SiO2改性对紫外光固化木器涂料性能的影响
闫小星，吴燕，毛卫国，徐伟
( 南京林业大学家具与工业设计学院，江苏南京210037)
由表1 可以发现，SiO2的含量对改性UV 固化木器涂层的附着力影响明显，样品1#的UV 固化木器涂层比其他样品具有较好的附着力，即SiO2的质量分数3. 23%，干燥时间2 min，UV 灯为3 盏时，UV 固化木器涂层具有较好的附着力。
木器涂料主要用于木器制品( 如木制品和木家具等) 表面起装饰与保护作用。传统的木器涂料由于含有大量甲苯、二甲苯等有害的有机挥发物，严重影响人体健康和环境质量。近年来，紫外光( UV) 固化木器涂料以快速固化、环保和节能等优点在木器工业领域得到广泛应用，在未来的几年里也会得到越来越多木制品企业的青睐。涂层表面的高光泽度会对人视力造成一定损害，亚光涂饰的低光泽产品越来越受到人们的喜爱，因此，在木器涂料领域有一定的应用潜力。对UV固化体系要获得理想的亚光光泽，消光剂、配方组成、施工和固化条件等因素对终涂层的光泽都有影响，使得UV 固化亚光涂层的制备非常困难。然而，当UV 固化涂料应用于木器表面时，常存在力学性能较差、光泽度较高等问题。因此，需要对UV 固化木器涂料进行改性，提高其力学性能，并降低其光泽度。
对有机高分子聚合物进行改性已经成为近年来涂层材料研究的热点。改性后的有机－ 无机复合材料既可以保持高分子聚合物优良的柔韧性、成膜性和非导电性能等，又具有无机材料本身的高
硬度、高热稳定性和特殊的光电性能。赖俊伟等研究了碳酸钙经S － 2 － E 改性后，对UV固化涂层的硬度、耐水性等性能有所改善。二氧化硅( SiO2) 具有无机刚性、高比表面积、红外反射等特性，添加到涂料中能提高涂层的硬度、耐刮伤性、抗紫外老化和热老化性能。笔者通过SiO2改性UV 固化木器涂料，研究改善UV 固化木器涂层的力学性能，为木器涂层达到亚光的光泽度提供理论依据。
1 材料与方法
1． 1 试剂
实验中所用试剂均为分析纯，没有经过进一步处理直接使用。UV 固化木器涂料由广东省宜华木业股份有限公司提供。SiO2由上海化学试剂有限公司提供阿拉丁试剂，规格为质量分数99. 5%，粒径( 200 ± 30) nm，作为改性剂使用。
1． 2 涂层制备
首先对基板进行预处理，先用砂纸打磨，然后除油，涂底漆，后在烘箱中烘干。SiO2按预设计好的量( 0 ～ 14. 28%) 加入UV 固化木器涂料中，混合搅拌均匀，然后在室温下超声1 h。通过一定压力喷射( 参照标准98PSI，Japan) ，沉积在事先经底漆处理平整的木质基板( 100 mm × 100 mm × 5mm) 上，涂层厚度大约60 μm。然后在UV 固化机中进行辐射固化，光固化使用中压汞UV 灯，灯距30 cm，控制UV 灯盏数( 1 ～ 3 盏) ，干燥固化时间( 2 ～ 5 min) 。
1． 3 测试与表征
根据GB /T 1732—93 标准，采用涂层冲击力实验仪测量涂层抗冲击强度。根据GB /T 1720—89，采用涂层附着力实验仪测量涂层附着力。采用GB6739—86 涂层硬度测定法测定涂层洛氏硬度。利用广州标格达实验仪器用品有限公司的BGD512－ 60 型光泽度仪测试涂层光泽度。
2 结果与分析
2 结果与分析
2． 1 UV 固化木器涂料改性的影响因素
影响UV 固化木器涂料改性的主要因素是SiO2的含量、干燥时间和UV 灯盏数。用正交实验来优化这3 个因素对改性UV 固化木器涂料性能的影响。正交试验设计见表1。SiO2的含量、干燥时间和UV 灯盏数这3 个因素对UV 固化木器涂层的力学性能( 如附着力、抗冲击强度、硬度) 均有一定程度的影响，相比较而言，对附着力的影响更为明显。涂层的附着力为在规定载荷下涂层附着在基体上的程度。因此，在正交实验中，重点分析改性条件对附着力的影响，优化工艺参数，在此基础上进一步探讨SiO2改性对其他力学性能指标的影响。各因素对UV 固化木器涂料附着力的影响见表1。
由表1 可以发现，SiO2的含量对改性UV 固化木器涂层的附着力影响明显，样品1#的UV 固化木器涂层比其他样品具有较好的附着力，即SiO2的质量分数3. 23%，干燥时间2 min，UV 灯为3 盏时，UV 固化木器涂层具有较好的附着力。
2． 2 SiO2含量对UV 固化木器涂层力学性能的影响
在干燥时间为2 min，UV 灯为3 盏条件下，SiO2质量分数分别为0、0. 33%、0. 66%、1. 32%、1. 96%、2. 60%和3. 23%，考察SiO2对UV 固化木器涂层力学性能的影响。发现SiO2含量对UV 固
