古今，侯威，劉文浩，云虹，劉忠會，胡傳雙?

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州 510642；2.歐派家居集團股份有限公司，廣州 510450）

木制品表面涂繪有著悠久的歷史，表面涂繪不僅使木制品變得美觀，同時也提高了產(chǎn)品價值和使用性能。當(dāng)前在木制品或木家具表面涂繪的方法主要有：手繪裝飾技術(shù)［1］、熱轉(zhuǎn)印技術(shù)［2］、水轉(zhuǎn)印技術(shù)［3］、直接印刷技術(shù)、絲網(wǎng)印刷技術(shù)［4］、UV 數(shù)碼噴繪技術(shù)［5］。傳統(tǒng)涂繪技術(shù)往往存在制作工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、不環(huán)保等不足。與之相比UV 數(shù)碼噴繪則是一種新興的基材表面噴繪技術(shù)，具有綠色環(huán)保、適用材料范圍廣、噴印速度快、成像清晰等特點，在國內(nèi)外得到飛速的發(fā)展，極大程度上滿足人們的物質(zhì)及精神需求［6-7］。UV 數(shù)碼噴繪技術(shù)不僅可以在二維平面上噴繪圖案，還可以利用UV 墨水的可疊加特性，在特定噴繪模式下實現(xiàn)三維浮雕效果［8-9］。UV 數(shù)碼噴繪技術(shù)的主要工作原理是紫外光固化：數(shù)控噴頭將UV 墨水噴射到基材上形成圖案，經(jīng)過紫外光照射，UV 墨水中的光聚合引發(fā)劑吸收一定波長的光子變成活性中間體。這些活性中間體與UV 墨水中的光活性預(yù)聚物和稀釋單體中的不飽和基團發(fā)生鏈式聚合反應(yīng)，使UV 墨水由液態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)聚合物，在基材表面形成一層薄薄的高分子涂膜［10-13］。

目前，國內(nèi)的“歐派”“酷漫居”等大型家居企業(yè)均開始嘗試利用UV 數(shù)碼噴繪技術(shù)，用于柜類、兒童家具等產(chǎn)品?；母鶕?jù)實際需求，可部分或全部被UV 光固化打印圖案覆蓋。本課題組前期以中密度纖維板（MDF）為基材研究表面處理對UV噴繪涂層性能的影響［14］，發(fā)現(xiàn)基材表面粗糙度是影響噴繪涂層的主要因素之一，MDF 經(jīng)涂刷底漆處理后，UV 噴繪涂層的附著力、光澤度等性能得到提升。和人造板相比，實木自古以來是制造家具的主要材料，具有天然環(huán)保、壽命長、紋理美觀等特性，常用于家具行業(yè)的高端產(chǎn)品［15-16］。將UV 數(shù)碼噴繪技術(shù)應(yīng)用于實木上可滿足消費者的個性化定制需求、提高實木的附加性能、提高實木表面裝飾的生產(chǎn)效率。目前，實木材質(zhì)對UV 數(shù)碼噴繪效果的影響不確定，涂層與木質(zhì)材料的界面結(jié)合機制不明確。因此，本研究針對代表性的實木基材，探討基材種類與切面對于UV 噴繪涂層性能的影響，研究UV 噴繪涂層與實木基材的界面結(jié)合機理，為提升實木基材上UV 噴繪涂層的相關(guān)性能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實驗材料： 樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolicaLitv.），樺木（Betula platyphyllaSuk.），白蠟?zāi)荆‵raxinus excelsiorL.），原料尺寸1 000 mm×100 mm×50 mm，均來自山東泰森日立木業(yè)有限公司；犀利牌耐水砂紙，規(guī)格為400#，湖北玉立砂帶集團股份有限公司。

