来源:上海家具研究所有限公司

作者:唐述华，许美琪

   前言    

　　在家具、木器( 门窗、地板、玩具、工艺品等) 和家居装饰等领域，每年要消耗大量涂料及其辅助材料，由此而产生大量挥发性有机化合物，严重污染了环境，并危及人类生存环境和身体健康。

　　近年来，我国水性涂料的发展引起了人们高度重视，在此期间我国政府推出了一系列政策、法规和标准，进一步推动了水性木器涂料的发展，并取得长足的进步。但是，受到了某些核心技术、配套产品和施工应用等因素的制约，水性木器涂料的发展不尽人意。

　　在我国水性木器涂料的发展过程中，研究人员集中致力于合成树脂的研发，而未兼顾相应配套材料及施工等方面的研究，其中作为辅助材料的木材着色材料成为水性木器涂料发展瓶颈之一。

1.目前主要的木材着色材料及工艺

　　目前，在家具生产和室内装饰中使用的木材着色剂主要有溶剂型的“擦色宝”又称“格瑞斯( Glaze) ”、“水老粉”和“树脂色浆”这3 种木材着色剂。

1. 1 “水老粉”着色剂及其施工

　　“水老粉”着色剂是一种传统的木材着色材料，即在容器内将水、老粉( 碳酸钙) 和氧化铁类颜料按一定比例混合均匀，然后用棉纤维将其均匀擦涂木材表面进行木材着色与填孔，也就是所谓基础着色。然后再将酸性染料用水溶解配成“水色”( 现称为色精) 进行修色，从而使木材表面色泽达到样板要求的色泽。

　　着色材料在施工现场现配现用，其优点是方便，没有任何有机物排放，缺点是这种着色剂分散不充分，没有流变性，干燥很快，可擦涂时间短，擦涂时很费力，且不易均匀着色，对施工人员的技能要求很高，在施工现场布满粉尘，对生产环境污染严重，施工完毕后剩余材料随即丢弃。因此“水老粉”着色材料不能成为水性木器涂料的辅助材料。

1. 2 “Glaze”与“树脂色浆”木材着色剂

　　“Glaze”与“树脂色浆”着色剂的成分对比见表1。

　　表1 “Glaze”与“树脂色浆”着色剂的成分对比

　　由表1 可知，除“树脂色浆”组成物中没有应用涂料助剂外，两者的组成基本相同。而“Glaze”配方组成更为科学合理，延时干燥时间等性能明显优于“树脂色浆”着色剂，同时“Glaze”的分散状态、流变特性和稳定性等也都优于“树脂色浆”木材着色剂，因而能成为一种真正的商品。

　　由表1 还可以看出，①这2 种着色剂均为溶剂型; ②两者的组成物均含有“邻苯类”的增塑剂，此类物质在环保标准中被视为有害物质，被禁止使用，特别是在玩具和儿童居所等领域是严禁使用的，因此这2 种着色剂都不是环保产品。两者的制造工艺都是先制成单色色浆，然后再按样板配成所需色泽、色浆，都要求操作人员具备一定的操作技能，使用不便，无法满足DIY 涂装需求。Glaze 着色剂与树脂色浆在相似的环境条件( 20 ℃、相对湿度60%) 下，可擦涂时间分别为5 —— 6min 和3 —— 4 min，均不能满足工业化生产需求，因此“Glaze”和“树脂色浆”这2 种木材着色剂也不是“水性木器涂料”理想的着色辅助材料。

　　综上所述，研制一种新的环保型水性木器涂料的辅助材料——“水性木材擦涂着色剂”很有必要。

2.水性木材擦涂着色剂的研制

2. 1 水性木材擦涂着色剂的要求

　　水性木材擦涂着色剂是水性木器涂料涂装工艺中的一种配套产品，是一种辅助材料。

　　首先，它应保障水性木器涂料涂装的终端产品符合一系列标准: GB/T 23999—2009《水性木器涂料》，GB/T 24613—2009《室内装饰装修材料: 水性木器涂料中有害物质限量》，GB/T 24613—2009《玩具用涂料中有害物质限量》; 为适应产品的出口，还应满足国外相应标准: 欧盟EN —— 71 第三部分，美国ASTM F963，美国消费者改善法案CPSIA。

