朱晓冬，保碧娇，李阳，王巍聪，刘玉

(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，哈尔滨150040)

温敏变色涂料是一类涂敷物，当受热到一定程度时颜色会发生变化，早在20世纪30年代，德国颜料工业公司最先发现了以碘汞的络合物为感温颜料的示温涂料，在此之后，许多研究学者开始对该材料加以研发，并先后申请了专利[1-2]。温敏变色涂料因变色温度高低而分为低温温敏变色涂料和高温温敏变色涂料。按其变色的可逆性，变色涂料又可分为可逆温敏变色涂料和不可逆温敏变色涂料[3]。可逆温敏变色涂料因其温度高低而改变产品表面颜色的特性，发展前景巨大，可适用于建筑物、家具、指示工具、引导牌等[4-7]。

刘志佳等[8]和Zhu等[9]以毛白杨为研究对象，利用超声波法将木材温敏变色剂浸渍到木材基体上，分析了光老化性能和变色机理，发现温敏变色剂的分子结构在变色前后未发生重组变化，变色机理为电子得失机理。蒋汇川等[10-11]和Hu等[12]对变色复配物进行微胶囊化处理，通过涂层的方式实现了薄木的可逆变色，发现变色微胶囊乳液通过涂层的方式可以实现薄木的可逆变色功能，具有良好的热变色性能。傅峰等[13]研究了紫外线吸收剂对温敏变色木材耐光性能的影响，结果表明，紫外线吸收剂可改善变色木材的耐光性能。高力娇等[14]研究了紫外光吸收剂的添加对温敏变色木材热稳定性能和耐候性能的影响，结果表明，紫外光吸收剂的添加对温敏变色木材的耐老化性能有一定的改善。目前，关于温敏变色涂料的变色机理和木质家具用材的改良研究较多，但将温敏变色涂料结合到木质家具表面装饰上的应用研究却相对较少[15-21]。

本研究将温敏变色粉与家具用水性清漆和油性清漆进行混配，并将其应用到木质家具表面涂饰中，分析不同比例温敏变色粉的加入对涂饰家具表面色差、漆膜附着力和漆膜光泽度的影响，通过探讨合理的添加比例和温敏变色粉类型，进一步拓展温敏变色材料的应用范围，得到与传统涂饰方法不同的木质家具表面装饰效果。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

本试验中木质家具用材为水曲柳，产自黑龙江省铁力市，在实验室条件下存放3个月，含水率在8%左右。温敏变色粉购买自常熟市染料化工厂，为31 ℃响应的微囊型温敏红和温敏蓝。微囊壁材为脲醛树脂，芯材为温敏变色复配物。表面涂饰用水性清漆为聚氨酯水性清漆，购买自河北晨阳工贸集团有限公司，油性清漆为双组分聚氨酯油性清漆，购买自紫荆花涂料有限公司。主要实验仪器如表1所示。

表1 主要试验仪器Table 1 Main test instruments

1.2 试验方法

1.2.1 家具表面的清漆涂饰

本试验中将温敏红和温敏蓝变色粉按质量分数为3%，5%，10%和15%的比例分别与水性清漆和油性清漆进行混合，混合后温变粉与水清清漆的颜基比为0.09∶1，0.15∶1，0.31∶1和0.5∶1，温变粉与油性清漆的颜基比为0.08∶1，0.13∶1，0.28∶1和0.44∶1。搅拌均匀后，用毛刷蘸取适量清漆，以100 g/m2的涂饰量均匀地涂刷在板材表面，常温环境下放置24 h固化干燥，用240目(61 μm)砂纸打磨涂膜，进行第2次和第3次涂饰。

1.2.2 涂饰木材表面色度学参数的测定

试验采用通用色差仪对涂饰木材表面的材色参数进行测定，以表征不同温度条件下涂饰木材表面颜色的变化。试验以未涂饰的木材为基样，将涂饰温敏变色涂料的木材放置在室温、35和55 ℃环境下进行恒温变色处理，然后待温度稳定后测量并按公式(1)计算其ΔE值。

ΔE2=Δa2+Δb2+ΔL2

(1)

