林业科学  2009, Vol. 45 Issue (5): 121-125   PDF    
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郭洪武, 王金林, 李春生.
Guo Hongwu, Wang Jinlin, Li Chunsheng
水性透明涂料涂饰单板光变色的研究
Study on the Photochroma of Coated Veneer by Water-Borne Clear Prints
林业科学, 2009, 45(5): 121-125.
Scientia Silvae Sinicae, 2009, 45(5): 121-125.

文章历史

收稿日期:2008-07-02

作者相关文章

郭洪武
王金林
李春生

水性透明涂料涂饰单板光变色的研究
郭洪武1, 王金林2, 李春生2     
1. 北京林业大学材料科学与技术学院 北京 100083;
2. 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091
摘要: 以涂饰与未涂饰的杨木和樟子松单板为试材,利用氙光衰减仪进行光辐射试验,分析其光变色规律及影响因子,并进行耐光性能评价。结果表明:涂饰与未涂饰的单板受光辐射易发生变色,主要表现为明度指数L*降低,色度指数a*b*上升,其中涂饰与未涂饰的樟子松单板的色度指数b*变化明显;涂饰水性双组分聚氨酯清漆单板的总色差值明显大于涂饰水性丙烯酸清漆单板,涂饰樟子松单板的总色差值大于涂饰的杨木单板;涂料种类和单板树种对涂饰单板的光变色均有一定的影响,但涂料种类影响较明显;涂饰与未涂饰水性双组分聚氨酯清漆的单板总色差值差异不明显,涂饰水性丙烯酸清漆单板的总色差值小于未涂饰的单板。
关键词:涂料涂饰    杨木单板    樟子松单板    光变色    
Study on the Photochroma of Coated Veneer by Water-Borne Clear Prints
Guo Hongwu1, Wang Jinlin2, Li Chunsheng2    
1. College of Material Science and Technology, Beijing Forestry University Beijing 100083;
2. Research Institute of Wood Industry, CAF Beijing 100091
Abstract: The coated and uncoated veneers from poplar and Mongolian Scotch Pine was lighted by Xenon light attenuation tester. The photochroma machinsm and influencing fators were analyzed and the lightfastness performance was evaluated. The coated and uncoated veneers were easy to change color after lighted, with brightness index L* decreasing while chroma indexes a* and b* increasing. The chroma index b* of Mongolian Scotch Pine veneer had a more clear change. The coated veneers by water-borne two-component polyurethane varnish was obvisouly greater than these by water-borne acrylic varnish in the total chromatism value. The coated veneers from Mongolian Scotch Pine was more than these from poplar in the total chromatism value. The print had a more clear influence on the chromatism than veneer species. The coated and uncoated veneers by water-borne two-component polyurethane varnish had no clear influence on the total chromatism value. The coated veneers by water-borne acrylic varnish was smaller than the uncoated veneers in the total chromatism value.
Key words: print coating    poplar veneer    Mongolian Scotch Pine veneer    photochroma    

木材涂饰是用涂料涂饰木制品与木质材料,在其表面形成一层附着牢固的装饰保护涂膜,涂饰分为透明和不透明2种。其中,透明涂饰是用透明涂料涂饰木材表面形成透明漆膜,可以保留和显现木材的花纹与色泽,防止木材劣化、减少吸湿及水分的移动,保持尺寸稳定性。然而,涂料与木材一样都是高分子材料,易受光、热、水分等因子作用而发生变色等劣化现象,特别是光的劣化或降解。因此,涂膜及其涂饰材受光辐射也会引起变色,影响涂饰材的使用寿命和装饰性能。

