一种水性木材着色剂及着色方法与流程

本发明涉及木材着色技术领域，尤其涉及一种水性木材着色剂及着色方法。

背景技术：

木材颜色是决定消费者印象的重要因素，为了提高木制品的装饰作用和产品价值，要对木材及木质材料进行着色。为实现人工林木材的高效利用，也需要通过调色技术改良劣质材，仿制名贵木材，从而提高木材的使用价值，满足人们对木制品多样性的需求。对木材颜色进行调整，可使木材具有良好及可设计的表面性能，显著提高利用率。但是木材染色的助剂大多为重污染药品，在加工及应用过程中会对人体产生严重的危害，经过染色的木材的物理性能有时还会降低，染色后剩余的染色废液的处理也未能得到很好的解决。

现有木材着色技术存在着对木材渗透性不均匀、木材表面着色效果不佳等问题。由于水性乳液涂料在水分挥发的时候，乳液粒子之间相互靠近、接触、堆叠而产生毛细管压力，使粒子间产生挤压、相互渗透而形成涂膜。但在成膜过程中也会渐渐对涂擦动作产生阻力，并随时间的增加而增大，导致涂擦操作变得困难，因此着色效果不佳。尽管在配方中加入延时干燥聚合物，从延时干燥、液体流动方面可以提高其渗透性，提高表面着色效果，如唐述华等(涂料工业，2012，42，45-48)在配方中加入了2％的延时干燥剂，但此方法的干燥时间延长，会带来处理效率降低。另外，水性聚合物粒子较差的分散力及其与木材表面粘结力不够也会使木材表面着色效果较差。

技术实现要素：

为了解决现有木材着色技术存在着对木材渗透性不均匀、木材表面着色效果不佳等问题，本发明提供一种水性木材着色剂，其粘度适中、附着力强，粒径小、分散效果好，更容易渗透进木材内部。

具体而言，本发明提供一种水性木材着色剂，主要组分包括颜料、多巴胺、纳米纤维素和水性高分子树脂。

优选地，上述水性木材着色剂中，颜料、多巴胺、纳米纤维素和水性高分子树脂的重量比为(40-60):(5-15):(5-10):(10-20)，更优选为(45-50):(6-10):(6-8):(15-18)。

研究发现，在上述比例范围内所制成的水性木材着色剂，其中多巴胺能够与水性高分子树脂和木材纤维发生反应，生成粘度合适的高附着力树脂；另外以纳米纤维素作为分散剂，能够将树脂分子和颜料成分分散在水溶剂中，分散更好，着色剂粒径更小，更容易渗透进木材内部。

进一步地，所述纳米纤维素优选为tempo-氧化纳米纤维素，更优选其尺寸在100-200nm。

进一步地，所述水性高分子树脂选自聚丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、环氧树脂中的一种或以上。

一般地，可使用本领域常规颜料。进一步研究发现，当使用无机颜料例如碳黑、钛白粉、铁黄或铁红中的一种时，更适用于本发明配方体系。

进一步地，本发明所述水性木材着色剂还包括适量作为溶剂的水。水的用量通常为颜料、多巴胺、纳米纤维素和水性高分子树脂总重量的10-15倍。

在本发明一些优选的实施例中，所述水性木材着色剂包括：颜料40-60份，多巴胺5-15份，纳米纤维素5-10份，水性高分子树脂10-20份，水150-200份。更优选地，所述水性木材着色剂包括：颜料45-50份，多巴胺6-10份，纳米纤维素6-8份，水性高分子树脂15-18份，水160-180份。

本发明还提供上述水性木材着色剂的制备方法，包括：

1)将纳米纤维素加入水中，超声振荡，充分混匀；

2)按配比加入颜料，搅拌均匀；

3)按配比加入多巴胺和水性高分子树脂，搅拌均匀，即可。

上述步骤1)通常在65℃左右下进行，通常超声振荡15-30分钟。

上述步骤2)通常采用均质机搅拌，转数2000r/min以上时搅拌30分钟左右即可。

上述步骤3)通常在转数200-300r/min条件下搅拌1-2h左右即可。

通常将本发明水性木材着色剂配制成适当浓度的水溶液(例如一般浓度为1-5％左右)，即可使用。

本发明还提供一种木材着色方法，包括：

着色之前对木材进行等离子预处理；

采用上述水性木材着色剂进行着色。

研究发现，着色之前对木材进行等离子预处理，可以提高木材表面接触角，提高木材表面亲水性，这有利于水性着色剂在木材表面的铺展和润湿木材；木材表面也会出现微米级别的不规则的“不平整”，这样有利于树脂的附着，着色剂在木材表面的附着会更好。