　　其次，这种着色剂在保障得到高质量装饰效果的终端产品的同时，还要求能简化操作工序，使木材着色、木材填孔和底材封闭这3 种操作工序能一次完成，提高涂装效率和减轻劳动强度。

　　最后，要求它能适合多种产品的涂装，如木器、家具、地板、门窗、室内装饰、儿童家居和玩具等，不仅适合室内涂装，而且适合户外用品的涂装。

2. 2 水性木材着色剂的组成及其作用

　　2. 2. 1 水性树脂

　　水性树脂是水性着色剂中的主要成膜物质，将着色剂中的颜( 染) 料粒子和体质颜料粒子粘结起来，随着擦涂作用，着色剂能均匀涂布于底材表面或压入木孔内，使底材着色。

　　水性涂料如聚醋酸乙烯聚合物、乙烯—— 醋酸乙烯共聚物、EVA 乳液、水性醇酸乳液、水性环氧乳液、水性聚氨酯乳液、水性丙烯酸乳液以及其他各种改性水性聚合物等，均可作为水性着色剂的成膜物质。在配方中，不仅需要考虑木材表面的着色，更要考虑着色的效果，同时还要考虑底材的封闭与填孔问题。在水性木器涂料中，通常以丙烯酸乳液作为水性底漆和水性固封底漆使用，同时丙烯酸乳液可以制得粒径为60 ——100 nm 的微乳液。这种细小粒子将能携带颜( 填) 料深入木孔内，在木孔内成膜对底材深处进行封闭和着色，这样着色就有深度的层次，能体现出“鲜”与“活”的着色效果。水性木材着色剂配方见表2。

　　在配方中，以水性丙烯酸乳液用量占配方总量的5% ——6%比较适中。如少于5%，就会产生“水老粉工艺”的相同缺陷如擦涂困难、颜色不易涂擦均匀、易起粉、对涂擦技艺要求高等; 如多于6%，则可涂擦时间就会缩短，或需增加延时干燥高聚物的用量。综合考虑认为水性丙烯酸乳液用量在5% ——6%比较恰当。

　　2. 2. 2 延时干燥物质

　　延时干燥物质的作用是延缓着色剂的干燥速度，延长干燥时间，增加可擦涂时间，便于操作，满足大面积涂饰或工厂化涂装要求。延时干燥物质一般由慢干性树脂与沸点高的溶剂组成。如在溶剂型着色剂中，慢干性树脂可选择长油度醇酸树脂，高沸点溶剂可选择邻苯二甲酸二辛酯类，两者结合即可作为延时干燥物质。在水性木材着色剂中，可采用EVA 乳液与水性醇酸相拼合作为延时干燥物质，或采用长碳氢链的水溶性亚麻油树脂与高沸点醇醚助溶剂相结合作为延时干燥物质。

　　水性涂料从涂布至表面到指触干的时间，通常情况下为20 min。溶剂型木材着色的可擦涂时间为5 —— 6 min，而一般水性木材着色剂的可擦涂时间为6 —— 9 min，但均达不到理想的效果。

　　由水性乳液涂料的成膜机理可知，随着水分的挥发，乳液粒子相互靠近、接触、堆叠而产生毛细管压力，使粒子间产生挤压、相互渗透逐渐形成涂膜。在成膜过程中也渐渐对擦涂动作产生阻力，随着时间的增加这种阻力逐步变大，导致擦涂操作变得困难，以致达不到均匀着色效果，甚至使擦涂操作不能进行。从擦涂着色剂开始直到不能再继续擦涂( 此时已不能达到理想的着色效果) ，这段时间称之谓可擦涂时间。

　　水性着色剂的可擦涂时间仅与水性涂料中水分挥发速度有关，而与水性涂料的成膜物质类别或助溶剂的沸点无关或关系不大，因此，变更水性涂料品种或不同沸点的助溶剂对提高水性木材着色剂的可擦涂时间都没有帮助。