化木器涂层的硬度具有一定影响( 图1a) 。由图1a可以看出，当SiO2质量分数从0 增加到0． 33% 时，UV 固化木器涂层的硬度从118 N/mm2 增加到120N/mm2。继续增加SiO2质量分数至1． 32%，涂层硬度仍保持较高值( 120 N/mm2 ) 。这是由于在低SiO2含量下，SiO2颗粒离散分布，颗粒与颗粒之间距离很大，随着SiO2含量的增加，SiO2均匀地分散在UV 固化木器涂层中，并且SiO2本身就是刚性无机材料。因此，SiO2的添加大大提高了UV 固化木器涂层材料的硬度。但当SiO2质量分数超过1. 32% 后，其硬度又有所下降。这是由于过量的SiO2粒子间容易发生团聚，与UV 固化木器涂料结合力下降，导致硬度下降。
SiO2含量和附着力之间的关系见图1b，随SiO2含量增加附着力呈现“U”形曲线。从图1b 中可以看出，随着SiO2质量分数从0 增加至0. 33%，附着力变化不大，均为较差的3 级附着力。当SiO2质量分数在0. 33% ～ 1. 32%时，附着力较佳，达到1 级。这是由于随着SiO2粒子数的增加，涂层的内聚力和机械连锁增加，从而导致了附着力增加。然而，进一步将SiO2质量分数从1. 32% 增加至3. 23%，附着力有所下降，是由于SiO2在高含量下产生聚集，粒子不能均匀分散所造成的。另外，SiO2含量的增加使涂层的弹性下降，减少了外力作用下能量消耗的概率。因此导致涂层较易破碎，达到附着力2 级。
为了探讨涂层的疲劳行为，对涂层的耐冲击性能进行了研究，如图1c 所示。冲击实验考查的是涂层表面的动态加载能力。从图1c 看出，当SiO2质量分数从0 增加至0． 33% 时，冲击强度均为10
kg·cm; 但当SiO2质量分数从0. 33%增加至1. 32%时，冲击强度上升到40 kg·cm。可以看到，SiO2质量分数在0. 66% ～ 1. 32% 时，UV 固化木器涂层具有较高的抗冲击性能，并且没有观察到涂层断裂。随着SiO2含量继续增加，UV 固化木器涂层的抗冲击性能反而下降。这一变化趋势与附着力变化趋势相一致，表明在动态冲击实验中，UV 固化木器涂层良好的附着力保证了涂层具有较好的抗冲击性能。
2． 3 SiO2含量对UV 固化木器涂层光泽度的影响
SiO2含量对光泽度影响的结果见图2，从图2 可以看出，UV 固化木器涂层的光泽度随着SiO2质量分数的增加而降低。当SiO2质量分数从0 提高到1. 96% 时，UV 固化木器涂层的光泽度从45. 3% 显著下降到33. 1% ; 当SiO2质量分数从1. 96% 增加至3. 23% 时，UV 固化木器涂层的光泽度又从33. 1% 继续缓慢下降至31. 6%。这是由于SiO2在UV 固化木器涂料中为不溶物，随着SiO2含量的不断增加，在涂料成膜过程中SiO2在表层的体积浓度增大，涂层表面形成了微细粗糙度。当入射光到达表面时发生散射，产生消光，从而降低了UV 固化木器涂层的光泽度。当SiO2含量上升到一定值时，在高含量下聚集，甚至可以在涂层表面看到团聚现象，从而难以在涂料中进行分散，使UV 固化木器涂层的光泽度下降缓慢。根据GB /T3324—2008《木家具通用技术标准》，亚光的光泽度值在35% 以下。从图2 可以看出，当SiO2质量分数大于1. 32% 时，UV 固化木器涂层呈现出亚光的光泽度。
SiO2含量对光泽度影响的结果见图2，从图2 可以看出，UV 固化木器涂层的光泽度随着SiO2质量分数的增加而降低。当SiO2质量分数从0 提高到1. 96% 时，UV 固化木器涂层的光泽度从45. 3% 显著下降到33. 1% ; 当SiO2质量分数从1. 96% 增加至3. 23% 时，UV 固化木器涂层的光泽度又从33. 1% 继续缓慢下降至31. 6%。这是由于SiO2在UV 固化木器涂料中为不溶物，随着SiO2含量的不断增加，在涂料成膜过程中SiO2在表层的体积浓度增大，涂层表面形成了微细粗糙度。当入射光到达表面时发生散射，产生消光，从而降低了UV 固化木器涂层的光泽度。当SiO2含量上升到一定值时，在高含量下聚集，甚至可以在涂层表面看到团聚现象，从而难以在涂料中进行分散，使UV 固化木器涂层的光泽度下降缓慢。根据GB /T3324—2008《木家具通用技术标准》，亚光的光泽度值在35% 以下。从图2 可以看出，当SiO2质量分数大于1. 32% 时，UV 固化木器涂层呈现出亚光的光泽度。
3 结论
( 1) UV 固化木器涂层的力学性能在很大程度上取决于SiO2的含量。在干燥时间2 min，UV 灯为3 盏时，SiO2质量分数从0 增加到0. 33%，UV 固化木器涂层的硬度从118 N/mm2增加到120 N/mm2，附着力变化不大，均是3 级，冲击强度为10 kg·cm。继续增加SiO2质量分数至1． 32%，涂层硬度保持120 N/mm2，附着力较佳，达到1 级，冲击强度增加到40 kg·cm。当SiO2质量分数超过1. 32%，其硬度、附着力和抗冲击性能又有所下降。
( 2) 光泽度测试表明，当SiO2质量分数从0 增加至3． 23%，UV 固化木器涂层的光泽度从45． 3%下降至31． 6%。当SiO2质量分数高于1． 32% 时，光泽度低于35%，呈现亚光的光泽度。当SiO2质量分数在1． 32%左右时，UV 固化木器涂层具有较好的力学性能和亚光光泽度。