关于木材等离子预处理，可以采用本领域常规方法。例如，将等离子体气体喷射到木材表面。本发明具体实施方式中，使用喷枪式dbd，工作气体he，等离子体在枪内产生并喷射到木材表面，气体速度为20-30l/min。电源是可调高频(10-50khz)、高压(5-20kv)的交流电源。处理时间优选为5-10min。

关于木材着色，可以采用本领域常规方法。例如，木板尺寸为25mm×25mm×5mm。将着色剂配成1-5％的水溶液，将木板浸泡其中10-20小时后风干即可。

本发明还包括上述着色方法制备的木材。

水性着色剂以无毒无味、渗透性优异而备受推崇。与油性着色剂相比，水性着色剂上色更持久，它能渗透木料，展现出木料本身的美感，并起到保护作用。木材水性着色剂通常以水性树脂为主要成膜物质，如聚醋酸乙烯、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、水性丙烯酸乳液等，将着色剂中的染(颜)料粒子和体质染料粒子粘结起来，随着擦涂作用，均匀涂布于底材表面或压于木材孔隙中，使其颜色改变。一般来说，通常作为木材的底漆和封闭底漆树脂粒径不超过100nm，这样能够对基材深处进行封闭和着色，使其具有层次感。

本发明提供的水性木材着色剂采用多巴胺提高水性高分子树脂与木材的粘结性，利用纳米纤维素提高其分散性。本发明提供的木材着色方法，通过等离子预处理，提高木材表面粗糙度，有利于水性着色剂在木材表面的铺展和润湿，同时提高着色剂在木材表面的附着力。本发明解决了现有木材着色技术对木材渗透性不均匀、木材表面着色效果不佳的问题。

附图说明

图1表示实施例1-4及对比例1-4木材着色结果。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

tempo-氧化纳米纤维素(cnc)，开翊新材料科技(上海)有限公司，尺寸100-200nm。

聚丙烯酸酯、聚氨酯树脂、环氧树脂，江苏海田科技有限公司，粒径60-100nm。

以下着色所用木材为杨木单板，尺寸为25mm×25mm×5mm。

以下所用份均为重量份。

实施例1

一种水性木材着色剂，配方为：5份tempo-氧化纳米纤维素(cnc)、60份碳黑、12份多巴胺、20份聚丙烯酸酯树脂、200份水。

本实施例还提供该水性木材着色剂的制备方法，包括：按配方将tempo-氧化纳米纤维素(cnc)加入水中在65℃左右下超声振荡15分钟；加入碳黑，在转数2000r/min的均质机中搅拌30分钟，再加入多巴胺和聚丙烯酸酯树脂，以200r/min的速度搅拌1小时，即可。

本实施例还提供一种木材着色方法，包括：着色之前对木材进行等离子预处理；采用本实施例水性木材着色剂进行着色。具体地，利用等离子喷枪式dbd对木材进行预处理，工作气体he，等离子体在枪内产生并喷射到木材表面，气体速度为20l/min。电源是高频(50khz)、高压(10kv)的交流电源；处理时间5min。将本实施例着色剂配成1％的水溶液，将木板浸泡其中10小时，风干即可。

木材着色实验结果见图1a。

对比例1

木材着色剂，配方为：60份碳黑、20份聚丙烯酸酯树脂、200份水。

制备方法除不添加cnc与多巴胺外，其余与实施例1相同。

将本对比例着色剂配成1％的水溶液，按与实施例1相同的方法对木材进行着色。

木材着色实验结果见图1b。

实施例2

一种水性木材着色剂，配方为：8份tempo-氧化纳米纤维素(cnc)、40份钛白粉、10份多巴胺、15份聚氨酯树脂、180份水。

本实施例还提供该水性木材着色剂的制备方法，包括：按配方将tempo-氧化纳米纤维素(cnc)加入水中在65℃左右下超声振荡30分钟；加入钛白粉，在转数2000r/min的均质机中搅拌30分钟，再加入多巴胺和聚氨酯树脂，以200r/min的速度搅拌2小时，即可。

