热处理对马尾松木材漆膜附着力的影响

热处理对马尾松木材漆膜附着力的影响
高志强;郭飞;吕建雄;黄荣凤
【摘要】以170 ～230℃水蒸气对马尾松木材进行2～8h热处理后,对处理材进行油性聚氨酯漆与水性丙烯酸漆漆膜附着力以及平衡含水率和纤维素结晶度的测定,结果表明:热处理木材对于水性丙烯酸漆的漆膜附着力优异,与未处理材一样,均为0级;对于油性聚氨酯漆,随着处理强度的提高,漆膜附着力下降,但很少有试件达到3级或以上.平衡含水率为5.80％～ 13.89％,聚氨酯漆漆膜附着力等级平均值随其降低而呈指数增加.热处理材的纤维素结晶度大于未处理材,纤维素结晶度的增加削弱了羟基的数量,进而使基材润湿性降低,影响了漆膜附着力.
【期刊名称】《林业机械与木工设备》
【年(卷),期】2016(044)001
【总页数】5页(P29-33)
【关键词】热处理;马尾松;漆膜附着力;平衡含水率;纤维素结晶度
【作者】高志强;郭飞;吕建雄;黄荣凤
【作者单位】中国林科院木材工业研究所国家林业局木材科学与技术重点实验室,北京100091;中国林科院木材工业研究所国家林业局木材科学与技术重点实验室,北京100091;中国林科院木材工业研究所国家林业局木材科学与技术重点实验室,北京100091;中国林科院木材工业研究所国家林业局木材科学与技术重点实验室,北京100091
【正文语种】中文
【中图分类】S781.7
研究与设计
热处理作为一种绿色环保型木材改性处理方法，对改善木材的尺寸稳定性和生物耐久性等方面均有良好的效果[1-3]。

但木材在热处理过程中会产生一系列的化学反应，因此将对木材脆性、力学强度、涂饰性能等产生不利的影响[4-5]。

漆膜附着力是反映漆膜与被附着物体表面通过物理和化学力作用结合在一起坚固程度的重要指标[6]。

家具漆膜附着力与涂料和基材的性质、涂饰工艺以及环境条件
等多方面因素有关[7]。

基材的表面状态，如表面化学结构、清洁度、粗糙度、表
面润湿性等都对漆膜附着力有很大影响。

涂饰工艺对漆膜附着力的影响研究表明，水性漆的漆膜附着力随底漆涂布量的增大而提高，但封闭底漆涂布量和面漆涂布量增大会降低水性漆的漆膜附着力[8]。

此外，木材含水率也会影响木材的漆膜附着力。

木材含水率主要是通过影响木材中活性基团羟基(-OH)的结合能和数量，进而影响基材与漆膜的结合，有研究表明，适当增加试件表面羟基浓度会改善其漆膜附着力[9]。

热处理可以改变木材的理化性质，其中主要化学成分不同程度的分解及羟基数量的降低影响了漆膜在基材上的结合力[10-12]。

本文以马尾松热处理木材为研究对象，探讨热处理温度和时间对油性聚氨酯漆和水性丙烯酸漆漆膜附着力的影响，分析平衡含水率及纤维素结晶度与漆膜附着力之间的关系，为热处理木材的涂饰加工提供依据。

马尾松原木采自广西凭祥中国林科院热带林业实验中心，树龄为20～30年，胸径为25～35 cm。

将马尾松原木加工成500 mm(L)×70 mm(T)×30 mm(R)的试件，放置在气干棚中气干至含水率为12%左右。

试件按完全随机区组法分成21个组(20个处理组+1个对照组)，每组15个试件。

从市场选购华润油性聚氨酯漆(TJC8003K-5KG)和华润水性丙烯酸漆(JKW105)，
用于漆膜附着力实验。

(1)热处理。

以水蒸气为导热介质，在5个温度(170 ℃、185 ℃ 、200 ℃、
215 ℃、230 ℃)和4个时间(2 h、4 h、6 h 、8 h)条件下进行热处理。

在热处理阶段，窑内的氧气含量控制在2%以下。

(2)木材涂饰。

在每个试件的中间沿长度方向画一条分割线，将试件平分成两半，分别用于涂刷油性漆和水性漆。

按GB/T 1727-1992《漆膜一般制备方法》，将油性漆和水性漆分别均匀地涂刷在每个试样的涂饰区域，涂布量为180～200
g/m，涂饰后的木材置于阴凉、避光处干燥一周。

将各组热处理及对照组试样加工成尺寸为20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的试件，每组试样重复15次。

将其在相对湿度为65%、温度为20 ℃环境下调湿后，按照GB/T 1931～1936-2009平衡含水率测量方法进行测定。

将各组热处理及对照组试样(500 mm(L)×70 mm(T)×30 mm(R))气干后，按照GB 4893.4-2013家具表面漆膜理化性能实验第4部分—附着力交叉切割测定法进行测定，每组试样重复4次，然后按表1进行分级评价。

聚氨酯漆调配好后要密封保存，且必须两天内用完；水性漆调配好后尽量在1周内用完。

试验设备采用北京理化测试分析中心的 X 射线衍射仪(D8 advanced diffractometer)，试验条件如下：管电压40 kV，管电流40 mA；在2θ= 3°～40°的范围内扫描，扫描速率为4°/min，X射线的入射波长为0.154 06 nm。