實驗儀器：平臺式UV 數(shù)控噴繪機，中國東莞金田豪邁木工機械有限公司，EcoJet-512-C6H7；液滴形狀分析儀，瑞軒電子科技（上海）有限公司，KrussDSA100；表面粗糙度測量儀，篤摯儀器（上海）有限公司，HOMMEL-ETAMIC-W5 型便攜式；HGQ 漆膜劃格器，中國上海普申化工機械有限公司；光澤度儀，中國天津市科器高新技術(shù)公司，KG7-1B；木工帶鋸機，中國上海寧乾實業(yè)有限公司，TBS-3415；全自動色差計，北京康光光學(xué)儀器有限公司，SC-80C；比表面積及孔隙度分析儀，F(xiàn)INESORB-3020，浙江泛泰儀器有限公司；場發(fā)射分析型掃描電鏡，日本Hitachi，Su-70；傅里葉變換紅外光譜儀，Tensor27，Bruker。

1.2 試驗方法

1.2.1 鋸材表面打磨方法

用木工帶鋸機將中纖板裁制成規(guī)格為100 mm×50 mm×9 mm 大小的試件，在進行噴繪或其他表征前，用400#的砂紙對鋸材表面進行處理，每個試件沿同一方向反復(fù)打磨30 次，以提高基材表面的光滑程度。

1.2.2 UV 數(shù)碼噴繪設(shè)備工藝參數(shù)

UV 數(shù)碼噴繪工藝分為彩色圖案打印工藝和直接噴繪白色油墨工藝兩種。

1）彩色圖案打印工藝。將基材表面清潔干凈后定位在平臺式UV 數(shù)控噴繪機上，開啟真空泵將基材吸附固定。

打印方式，Quality；打印速度，4 pass speed up（1 100 mm／s）；飽和度，C：100，S：100；UV 燈功率，140 W／cm；UV 燈開啟方式，雙向開啟；油墨顏色，KCMYW （黑色、藍色、洋紅色、黃色、白色）；分辨率1 440×720 dpi；尺寸100 mm×50 mm。

該工藝先打印兩層白色油墨，再噴繪彩色圖案，每個樣品選取同一幅圖案進行打印。白色油墨襯底主要用于遮蓋基材顏色，可增加UV 數(shù)碼噴繪涂層厚度。

2）直接噴繪白色油墨工藝?；那捌谔幚硗?。在基材上打印兩層白色油墨，不再噴繪彩色圖案。打印參數(shù)同上。直接噴繪白色油墨工藝用于表征鋸材表面噴繪前后的色差變化。

1.2.3 表征方法

1）鋸材表面粗糙度測定。采用表面粗糙度儀測量試件表面不同位置的表面粗糙度值，以輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）作為評定表面粗糙度的參數(shù)，每個試件測量8 個點，取平均值作為試件的表面粗糙度。

2）鋸材表面接觸角與自由能測試。采用座滴法雙液滴測量鋸材表面水和二碘甲烷接觸角，將待測樣品放置在樣品臺上，聚焦使成像清晰，校準待測表面位置與拍攝記錄范圍，調(diào)整基線。設(shè)定測量程序，水和二碘甲烷液滴2 μL，水和二碘甲烷同時滴到試件表面后，拍照記錄時間設(shè)定為10 s，每秒記錄1 次影像及瞬間接觸角，每次測量共記錄10個影像及水和二碘甲烷接觸角各10 個值，觀察10 s 內(nèi)樣品接觸角的變化，由于純水會隨著時間的延長慢慢滲透到鋸材內(nèi)部，所以本研究選取10 s 內(nèi)的接觸角數(shù)據(jù)作為鋸材表面接觸角、表面自由能的計算依據(jù)。以低表面能固體為參考，采用Young-Good-Girifalco-Fowkes 方程計算表面自由能［17］，得到色散部分和極性部分。

