Home
助剂
高性能复配型光稳定剂 应用于木器水性涂装与木质素耐候保护的最新研究

高性能复配型光稳定剂 应用于木器水性涂装与木质素耐候保护的最新研究

时 间: 2019-04-11

访 问:982 次

摘 要:作者:杨永吉,赖尹婷,吕忠韩,谢杰修,李政权,黄耀兴,台湾永光化学工业股份有…

作者:杨永吉,赖尹婷,吕忠韩,谢杰修,李政权,黄耀兴,台湾永光化学工业股份有限公司

 

为了防止木器老化,目前工业界常用作法是在木器表面涂布一层添加紫外线吸收剂(UVA)和受阻胺光稳定剂(HALS)的水性清漆。然而单层清漆的保护效果有限,紫外线仍可穿透清漆造成木器内木质素(Lignin)黄变。实验结果指出,在涂佈清漆之前先对木器进行木质素预处理,可显著加强保护效果、延缓黄变发生。

 

本实验主要使用实验设计(DOE)手法,探讨以不同助溶剂溶解之Eversorb® SB结合添加Eversorb® AQ之清漆,对于不同木种的保护效果。Eversorb AQ是台湾永光化学针对水性透明清漆所研发的複方型光稳定剂,而Eversorb SB则是特别针对木器预处理所开发,主要功能为保护木质素、防止劣化发生。

 

根据加速耐候测试结果显示,实验中所选用的五种不同木种,经过预处理后皆表现出更好的耐候性。并且因木质素分子含有许多极性官能基(特别是羟基),实验结果亦显示当Eversorb SB溶于异丙醇 (溶解度参数较高约11.5)中,其抗黄变效果也优于二乙二醇丁醚 (溶解度参数较低约 9.9)。另外在木质素含量较高(25%-35%)的软木木种(南方松和花旗松),木质素预处理带来的保护效果也优于木质素含量较低(18%-25%)的硬木木种(香杉、南洋榉木和非洲柚木)。

 

 

0 引言

木制品因其独特的天然纹路受到广泛消费者青睐,为避免木制品受紫外线破坏,常会额外涂上一保护涂层。传统溶剂型木器漆所含之甲苯、二甲苯约在40%以上,而水性木器漆的挥发气体(VOCs)含量显著较低仅约 150g/L 左右。随著环保意识的高涨,水性透明清漆因兼具低VOCs及不会遮盖天然纹路等两大优势而备受重视1

 

木器涂料可保护木器材质,延长使用寿命,但紫外线的高穿透性仍会穿透涂层到达木器表面,造成涂膜变色甚至木器本身变色,影响美观。对于水性清漆涂膜本身变色的状况,目前已有水性光稳定剂广泛应用于水性涂料体系26,以保护涂料预防光劣化现象产生。

 

而木材变色则是因为木材所含的木质素参与了光氧化反应所导致。木材主要由纤维素、半纤维素及木质素所组成,其中造成变色主因的木质素是由于结构中含有不安定之双键、羰基发色团(Chromophores) 78,受到阳光照射下易产生自由基发生反应而劣化、变色,甚至影响木料组织及机械强度89

 

木质素的光劣化途径如图1 1011所示

 

 

图 1 木质素光劣化途径

 

在防止木质素劣化方面2,先前研究指出,提高水性光稳定剂Eversorb AQ在透明清漆中的有效浓度,可以增强保护效果。此外,若在施作清漆前,先以木质素光稳定剂Eversorb SB进行预处理,则可再提升保护效果达50%。虽然增加清漆的膜厚也可提升些许保护,但实验结果显示,相对于增加 Eversorb AQ 使用浓度、或是施作木质素预处理,增加清漆膜厚并非最佳选择。

 

木质素是一种含有许多极性官能基(特别是羟基)的高分子聚合物。因此本研究将利用实验设计(DOE)手法探讨:

 

(1) 使用不同极性溶解度的助溶剂,是否会影响Eversorb SB对木质素的渗透力,进而影响Eversorb SB的保护性?

(2) 软木的木质素含量(25%-35%)较硬木(18%-25%)多[12],Eversorb SB的预处理是否会对软木带来较为显著的保护?