20世纪80年代初期,日本学者利用褪色试验机,对涂饰不同涂料的木材进行了变、褪色试验(西條博之,1985井沢利運治,1986)。进入90年代,我国台湾学者进行了木材用涂料耐久性的研究,对室内外用13种涂料的耐光性与耐久性进行了色度学和光泽度变化的评价测定,确定了室内外用涂料的耐光性与耐久性等级(张上镇,19871994)。日本学者峯村伸哉等(1995)用落叶松(Larix kaempferi)、冷杉(Abies firma)等6种木材为试材,表面涂装8种透明涂料和5种不透明涂料,进行了涂膜性能检测,认为透明涂料涂膜比不透明涂料涂膜总色差大,漆膜保持时间短;同时推测涂饰材产生光变色的原因可能是可溶于涂料溶剂的木材抽提物成分集积在涂膜上而产生的光变色。由此看来,国内外学者对涂料的耐光性研究较多,对涂饰木材的光变色研究少且不系统,并且研究中所用涂料为溶剂型。但是,随着社会的进步和发展,人们对室内环境质量要求越来越高,出现了木工专用环保型水性涂料。因此,本文开展涂饰水性的双组分聚氨酯清漆和丙烯酸清漆的杨木和樟子松单板光变色的研究,分析试验因子对光变色的影响,并进行涂饰与未涂饰单板光变色的比较,进而对涂饰单板的耐光性能进行评价。该研究为深入探讨涂饰木材的光变色机制和木质装饰材料的使用环境与光变色的研究提供理论依据,对提高涂饰木材的耐光性、加速各种耐光稳定剂的开发具有重要的现实意义。

1 材料与方法 1.1 试验材料

树种:人工林Ⅰ-214杨(Populus euramericana cv. ‘Ⅰ-214')、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)。涂料:水性丙烯酸清漆、水性双组分聚氨酯清漆。

1.2 测试仪器

色彩色差计(CR-300,Japan);氙光衰减仪(X25F,Japan)。

1.3 试件制作

1)单板 将杨木和樟子松木材刨切成1 mm厚的单板并干燥,含水率控制在12%左右。然后,裁制成110 mm×65 mm规格,并各选取72片。

2)涂饰单板 即用油漆刷分别涂饰杨木和樟子松单板共2遍,涂料用量160~200 g·m-2,涂饰后自然干燥至含水率12%左右。

3)颜色测定 用色彩色差计对涂饰与未涂饰的单板进行材色测定和记录后,用黑色塑料薄膜密封分组包装,置于避光处备用。

1.4 试验方法

涂饰与未涂饰的杨木和樟子松单板试件各选9片,分别置入氙光衰减仪内试样架上进行0,1,2,5,10,25,50,75,100 h辐射后,利用色彩色差计测定光辐射后和光辐射过程中的试件表面材色,计算光辐射前后的材色指数差和总色差值,公式ΔEab*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2,并以国际照明委员会颁布的CIE(1976)L*a*b*表色系统进行颜色表征。分析涂饰与未涂饰单板光变色的变化规律,探讨影响涂饰单板光变色的因子,并对涂饰与未涂饰单板的光变色进行比较。

2 结果与讨论 2.1 试件的颜色

涂饰与未涂饰单板材色指数L*a*b*的初始值测定结果(平均值)见表 1。由表 1可知,同树种单板,涂饰前后的材色指数基本接近,表明单板经清漆涂饰后基本未发生变色;同涂料不同树种的单板,涂饰单板的材色指数由于树种和单板表面性状的不同而存在一定的差异;不同涂料同树种的单板,涂饰单板的材色指数差异不大,基本接近。

表 1 涂饰与未涂饰单板的材色指数 Tab.1 The colour index of uncoated and coated veneers
2.2 单板的光变色

杨木和樟子松单板,经氙光辐射100 h后的材色指数差和总色差值(ΔEab*)见表 2,光辐射过程中的明度指数L*、色度指数a*-b*和总色差值ΔEab*的变化情况,分别见图 123