式中：ΔE为总色差；ΔL为明度指数差；Δa为红绿轴色品指数差；Δb为黄蓝轴色品指数差。

1.2.3 漆膜附着力测试

本试验参照GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》规定的方法要求进行漆膜附着力的测试，来观察温敏变色粉的加入对漆膜在木质材料表面附着力的影响。试验以直角网格图形切割涂层并穿透至基材，将氧化锌橡皮膏按压在试验区域上，顺对角线方向猛揭一次，观察试验区域漆膜损伤情况，评定涂层从基材上脱离抗性的等级。

1.2.4 漆膜光泽度的测试

家具表面漆膜理化性能的测试按照GB/T 4893.6—2013《家具表面漆膜光泽测定法》规定的要求和测试方法。将光泽度仪经过校准后放置在待测漆膜样板上，在每一个样板上取3个测试区域，将测头内光线的入射和反射方向顺着木纹，在表上读出光泽值，结果取3个数值的平均值。

1.2.5 扫描电子显微镜(SEM)分析

本研究通过使用扫描电镜来观察涂饰木材表面漆膜的微观形貌，考察温敏变色粉在不同类型的清漆漆膜中的分布情况，及对漆膜表面粗糙度的影响，为温敏变色涂料改性的清漆涂饰工艺提供指导。

2 结果与分析

2.1 温敏变色粉的表征分析

为进一步了解微囊型温敏蓝和温敏红变色粉的表面形貌，对温敏变色粉样本进行了扫描电镜分析。图1A和图1B分别为温敏蓝和温敏红变色粉在1 000倍视野下的扫描电镜测试结果。由图可以看出，两种类型的变色粉微囊外观形态良好，表面较为光滑，多为球形结构，而且微囊表面无明显裂痕，微囊分散性较好，无粘连现象。对温敏变色粉微胶囊粒径大小及分布情况进行测量，结果如图1C和图1D所示。可以看出，温敏蓝微胶囊的粒径范围为1.44～7.95 μm，平均粒径为3.94 μm，温敏红微胶囊的粒径分布在0.97～8.71 μm，平均粒径为3.27 μm。

图1 温敏变色微胶囊的SEM图像(A、B)和粒度分布情况(C、D)Fig. 1 SEM photographs and size distribution of thermochromic microcapsules

A. 温敏蓝变色粉; B. 温敏红变色粉。图2 温敏变色粉材料的FT-IR分析Fig. 2 FT-IR analysis of thermochromic materials

2.2 温敏变色粉对涂饰家具表面色差的影响

本试验中对添加温变粉的清漆涂饰木材表面进行色度学参数测定，以未涂饰木材为标准样，计算涂饰木材的表面色差。室温条件下未涂饰木材表面的L、a、b值分别为34.59，10.69和16.28，当其表面涂饰了油性清漆后，其表面L、a、b值略有所下降，分别为30.73，10.63和15.28，与未涂饰素材相比，其色差ΔE仅为3.99，如图3所示。随着温度的升高，油性清漆涂饰木材与未涂饰材之间的色差增加，在温度为35和55 ℃时，色差值ΔE为17.49和11.59，漆膜表面明度增加，色相向偏红偏黄的趋势变化。

图3 油性漆涂饰木材表面的色差变化Fig. 3 The changes of color difference of wood surface painted with oil paint

在油性清漆中加入不同比例的温敏变色粉，再进行木材表面涂饰，可以发现，室温条件下温敏变色粉的加入使涂饰木材表面的色差增加，随着温度的升高，添加了不同比例温敏变色粉的涂饰材其ΔE变化略有不同。当温度为35 ℃，温敏红变色粉添加量为3%～10%时，涂饰材表面ΔE均低于室温下涂饰材表面色差，但当温敏红变色粉的添加量增加至15%时，涂饰木材表面色差较室温明显增高，其色差值达到27.54。而35 ℃条件下添加了温敏蓝变色粉的油性漆涂饰木材，其表面色差仅在添加量为3%时较室温色差低，其他添加量的温敏变色油性漆涂饰木材表面色差仍较高，ΔE在20.44～40.00变化。