 

1 实验

1.1 实验原料

 

水性丙烯酸透明树脂(VONCOAT SAT-177 ),工业级,台湾立大股份有限公司。

二乙二醇丁醚 (butyl carbitol)、异丙醇(IPA),工业级,景明股份有限公司。

选用木种 (如图 2所示;台湾益材股份有限公司):南方松(Southern Pine), 花旗松(Douglas Fir), 香杉(Luanta Fir), 南洋榉木(Selegan Batu), 非洲柚木(Afrormosia)。

水性光稳定剂(EVERSORB®AQ, EV-AQ), 木器表面处理剂(EVERSORB®SB, EV-SB),工业级,台湾永光化学工业股份有限公司。

 

表 1 实验选用助溶剂溶解度参数

 

溶剂 乙二醇单丁醚 异丙醇
溶解度参数
((cal/cm31,2
9.9 11.5

 

图 2 不同木种之木器试片

 

 

 

表 2 实验选用光稳定剂

 

光稳定剂产品 应用分类
Eversorb® AQ, (EV-AQ) 水性光稳定剂
Eversorb® SB (EV-SB) 木器预处理剂

 

 

1.2 实验设备

耐黄变试验机:厂牌Q Panel/型号:QUV/Basic

色差仪:厂牌MINOLTA/型号:CM-3500d。

 

1.3 实验方法

1.1.1 水性木器预处理剂的配置:

秤取重量10g木器预处理剂EV-SB,再分别与90g二乙二醇丁醚(butyl carbitol)以及异丙醇(isopropyl alcohol)混合搅拌5 min。

 

 

水性光稳定剂于水性清漆的配置:

 

2 秤取水性光稳定剂EV-AQ,再混合水性丙烯酸透明树脂SAT-177搅拌5 min。结果与讨论

2.1 EV-SB溶于不同溶解度参数助溶剂对预处理效果之影响

本实验是利用实验设计DOE, (Design of Experiment) 来设计测试参数并分析其结果,找出保护不同木种减缓变色的最佳组合解。探讨经溶于不同溶解度参数的EV-SB预处理后之五种不同木种,再以含EV-AQ之水性清漆喷涂后之耐候效果,经过50小时及300小时加速耐候测试之结果如表 3所示:

 

表 3 不同木种与助溶剂表面处理筛选实验结果 

X2-1: 只喷涂水性清漆

X2-2: 乙二醇单丁醚添加Eversorb SB预处理后,再喷涂含Eversorb AQ之水性清漆

X2-3: 异丙醇添加Eversorb SB预处理后,再喷涂含Eversorb AQ之水性清漆

 

X1:

5种木种

X2:

3种处理方式

ΔE

50h

ΔE

300h

香杉(针) X2-1 13.4 15.1
香杉(针) X2-2 5.0 11.5
香杉(针) X2-3 3.7 8.1
花旗松(针) X2-1 18.9 23.9
花旗松(针) X2-2 8.0 14.5
花旗松(针) X2-3 5.5 11.3
南洋榉木(阔) X2-1 8.9 8.5
南洋榉木(阔) X2-2 2.4 4.1
南洋榉木(阔) X2-3 1.7 2.5
非洲柚木(阔) X2-1 25.2 27.2
非洲柚木(阔) X2-2 15.3 25.1
非洲柚木(阔) X2-3 14.3 23.3
南方松(针) X2-1 26.6 31.8
南方松(针) X2-2 4.4 10.0
南方松(针) X2-3 3.2 6.4
香杉(针) X2-1 13.8 15.4
香杉(针) X2-2 5.4 11.4
香杉(针) X2-3 3.8 8.4
花旗松(针) X2-1 19.4 23.6
花旗松(针) X2-2 7.7 14.2
花旗松(针) X2-3 5.1 11.0
南洋榉木(阔) X2-1 9.2 8.8
南洋榉木(阔) X2-2 2.3 4.3
南洋榉木(阔) X2-3 1.6 2.4
非洲柚木(阔) X2-1 24.9 26.8
非洲柚木(阔) X2-2 15.1 25.2
非洲柚木(阔) X2-3 13.8 23.0
南方松(针) X2-1 26.3 31.9
南方松(针) X2-2 4.7 10.5
南方松(针) X2-3 3.1 6.7

 

 

 

表 4 耐候50小时参数估计(R2=0.99,调整后的R2=0.99,均方根误差=0.22)

 