表 2 单板光辐射100 h后各色度学参数的变化 Tab.2 The change of chroma parameters after lighting of veneers for 100 hours
图 1 单板的明度指数L*随光辐射时间的变化 Figure 1 The relationship between veneer lighteness(L*) and lighting time
图 2 单板的色度指数a*-b*随光辐射时间的变化 Figure 2 The relationship between chroma index(a*-b*) and lighting time
图 3 单板的总色差值ΔEab*随光辐射时间的变化 Figure 3 The relationship between total chromatism(ΔEab*) of the veneer and lighting time
2.2.1 单板光变色的变化规律

图 1~3可见,随着光辐射时间的延长,杨木和樟子松单板的明度指数L*、色度指数a*b*、总色差值ΔEab*的变化规律基本相同。但是,L*均呈明显下降趋势;a*b*均呈上升趋势;ΔEab*均明显增加。

表 2可知,2树种的单板经氙光辐射100 h后,杨木单板的ΔL*值(10.92)小于樟子松单板的ΔL*值(13.84);杨木单板的色度指数差Δa*值(4.98)大于樟子松单板的Δa*值(3.14),但差异不显著,表明杨木单板颜色偏向红色趋势较明显;樟子松单板的色度指数差Δb*值(14.85)大于杨木单板的Δb*值(11.71),表明樟子松单板颜色偏向黄色趋势明显;樟子松单板的总色差ΔEab*值(20.21)大于杨木单板的ΔEab*值(16.76)。

2.2.2 单板单位时间的光变色

在整个光辐射过程中,随着光辐射时间的延长不同单板单位时间的总色差值见表 3。由表 3可见,杨木和樟子松单板光辐射前期和中期变色明显,光辐射后期变色趋于平缓。总体来看,樟子松单板单位时间的总色差值大于杨木单板。

表 3 不同光辐射时期单位时间的光变色 Tab.3 The chromatism in diffirent periods
2.3 涂饰单板的光变色

涂饰不同涂料的杨木和樟子松单板,经氙光辐射100 h后的材色指数差和总色差值(ΔEab*)见表 4,光辐射过程中的明度指数L*、色度指数a*-b*和总色差值ΔEab*的变化分别见图 4~6

表 4 涂饰单板光辐射100 h后各色度学参数的变化 Tab.4 The change of chroma parameters after lighting of coated veneers for 100 h
图 4 涂饰单板的明度指数L*随光辐射时间的变化 Figure 4 The relationship between the lighteness (L*) of coated veneer and lighting time
图 5 涂饰单板的色度指数a*-b*随光辐射时间的变化 Figure 5 The relationship between chroma index (a*-b*)of coated veneer and lighting time
图 6 涂饰单板的总色差值ΔEab*随光辐射时间的变化 Figure 6 The relationship between the total chromatism(ΔEab*) of coated veneers and lighting time
2.3.1 涂饰单板光变色的变化规律

图 4~6可见,随着光辐射时间的延长,明度指数L*、色度指数a*-b*、总色差值ΔEab*的变化规律基本相同。但是,L*均逐渐下降,其中涂饰水性双组分聚氨酯清漆的樟子松单板明度指数L*下降明显;a*-b*均呈上升趋势,a*变化幅度小,b*变化幅度大;ΔEab*均较平缓增加。

2.3.2 涂饰单板光变色的差异分析

表 4可知,分别涂饰不同涂料的2树种的单板经氙光辐射100 h后,其明度指数差ΔL*、色度指数差Δa*和Δb*及总色差值ΔEab*存在一定的差异。

1)同树种不同涂料 明度指数L*:涂饰水性丙烯酸清漆单板的ΔL*值小于涂饰水性双组分聚氨酯清漆单板,表明涂饰水性丙烯酸清漆单板对L*的变化抑制性好。色度指数a*-b*:涂饰水性丙烯酸清漆单板的Δa*和Δb*值均小于涂饰水性双组分聚氨酯清漆单板,表明涂饰水性丙烯酸清漆单板对a*-b*的变化抑制性好。总色差值ΔEab*:涂饰水性丙烯酸清漆单板的总色差值明显小于涂饰水性双组分聚氨酯清漆单板,表明涂饰水性丙烯酸清漆单板的光变色小,耐光性好。