本实施例还提供一种木材着色方法，与实施例1的区别仅在于：将本实施例着色剂配成4％的水溶液，将木板浸泡其中20小时，风干即可。

木材着色实验结果见图1c。

对比例2

木材着色剂，配方为：40份钛白粉、15份聚氨酯树脂、180份水。

制备方法除不添加cnc与多巴胺外，其余与实施例2相同。

将本对比例着色剂配成4％的水溶液，按与实施例2相同的方法对木材进行着色。

木材着色实验结果见图1d。

实施例3

一种水性木材着色剂，配方为：10份tempo-氧化纳米纤维素(cnc)、50份铁黄、6份多巴胺、13份环氧树脂、160份水。

本实施例还提供该水性木材着色剂的制备方法，包括：按配方将tempo-氧化纳米纤维素(cnc)加入水中在65℃左右下超声振荡30分钟；加入铁黄，在转数2000r/min的均质机中搅拌30分钟，再加入多巴胺和环氧树脂，以200r/min的速度搅拌1.5小时，即可。

本实施例还提供一种木材着色方法，与实施例1的区别仅在于：将本实施例着色剂配成3％的水溶液，将木板浸泡其中15小时，风干即可。

木材着色实验结果见图1e。

对比例3

木材着色剂，配方为：50份铁黄、13份环氧树脂、160份水。

制备方法除不添加cnc与多巴胺外，其余与实施例3相同。

将本对比例着色剂配成3％的水溶液，按与实施例3相同的方法对木材进行着色。

木材着色实验结果见图1f。

实施例4

一种水性木材着色剂，配方为：7份tempo-氧化纳米纤维素(cnc)、50份铁红、12份多巴胺、8份聚丙烯酸酯树脂、10份聚氨酯树脂、150份水。

本实施例还提供该水性木材着色剂的制备方法，包括：按配方将tempo-氧化纳米纤维素(cnc)加入水中在65℃左右下超声振荡15分钟；加入铁红，在转数2000r/min的均质机中搅拌30分钟，再加入多巴胺、聚丙烯酸酯树脂、聚氨酯树脂，以200r/min的速度搅拌2小时，即可。

本实施例还提供一种木材着色方法，与实施例1的区别仅在于：将本实施例着色剂配成2％的水溶液，将木板浸泡其中18小时，风干即可。

木材着色实验结果见图1g。

对比例4

一种水性木材着色剂，配方为：50份铁红、8份聚丙烯酸酯树脂、10份聚氨酯树脂、150份水。

制备方法除不添加cnc与多巴胺外，其余与实施例4相同。

将本对比例着色剂配成2％的水溶液，按与实施例4相同的方法对木材进行着色。

木材着色实验结果见图1h。

由图1可知，与对比例1-4相比，实施例1-4的着色效果均匀性较好，无明显颜色不匀现象。

实验例1着色剂粘度检测

利用旋转粘度计检测实施例1-4和对比例1-4的着色剂，各项结果如表1所示。

表1乳液性能测量结果

结果表明，实施例1-4的粘度在100-200mpa·s之间，而对比例1-4的粘度在300-400mpa·s之间。实施例1-4粘度适中、附着力强，粒径小、分散效果好，更容易渗透进木材内部。

实验例2处理材直观与色差值测定

利用色差仪对实施例1-4及对比例1-4染色后木材的色度学参数l，a，b值进行测试，每个试件测试8个点，并与未处理杨木单板进行色差值δe以及其标准偏差计算，评价其着色性，结果如表2所示。

表2处理材的色差值

结果表明，与对比例1-4相比，实施例1-4的着色效果均匀性变好，并且无凸起等缺陷出现，表现在其色差值较大，偏差值较小，整体小于10，而对比例1-4的偏差值基本在10-15。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。