类目 估值 标准误差 统计系数与标准误差比率 概率>|t|
截距 10.423333 0.040961 254.47 估值 标准误差 统计系数与标准误差比率 概率>|t|
X1:(针)(软)花旗松 0.3433333 0.81921 4.19 0.0008
X1:(针)(软)南方松 0.96 0.81921 11.72 <.0001
X1:(针)(硬)香杉 -2.906667 0.81921 -35.48 <.0001
X1:(阔)(硬)非洲柚木 7.6766667 0.81921 93.71 <.0001
X2:乙二醇单丁醚 -3.393333 0.057927 -58.58 <.0001
X2:清漆 8.2366667 0.057927 142.19 <.0001
X1:(针)(软)花旗松* X2:乙二醇单丁醚 0.4766667 0.115854 4.11 0.0009
X1:(针)(软)花旗松* X2:清漆 0.1466667 0.115854 1.27 0.2248
X1:(针)(软)南方松* X2:乙二醇单丁醚 -3.44 0.115854 -29.69 <.0001
X1:(针)(软)南方松* X2:清漆 6.83 0.115854 58.95 <.0001
X1:(针)(硬)香杉* X2:乙二醇单丁醚 1.0766667 0.115854 9.29 <.0001
X1:(针)(硬)香杉* X2:清漆 -2.153333 0.115854 -18.59 <.0001
X1:(阔)(硬)非洲柚木* X2:乙二醇单丁醚 0.4933333 0.115854 4.26 0.0007
X1:(阔)(硬)非洲柚木* X2:清漆 -1.286667 0.115854 -11.11 <.0001

 

 

 

表 5 耐候300小时参数估计(R2=0.99 ,调整后的R2=0.99 ,均方根误差=0.20)

 

类目 估值 标准误差 统计系数与标准误差比率 概率>|t|
截距 14.896667 0.036667 406.27 <.0001
X1:(针)(软)花旗松 1.52 0.073333 20.73 <.0001
X1:(针)(软)南方松 1.32 0.073333 18.00 <.0001
X1:(针)(硬)香杉 -3.246667 0.073333 -44.27 <.0001
X1:(阔)(硬)非洲柚木 10.203333 0.073333 139.14 <.0001
X2:乙二醇单丁醚 -1.816667 0.051854 -35.03 <.0001
X2:清漆 6.4033333 0.051854 123.49 <.0001
X1:(针)(软)花旗松* X2:乙二醇单丁醚 -0.25 0.103709 -2.41 0.0292
X1:(针)(软)花旗松* X2:清漆 0.93 0.103709 8.97 <.0001
X1:(针)(软)南方松* X2:乙二醇单丁醚 -4.15 0.103709 -40.02 <.0001
X1:(针)(软)南方松* X2:清漆 9.23 0.103709 89.00 <.0001
X1:(针)(硬)香杉* X2:乙二醇单丁醚 1.6166667 0.103709 15.59 <.0001
X1:(针)(硬)香杉* X2:清漆 -2.803333 0.103709 -27.03 <.0001
X1:(阔)(硬)非洲柚木* X2:乙二醇单丁醚 1.8666667 0.103709 18.00 <.0001
X1:(阔)(硬)非洲柚木* X2:清漆 -4.503333 0.103709 -43.42 <.0001

 

 

注:R2:判定系数,表示该模型(model)的解释能力,R2愈大,表示该模型的解释能力强。

调整后的R2:调整后的判定系数,亦是用来表示该模型(model)的解释能力,比 R2 更为客观。

通常「R2」与「调整后的R2」差别不大, 但当二者差异很大时,建议参考「调整后的R2」比较好

t 值:参数估计时,对应「t分配」的所在位置,可用来判断参数是否显著

p 值(亦做 prob):上述统计量对应的机率值,用来跟「显著水准」比较用,可用来判断参数(或模型)是否显著

p 值<0.05代表有显著差异

 

 

1.2 主效应图分析探讨

 

根据表3实验结果而进一步模拟预测X1:木器材质在(1)不经预处理及(2)经溶于不同溶解度参数之EV-SB预处理后,再喷涂含有EV-AQ水性清漆之耐候性,耐候测试结果如图3至图5所示,横座标分别为不同类型木器和不同预处理方式,纵轴表示两个不同耐候时间50hrs和300hrs色差(ΔE)变化值,值越小,代表减缓色差变化效果佳;值愈大,代表减缓色差变化效果差。结果显示,色差变化由大至小分别为:未经EV-SB预处理>经溶于乙二醇单丁醚之EV-SB预处理>经溶于异丙醇之EV-SB预处理,可以得知:以EV-SB预处理可提高耐候性,且溶于异丙醇的EV-SB 比溶于乙二醇单丁醚有更好的保护效果。

 

1.3 以南方松为例子探讨不同处理方式耐候效果

以下以南方松耐候结果进行探讨:未经预处理直接喷涂水性清漆之试片,经耐候测试50小时色差值(ΔE)为26.45,在300小时达到31.85(如图3);而经溶于乙二醇单丁醚之EV-SB预处理试片之耐候测试50小时ΔE=4.55,在300小时达到ΔE=10.25(如图4),而以异丙醇为助溶剂之EV-SB预处理试片有好耐候效果,50小时耐候测试后ΔE仅3.15,在300小时ΔE也仅6.55(如图5)。除南方松外,其他木种也呈现相同趋势。