2)同涂料不同树种 明度指数L*:涂饰杨木单板的ΔL*值小于涂饰樟子松单板,表明涂饰杨木单板对L*的变化抑制性好。色度指数a*-b*:涂饰杨木和樟子松单板的a*值变化幅度差异不明显;b*值变化幅度差异明显,即涂饰杨木单板的Δb*值小于涂饰樟子松单板。这表明,对同涂料涂饰的不同树种单板的a*的变化抑制性一致,而涂饰杨木单板对b*的变化抑制性较好。总色差值ΔEab*:涂饰杨木单板的总色差值小于涂饰樟子松单板,表明树种对光变色有一定的影响。

2.3.3 涂饰单板单位时间的光变色

在整个光辐射过程中,随着光辐射时间的延长不同涂饰单板单位时间的总色差值见表 5

表 5 不同光辐射时期单位时间的光变色 Tab.5 The chromatism in diffirent periods

表 5可见,涂饰的杨木和樟子松单板光辐射前期和中期变色明显,光辐射后期变色趋于平缓。但是,光变色前期,涂饰水性双组分聚氨酯清漆单板单位时间的总色差值是涂饰水性丙烯酸清漆单板的2倍多;光变色中期,涂饰水性丙烯酸清漆单板单位时间的总色差值大于涂饰水性双组分聚氨酯清漆单板,涂饰杨木单板单位时间总色差值大于涂饰樟子松单板;光变色后期,涂饰水性丙烯酸清漆单板单位时间的总色差值小于涂饰水性双组分聚氨酯清漆单板,涂饰杨木单板单位时间总色差值小于涂饰樟子松单板。总体来看,光变色前期和后期,涂饰水性双组分聚氨酯清漆单板与涂饰樟子松单板的单位时间光变色大。

2.4 涂饰与未涂饰单板光变色的比较 2.4.1 涂饰与未涂饰单板光变色的变化规律

图 1~6可见,随着光辐射时间的延长,涂饰与未涂饰单板的明度指数L*、色度指数a*-b*、总色差值ΔEab*的变化规律基本相同。但是,L*均逐渐下降,其中涂饰与未涂饰的水性双组分聚氨酯清漆的樟子松单板明度指数L*下降明显;a*-b*均呈上升趋势,a*变化幅度小,b*变化幅度大;ΔEab*均较平缓增加。

2.4.2 涂饰与未涂饰的单板光变色差异分析

表 24可知,无论是杨木单板还是樟子松单板,涂饰与未涂饰的单板经氙光辐射100 h后,其明度指数差ΔL*、色度指数差Δa*和Δb*及总色差值ΔEab*存在一定的差异。

1)明度指数L* 水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板与单板的ΔL*值基本接近;水性丙烯酸清漆涂饰单板的ΔL*值小于单板,表明水性丙烯酸清漆涂饰单板对L*的变化抑制性明显。

2)色度指数a*-b* 水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板与单板的Δa*和Δb*值基本接近;而水性丙烯酸清漆涂饰单板的Δa*和Δb*值小于单板,但差异不明显。表明涂饰单板对色度指数a*-b*的变化影响小。

3)总色差值ΔEab* 水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板与单板的总色差值基本接近;水性丙烯酸清漆涂饰单板的总色差值小于单板,但差异不大。表明涂饰水性双组分聚氨酯清漆对光变色没有抑制作用,而涂饰水性丙烯酸清漆对光变色具有一定的抑制作用。

