)合度都不高，基材與漆膜間有明顯裂縫，180目砂紙打磨后，基材與漆膜間的裂縫較未處理改性材漆膜與基材間的裂縫有所收窄，這與漆膜附著力評(píng)定結(jié)果(180目砂紙打磨后漆膜附著力提升一個(gè)等級(jí))一致。