A. 未涂饰材；B. 油性清漆涂饰木材；C. 室温下3%温敏红油漆涂饰木材；D. 35 ℃下3%温敏红油漆涂饰木材；E. 55 ℃下3%温敏红油漆涂饰木材；F. 室温下15%温敏红油漆涂饰木材；G. 35 ℃下15%温敏红油漆涂饰木材；H. 55 ℃下15%温敏红油漆涂饰木材。图4 油性漆涂饰木材表面Fig. 4 The wood surfaces painted with oil paint

当温度上升至55 ℃时，4种添加比例的温变粉油性漆涂饰木材表面色差值均较35 ℃时温变粉油性漆涂饰木材有所降低，如图4所示。当温变粉的添加量较低，并且环境温度高于温变粉变色温度时，涂膜表面色差即可恢复至与未添加温变粉的油性漆涂饰木材相近，但当温变粉添加量过高，即使环境温度达到了温敏变色粉的相应温度，漆膜表面的颜色也无法恢复至无色的状态。因此，添加3%～10%比例的温敏红变色粉或3%比例的温敏蓝变色粉在油性清漆中，涂饰后的木材漆膜表面能够较好地进行变色和复色。

在水性清漆中添加不同类型和比例的温敏变色粉后涂饰木材的表面色差变化如图5所示。与油性清漆涂饰木材相比，水性清漆涂饰木材表面的色差较大，涂饰后漆膜色差为10.79。室温下加入温敏红变色粉后，漆膜表面色差增加，在24.37～25.55之间变化，虽然温变粉的比例不断增加，但漆膜表面色差增加基本一致。升高温度至35 ℃后，漆膜表面的色差略有下降，但仍较未添加温变粉的漆膜色差值要大，漆膜表面的红色无法消色，只有当温度升高至55 ℃时，添加了3%～10%比例温敏红的水性清漆涂饰漆膜表面色差才有所降低，漆膜表面才能完全消色。而4种添加比例的温敏蓝水性清漆涂饰木材表面，在室温、35、55 ℃的条件下，均没有办法消色至与未添加温变粉的水性清漆涂饰木材相近状态，如图6所示。

图5 水性漆涂饰木材表面的色差变化Fig. 5 The changes of color difference of wood surface painted with water-based paint

A. 未涂饰材；B. 水性漆涂饰木材；C. 室温下3%温敏红水性漆涂饰木材；D. 35 ℃下3%温敏红水性漆涂饰木材；E. 55 ℃下3%温敏红水性漆涂饰木材；F. 室温下15%温敏红水性漆涂饰木材；G. 35 ℃下15%温敏红水性漆涂饰木材；H. 55 ℃下15%温敏红水性漆涂饰木材。图6 水性漆涂饰木材表面Fig. 6 The surfaces of wood painted with water-based paint

2.2 漆膜表面微观形貌分析

不同类型清漆涂饰木材表面的扫描电镜观察图如图7所示。从图7可以看出，未添加温敏变色粉的清漆漆膜表面较为平整，没有明显的颗粒状杂质。而在清漆中添加温敏变色粉(蓝色和红色)后，漆膜表面变得粗糙，这种变化在水性漆漆膜中表现最为明显，可见温敏变色粉与水性漆不能很好地相容在一起，随着温敏变色粉添加比例的上升，漆膜表面出现了颗粒的团聚。而在油性清漆中添加温敏变色粉时，涂饰漆膜表面的粗糙感并没有水性漆漆膜明显，即使温敏变色粉添加比例增加至15%时，也未出现明显的团聚和粘连，这与温敏变色粉表面亲油基团的存在，使其能够在油性清漆中很好地分散相容有一定的关系。

A. 油性清漆；B. 3%温敏蓝油性漆漆膜；C. 15%温敏红油性漆漆膜；D. 水性清漆；E. 3%温敏蓝水性漆漆膜；F. 15%温敏红水性漆漆膜。图7 扫描电镜下不同漆膜表面的微观结构图Fig. 7 Microstructure of different film surfaces under SEM