2.5 讨论

通过上述分析,水性丙烯酸清漆涂饰单板的总色差值小于水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板,表明水性丙烯酸清漆涂饰单板的耐光性优于水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板。水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板的总色差值大,耐光性差。这是由于芳香族类PU中的芳香族胺基甲酸酯受光影响而产生醌酰亚胺类(quinone imides)的结构,使得芳香类PU涂膜产生黄化、劣化(Schollenberger et al., 1976)。涂饰樟子松单板的总色差值大于涂饰杨木单板,这是由于木材经紫外光辐射后,木材组分中的纤维素的羟基—OH可经自由基变化,被氧化为醛羰基—CHO、酮羰基C=O、羧基—COOH等发色基团(Dietrich et al., 1984)而木质素成分的光化学过程主要是与甲基苯醌类(OC6H4:CHCH2R)化合物的形成有关(Erin et al., 1991),也就是说木质素经紫外光辐射后会形成苯醌类发色物质,从而使木材发生变色。但木质素的含量不同,其总色差也不同。通常针叶树材的木质素的含量为20%~35%,阔叶树材的木质素含量为17%~28%。平均来看,针叶树材较阔叶树材木质素含量多10%。

但是,与未涂饰单板相比,水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板与单板的光变色接近,而水性丙烯酸清漆涂饰单板的光变色小于单板。其原因是:水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板与单板的材色指数变化差异不大;水性丙烯酸清漆涂饰单板对明度指数L*的抑制性较明显。由此可见,单板涂饰水性双组分聚氨酯清漆后,对抑制单板的光变色没产生作用;单板涂饰水性丙烯酸清漆后,对抑制单板的光变色具有一定的作用。但是,涂料对木材均具有保护和装饰作用,能增强木材的尺寸稳定性。

3 结论

1) 木材受光辐射易发生变色,主要表现为明度指数L*降低;色度指数a*b*上升。其中,樟子松单板的色度指数b*变化明显;樟子松单板的总色差值ΔEab*为20.21大于杨木单板的ΔEab*值16.76。

2) 涂饰木材受光辐射易发生变色,主要表现为明度指数L*降低,色度指数a*b*上升。但是,树种和涂料种类的不同其总色差值也不同。水性双组分聚氨酯清漆涂饰单板的总色差值明显大于水性丙烯酸清漆涂饰单板;涂饰樟子松单板的总色差值大于涂饰的杨木单板。水性双组分聚氨酯清漆涂饰的杨木和樟子松单板的总色差值ΔEab*分别为17.46,20.57;水性丙烯酸清漆涂饰的杨木和樟子松单板的总色差值ΔEab*分别为13.10,15.52。

3) 涂饰单板与单板的材色指数和总色差值的光变色规律一致;水性双组分聚氨酯清漆的涂饰对于单板的光变色没有影响;水性丙烯酸清漆涂饰单板的总色差值小于未涂饰的单板。这表明:涂饰水性双组分聚氨酯清漆对单板光变色没有抑制作用,而涂饰水性丙烯酸清漆对单板光变色具有一定的抑制作用。

参考文献(References)
峯村伸哉, 梅原藤雄, 佐藤光秋. 1995. 木材の调色(第2報). 林塲試験塲研究報告, 84: 28-46.
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西條博之. 1985. 涂装木材の变色防止に關する研究. 神奈川県家具指導—研究報告, 14: 28-31.
张上镇. 1987. 木材用涂料耐久性之研究. 林業試験所研究報告季刊, 2(4): 303-318.
张上镇. 1994. 室外用涂料耐光性与耐候性之研究. 林产工业, 13(2): 275-294.
Dietrich F, Gerd W. 1984. Wood chemistry ultrastructure reactions. Berlin: Walter de Gruyter, 361-364.
Erin L A, Zenon P, Noel L O, et al. 1991. Infrared studies of wood weathering. Applied Spectroscopy, 45(4): 641-647. DOI:10.1366/0003702914336930
Schollenberger C S, Stewart F D. 1976. Thermoplastic polyurethane elastomer UVStabilization. Elastomers and Plastics, 20(8): 11-29.