　　如果能减缓水性涂料中水分挥发速度，那么就可以达到提高水性着色剂的可擦涂时间。为此本研究在水性木材着色剂中加入了一种延时干燥聚合物作为延时干燥物质，它具有保水性，从而延缓了水分的挥发速度，延长着色剂可擦涂时间。本水性木材擦涂着色剂的可擦涂时间在10 min 以上，同时，还能使涂装中的擦涂操作变得省力、流畅，减轻工人的劳动强度。

　　在配方中加入了2% 左右的延时干燥聚合物，从延时干燥、液体流动状况以及擦涂操作的手感等方面，均有满意的效果。少于2%，则延时干燥的时间达不到10 min 以上的要求;如大于2. 5%，延缓干燥时间没有显著增加，反而出现耐水性欠佳，特别是在着色层上涂刷保护层水性底漆产生带色问题，造成底色不均匀等缺陷，因此在配方中延时干燥聚合物占总配方量2% —— 2. 5%是比较适当的。

　　2. 2. 3 水性木材着色剂的色粉

　　用于水性木材着色剂的色粉主要分为染料和颜料2 类。

　　( 1) 染料

　　( a) 酸性染料: 是国内最常用的一种着色剂染料，加水即可溶解。其特点是色泽艳丽，使用简单，价格便宜，但耐光性不好，易变色。它可与粉料一起分散制成木材着色剂，也可直接用水溶解制成“色精”用作木材着色的修色剂。

　　( b) 金属综合染料: 如德国BASF 的“Bassano”液体染料，它是高浓度、稳定、液体状的阴离子染料，特点是具有好的防渗色性。

　　( 2) 颜料

　　( a) 氧化铁系颜料: 如氧化铁红、氧化铁黄、哈巴粉类无机颜料，是国内应用最普遍的无机颜料，虽艳丽度不如染料好，但耐候性好，价格低廉。

　　( b) 透明氧化铁系列颜料: 将普通氧化铁颜料粒子研磨成纳米级就成为透明氧化铁，具有高透明度和强耐紫外线能力。

　　( c) 安巴色粉: 系产于意大利和土耳其的一种氧化铁系列颜料，具有高着色力和光稳定性。

　　( d) 极速分散颜料: 如德国巴斯夫最新推出的xfast 系列颜料，最大特点是很容易分散。

　　( e) 颜料制备物: 如科莱恩的Hostafin 及原汽巴的微高力—— T 系列，特点是高透明度和高艳丽度，但价格昂贵。

　　国外的颜料或染料由于价格高，除用户需要外，在“水性木材擦涂着色剂”中一般很少选用。

　　无论木材着色剂采用颜料或染料作为色粉，其颜色都是由黄、红、黑、橙、蓝和绿6 种( 以前3 种为主) 基色调配而成的。将它们按比例投入配方进行分散就可以得到所需木纹颜色的着色剂，是单组分产品，无须使用者另行复配，使用简便，宜于DIY 装饰。木纹色有: 红木、柚木、胡桃木、橡木、樱桃木、桃花心木、栗木、桦木等各种名贵木材色泽，也可根据客户样板调配成所需色泽。

　　2. 2. 4 水性木材着色剂中的体质颜料

　　水性着色剂除着色与封闭的功能外，还有一个重要的功能就是填堵木孔，使被涂饰表面平整，能得到光亮平整和有丰满度的膜层。填孔功能则主要取决于着色剂的固含量，固含量越高，填孔效果越好。在着色剂的配方中，固含量的提高主要取决于体质颜料的用量，其用量越多，则着色剂的固含量就越高，它们之间成正比关系。但随着填料用量增加，其体积总和也随之上升，PVC 上升，不仅涂层的光泽下降，而且容易产生分层和结块，贮存稳定性受到影响，在擦涂着色剂时操作也变得困难。试验表明，固含量为45% —— 55% 时，在填孔性与贮存稳定性两方面均有满意的效果。