2.3 漆膜附着力

温敏变色粉与清漆混合后涂饰材的漆膜附着力等级如表2所示。从表2可以看出，油性清漆与温敏变色粉混合并未造成对漆膜附着力不利的影响，水性清漆与红色温敏变色粉的混合也未造成对漆膜附着力的不利影响。水性清漆与红色温敏变色粉混合的漆膜附着力表现很好，割痕光滑，无漆膜剥落。但水性清漆与蓝色温敏变色粉的混合造成了漆膜连续的剥落，剥落类型呈内聚型。

表2 漆膜附着力等级Table 2 The grades of film adhesion

2.4 漆膜光泽度

漆膜光泽度测试结果如图8所示，涂饰水性清漆的木材表面光泽度为22.5，油性漆涂饰木材表面的漆膜光泽度为69.4。在两种类型的涂料中加入3%温敏变色粉后，漆膜表面光泽度无明显规律性的变化。在油性清漆中加入红色和蓝色的温敏变色粉后，漆膜表面光泽度略有上升，分别为73.3和72.4；在水性清漆中加入温敏红和温敏蓝变色粉后，漆膜光泽度的变化略有不同，添加了温敏红的水性漆漆膜光泽度略有下降，而添加了温敏蓝的水性漆漆膜光泽度略有上升。通过对不同涂料涂饰漆膜光泽度测试结果进行方差分析可以看出，3%温敏变色粉的加入对漆膜光泽度的影响并不显著，温敏变色粉的加入对漆膜并没有明显的消光现象，如表3所示。

图8 漆膜光泽度Fig. 8 Glossiness of painted film

表3 温变粉对油性和水性漆涂饰木材表面光泽度影响方差分析结果Table 3 Variance analysis of the effect of thermochromic powder on the glossiness of wood surface painted with oil and water paint

2.5 温敏变色清漆涂饰木材的变色耐久性

家具表面漆膜的耐久性对产品的使用效果有着至关重要的作用。为考察添加有温敏变色粉的油性清漆涂膜的温变响应效果，本试验对添加了3%温敏红变色粉的油性清漆涂饰木材进行50次消色-复色试验，即升温至55 ℃并保温10 min，后降温至室温并保持10 min，反复50次试验，测试并记录漆膜表面升温和降温后的表面色差值，试验结果如图9所示。由图9可知，经过50次消色-复色后，漆膜表面色差值略有增加，但波动较为平缓，可见温敏变色材料在漆膜中能够较好地对温度进行响应，并且漆膜表面具有良好的变色耐久性。

图9 温敏变色涂料漆膜变色耐久性Fig. 9 Color change durability of temperature sensitive color change paint film

3 结 论

1)温敏变色粉的加入使得清漆涂饰木材表面的色差值显著增加。当温敏红的添加量为3%～10%、温敏蓝的添加量在3%以下时，油性清漆涂饰木材表面的材色能够随着温度的变化产生明显的消色和复色现象。

2)扫描电镜下可以观察到温敏蓝和温敏红两种类型的变色粉微囊外观形态良好，表面较为光滑，多为球形结构，而且微囊表面无明显裂痕，微囊分散性较好，无粘连现象。温敏蓝微胶囊的粒径范围为1.44～7.95 μm，平均粒径为3.94 μm，温敏红微胶囊的粒径分布在0.97～8.71 μm，平均粒径为3.27 μm。

3)在水性清漆中添加温敏变色粉后，漆膜表面变得粗糙，随着温敏变色粉添加比例的上升，漆膜表面出现了颗粒的团聚；而在油性清漆中添加温敏变色粉时，涂饰漆膜表面的粗糙感并没有水性漆漆膜明显，即使温敏变色粉添加比例增加至15%时，也未出现明显的团聚和粘连，这与温敏变色粉表面亲油基团的存在，使其能够在油性清漆中很好地分散相容有一定的关系。

4)低比例的温敏变色粉加入对漆膜附着力并不产生显著的不利影响，且对漆膜的光泽度也无明显的消光现象，随着外界环境温度的变化，温敏变色涂料涂饰木材表面材色表现出良好的变色耐久性。