采用Segal 方法计算纤维素Ⅰ的纤维素结晶度，纤维素结晶度的计算公式为：
不同漆膜附着力级别的划格试样照片如图1所示。

从0级到3级受划痕影响的漆膜面积逐渐增大，漆膜附着力下降，在本研究的热处理条件下，漆膜附着力最差的是3级。

两种油漆涂饰的马尾松热处理木材漆膜附着力等级的平均值见表2。

水性丙烯酸漆
在对照材和所有热处理条件下处理的木材上均没有出现漆膜剥落的现象，附着力等级均为0级。

说明热处理温度为230 ℃时，处理8 h不会影响水性漆漆膜附着力。

对于油性聚氨酯漆，漆膜附着力随着热处理温度的升高和热处理时间的延长而逐渐降低，但有一定的波动性。

185 ℃以下时个别试件有轻微漆膜剥落，达到1级；200 ℃以上时大部分试件的漆膜附着力达到1级或2级；230 ℃处理6 h以上时
个别试件达到3级，未出现4级及以上漆膜严重剥落的情况。

漆膜与基材相互间产生的化学结合力是决定漆膜附着力的重要因素，其中成膜物质对基材的润湿程度是影响漆膜附着力的关键因素，丙烯酸酯类聚合物中的羧基(-COOH)、酯基(-COOR)，聚氨酯中的异氰酸酯(N—C—O)等极性基团均可以与木材中羟基形成很强的氢键，是改善漆膜附着力的关键[13-14]。

木材中纤维素非结
晶区、半纤维素和木质素中都具有亲水性基团，因此与油性聚氨酯漆相比，水性丙烯酸漆中水分子在基材表面更容易渗透而被吸收，由于水分进入木材细胞壁的非结晶领域，引起非结晶领域微纤丝间水层变厚而膨胀，使得木材中各成分分子之间间隙增大，水性树脂便于向其间渗透，使涂料和基材的有效接触面积增大[15]。

因此水性丙烯酸酯类聚合物中的羧基(-COOH)、酯基(-COOR)更容易与木材中的极性
基团形成键合，固化后和木材纤维素间可能形成互穿网络结构，使得其漆膜附着力在热处理前后变化不大。

平衡含水率(EMC)是热处理木材的一项重要指标，其降低表明木材的吸湿性下降，尺寸稳定性提高。

同时，木材含水率也是影响漆膜附着力的重要因素，见表3。

随着热处理时间的延长和热处理温度的升高，热处理材的平衡含水率表现为逐渐降低的趋势。

170 ℃下处理2 h后，马尾松木材的平衡含水率即下降17.7%；230 ℃
下处理4 h后，平衡含水率下降大约一半。

本实验条件下，平衡含水率最多下降达58.2%，与相关的研究结果基本一致[16-18]。

关于平衡含水率下降的原因，学者
们广泛认同的观点是热处理导致了羟基的减少，从而引起木材细胞壁吸附水分能力
下降。

此外，纤维素结晶度升高也是一个重要原因，它将导致水分子的可及度减少[19]。

热处理材的平衡含水率与油性聚氨酯漆漆膜附着力呈指数关系，如图2所示。

对
照组的漆膜附着力为0级，在本实验处理范围内，热处理材的平衡含水率随热处
理温度的升高和热处理时间的延长逐渐降低，平衡含水率的降低导致处理材中的活性羟基减少，聚氨酯中的异氰酸酯(N—C—O)等极性基团与基材产生键合的机会
减少，影响了油性聚氨酯漆漆膜的附着。

在平衡含水率低于9%时，聚氨酯漆漆膜附着力平均值逐渐高于1级，漆膜附着力降低对其使用寿命影响很大。

马尾松木材在不同温度下处理2 h和6 h后相对纤维素结晶度的变化如图3所示。

从图3中可以看出，热处理后木材的纤维素结晶度都高于对照材。

处理时间为 2 h 时，纤维素结晶度随着处理温度的升高逐渐增加，对照材为 44.62%，逐渐升高到49.51%(230 ℃)。

处理时间为 6 h时，纤维素结晶度随处理温度的升高变化规律
有所不同，从170 ℃到200 ℃，纤维素结晶度逐渐增加，200 ℃以上时纤维素结晶度反而下降，但仍高于未处理材，此结论与相关的研究结果也基本一致[20-21]。

木材热处理时，纤维素非晶区水分散失，使相邻纤维素分子链之间距离缩小，并形成了新的氢键结合，从而使纤维素分子链排列更加紧密，纤维素结晶度升高。

同时木材中半纤维素和非结晶区的羟基降解，使自由羟基浓度降低，削弱了漆膜与基材间的结合强度，而且乙酰基的形成使木材纤维之间形成了“交联”结构，木材的润湿性降低。

此外，木材是一种典型的非均质多孔材料，影响木材表面性质的原因多且复杂，除了木材化学成分、木材孔隙度、表面粗糙度、纤维排列方向等因素以外，热处理木材脆性增大，切削和砂光过程中细小粉尘填充在木材空隙中，也会影响木材表面的清洁度，使漆膜附着力降低。

(1)热处理木材水性丙烯酸漆的漆膜附着力优异，与未处理材一样，均为0级；而
对于油性聚氨酯漆，随着处理强度的提高，漆膜附着力下降，但很少有试件达到3
级或以上。

(2)平衡含水率为5.80%～13.89%，油性聚氨酯漆漆膜附着力等级平均值随含水率减小而呈指数增加，在平衡含水率低于9%时，聚氨酯漆漆膜附着力平均值逐渐高于1级，漆膜附着力降低对其使用寿命影响很大。

(3)热处理木材的纤维素结晶度大于未处理材，纤维素结晶度的增加削弱了羟基的数量，进而使基材润湿性降低，影响了漆膜附着力。