 

 

图 3 不同种类木器(南方松)和不同预处理方式(清漆)经50hrs和300hrs耐候比较(主效应图)

 

 

图 4 不同种类木器(南方松)和不同预处理方式(乙二醇单丁醚)经50hrs和300hrs耐候比较(主效应图)

 

 

图 5 不同种类木器(南方松)和不同预处理方式(异丙醇)经50hrs和300hrs耐候比较(主效应图)

 

1.2 经ASTM G154-1 340nm加速耐候测试300hrs后实际试片照片

 

图 6 花旗松300hrs耐候测试照片

 

 

 

图 7 非洲柚木300hrs耐候测试照片

 

 

 

图 8 南洋榉木300hrs耐候测试照片

 

 

 

图 9 南方松300hrs耐候测试照片

 

 

 

图 10 香杉300hrs耐候测试照片

 

 

2 结论

(1) 在所有木种中,有经EV-SB预处理之试片耐候能力皆优于未经预处理试片;此外,相较于EV-SB溶于较低溶解度参数(9.9)之乙二醇丁醚,EV-SB溶于高溶解度参数(11.5)之异丙醇中有更好的保护效果。

(2) 木质素含量不同也会影响预处理效果,软木木质素含量较高,达25%-35%,硬木约只含18%-25%木 质素;实验结果显示EV-SB对高木质素含量之软木之保护效果显著优于硬木。

(3) 针叶林及阔叶林木材预处理后耐候效果并无明显差异。

(4) 南方松与花旗松两木种,相较其他树种,预处理后之耐候效果提升更为显著。

 

 

参考文献

1 王兆安、曹绪梅、田育廉。国产水性木器漆的性能提高及市场推广[A].全国涂料工业信息中心,第5届环保型水性树脂涂料技术研讨会暨水性聚氨酯专业委员会成立大会[C],广州,2007 212-213

 

2杨永吉、黄世承、简智娴、黄耀兴.高性能水性复配型光稳定剂应用于南方松表面处理[J].涂料工业,2011,41(9): 5-9

 

3杨永吉、黄世承、宋宇书、邱晓芳、黄耀兴.新型光稳定剂应用于水性环氧涂料的研究[J].涂料工业, 2012,42(8): 43-46

 

4 YUNG-CHI YANG,LAI MING-HUA,SUNG YU-SHU,LAI YIN-TING,CHIOU SHIAN-FANG,CHEIN CHIN-HSIEN, YAO-HSING HUANG. Novel light stabilizers for waterborne alkyd coatings [J].Polymers Paint Colour Journal, 2014, 204(4569): 20-24

 

5 YANG YUNG-CHI,SUNG YU-SHU,CHEIN CHIN-HSIEN,HUANG YAO-HSING.Light stabilizers for environmental friendly coatings [J]. Polymers Paint Colour Journal,2012,202(4571): 16-18

 

6 YANG YUNG-CHI, STEVEN LEE, HUANG YAO-HSING.Light stabilizers make the UV protection of environmental friendly coatings easier [J]. Coatings World, 2012, 17(4): 83-85

 

7张上镇.木质素在木材光劣化反应中的角色[J]. 林产工业, Forest Products Industries,1985 4(2):17-23.

 

8 CHANG,S.T.,D.N.S.HON and W.C.Feist.Photodegradation and photoprotection of wood surface[J]. Wood and Fiber Science, 1982, 14(2): 104-117.

 

9 EVANS, P.D.,A.F.A.WALLIS and N.L.OWEN.Weathering of chemically modified wood surfaces [J].Wood Science and Technology, 2000, 34(2): 151-165.

 

10 Heitner,C.Light-induced yellowing of wood containing papers.In “Photochemistry of Lignocellulosic Materials”(C.Heitner and J.C.Scaiano Ed.)[A].American Chemical Society. Washington D.C. 1993, pp.2-22.

 

11 SCHMIDT,J.A.; HEITNER, C. “Light-Induced Yellowing of Mechanical and Ultra-High Yield Pulps. Part3. Comparison of Softwood TMP,Softwood CTMP,and Aspen CTMP.”[J] Journal of WoodChemistry and Technology,1995,15(2):223-245.

 

12 Himmel,M.E.,J.O.Baker,and R.P.Overend(1994). “Enzymatic Conversion of Biomass for Fuels Production”,ed. By M.J.Comstock, American Chemical Society, Washington, DC

上一篇:
下一篇:

Related News

View More
我们的服务信息

中国公司互联网品牌战略合作服务商

中国公司互联网品牌战略合作服务商

More Videos CLEAR MARKET CLEAR MARKET