　　作为填料常用的有滑石粉和碳酸钙等，滑石粉具有片状结构，能改善着色剂的流变性能和增加稳定性，因此在配方中将其作为主要体质颜料，为提高填孔性和降低成本，在配方中适当地加入碳酸钙。但随着碳酸钙加入量的增加，着色剂的流变性、稳定性和擦涂性也逐步降低。根据试验，碳酸钙用量与滑石粉用量为1∶ 4( 质量比) 时有满意的效果。

3.应用案例

　　以酸性染料制备柚木色水性木材着色剂( 以下简称W ——Glaze) 为例，说明柚木色水性木材着色剂的研制过程。

3. 1 试验主要设备

　　试验主要设备包括: 多功能高速分散砂磨机、NDJ —— 1 旋转式黏度计、PHS —— 25 酸度计，以及其他试验室常用设备。

3. 2 配方

　　柚木色水性木材擦涂着色剂的配方如表3 所示。

3. 3 制作工艺

　　先将去离子水加入搅拌缸中，开动搅拌，加入延时干燥聚合物，再加入各种液体助剂和水性丙烯酸木器涂料及六偏磷酸钠，搅拌混合均匀，转速升至600 —— 800 r /min，加入酸性黄、酸性红和炭黑色浆，混合均匀，并依据色板调准所需颜色，再加入粉料，转速升至1 000 r /min，进行高速分散，直至细度达到40 μm 以下，转速在500 r /min 时，加入增稠剂和去离子水，调节好着色剂的黏度和固含量，达到所需技术要求，经过滤后进行包装即得所需水性木材着色剂。柚木色水性木材着色剂技术指标: 外观为黏稠的膏状液体; pH: 6 —— 8; 固含量: 45% —— 55%; 黏度: 1 000 —— 2 500 mPa·s。最终的固含量和黏度可根据需要通过加入适量的去离子水进行微调整。

3. 4 水性木材擦涂着色剂施工工艺

　　3. 4. 1 工艺流程

　　水性木材着色涂装工艺基本与溶剂型着色涂装工艺相同，流程如下:

　　基材砂磨→底材封闭( 2 h /25 ℃) →砂磨→擦涂底色( 0. 5 h /25 ℃) →底漆→砂磨→面修色→砂磨→罩光清面漆。

　　其中擦涂底色即为采用水性木材擦涂着色剂进行底着色。在25 ℃下，约30 min 着色剂干后即可上底漆无需砂磨，以免破坏颜色的均匀性。

　　面修色: 由于在底色上进行多道底漆并进行砂磨可能造成底色不均，同时为了确保产品颜色与样板颜色一致，必须在底色的基础上采用色精进行面修色。

　　3. 4. 2 施工方法

　　用水性木材擦涂着色剂进行基材底着色是在涂过封闭底漆的板面上进行的，可以用毛刷或用织物纤维捏成圆团进行。最好是用布团沾上着色剂沿木纹方向先横后顺擦拭，接着用布团以顺时针或逆时针方向划圆的方式将着色剂挤压进木孔中并均匀涂布板面，再以干净布团擦除板面上多余的着色剂，并顺木纹擦涂均匀。在25 ℃下，约30 min，着色剂干燥后立即喷涂一层底漆，对底色进行保护，底着色即完成。

结语

　　经过一段时间的试验和研究，所制备的水性木器擦涂着色剂由小样到中样，直至在生产高级家具的上海地区某家具公司进行生产性应用，均取得令人满意的效果。与同类产品相比，本研究制备的产品具有以下特点:

( 1) 单组分，使用时无须另外调配，使用简单，操作方便;

( 2) 能深入木孔内进行深度着色，使天然木纹更加清晰、自然艳丽，产品更显“鲜”与“活”;

( 3) 可擦涂时间在10 min 以上，可擦涂时间长，宜于大面积和工厂化生产;

( 4) 经1 a 多贮存，不产生沉淀、结块，产品贮存稳定;

( 5) 售价为市场同类产品的1 /2 —— 1 /3，经济效益明显;

( 6) 产品无毒、无味，符合环保要求。