3）鋸材比表面積及孔隙測定。采用FINESORB-3020 比表面積與孔隙度分析儀（BET）測定鋸材的比表面積與孔隙分布。將鋸材裁制成規(guī)格為45 mm×15 mm×9 mm 大小的試件放入測試管，將樣品加熱至150 ℃并抽真空24 h，在77 K 下測量樣品的氮氣吸附-脫附等溫曲線。在相對壓力（P／P0）為0.05～0.32 下，由BET 方法計算樣品的比表面積；BJH 方法估算樣品中孔比表面積及孔徑分布。

4）UV噴繪涂層性能表征。按照GB／T 4893.6—2013《家具表面漆膜光澤測定法》對試件進行光澤度測定，每組試件平行測試6 塊試件，每塊試件固定測量圖案的一個特定位置；按照ISO 2409：2013-2《色漆與清漆劃格實驗》，對試件進行附著力測試，一塊試件上測試3 個點；按照GB／T 4893.8—2013《家具表面漆膜理化性能試驗：耐磨性測定法》，采用120#砂輪、400#紗條磨砂試件，對試件進行耐磨性測試，每組試件平行測試3 塊試件。

5）紅外分析。采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）對UV 油墨、未噴繪的鋸材、UV 噴繪的鋸材以及同等條件紫外照射的鋸材進行化學(xué)結(jié)構(gòu)表征。各試件表面用銼刀取下一定量的粉末狀物質(zhì)，采用壓片法制樣用于紅外測試，紅外光譜儀的掃描范圍為4 000～400 cm-1。

6）SEM 形貌分析。噴繪前試件制備：將鋸材制備成標準的三切面小試件，試件規(guī)格為5 mm×5 mm×5 mm，開水浸泡3 h 后用切片機削平至2 mm以下。試件噴金后在掃描電鏡加速電壓為30 kV下觀察切面。噴繪后試件制備：將試件裁制成40 mm×9 mm×2 mm 大小的小塊試件，放入液氮中浸泡20 min。用美工刀取出試件，切成5 mm×2.5 mm×1 mm 大小的試件。試件噴金后在掃描電鏡加速電壓為30 kV 下觀察切面。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋸材性能表征

2.1.1 3 種鋸材的解剖學(xué)特征

3 種鋸材的三切面SEM 圖見圖1。樟子松是針葉材，橫切面上管胞密集，早材管胞細胞腔大壁薄，晚材細胞腔小壁厚，孔隙較多，可能會導(dǎo)致表面粗糙度較大。弦切面可見多為單列木射線，徑切面可見單列紋孔；樺木為闊葉材中的散孔材，橫切面上管孔均勻分布，多為復(fù)管孔，偶爾可見管孔鏈存在，且軸向管孔之間多以梯狀穿孔連接，弦切面可見紡錘形木射線；白蠟?zāi)緸殚熑~材中的環(huán)孔材，管孔呈弦列狀分布于晚材部分，管孔直徑大于樺木，弦切面明顯可見射線疊生，徑切面與弦切面表面落差大，可能會導(dǎo)致表面粗糙度較大。

2.1.2 比表面積及孔徑分布

3 種鋸材的BET 吸附等溫線與BJH 微分孔面積見圖2。圖2a 中3 種鋸材均屬于Ⅲ型等溫線，隨著相對壓力升高，3 種鋸材的氮氣吸附量均增加，其中樟子松增加的趨勢最為明顯，吸附與解吸附等溫線重疊度較好，說明氮氣吸附力較弱。圖2b 中3 種鋸材的絕大多數(shù)孔徑＞2 nm，說明3 種鋸材主要是介孔結(jié)構(gòu)。同時3 種鋸材的孔徑分布主要集中在2～5 nm 范圍內(nèi)，呈多峰分布，分布較窄，其中樟子松的介孔含量最多，樺木次之，白蠟?zāi)咀钌?。樟子松的多孔結(jié)構(gòu)可能會導(dǎo)致UV 噴繪墨水滲入孔隙較多，噴繪的圖案不連貫，影響噴繪圖案的質(zhì)量。

圖1 鋸材SEM 圖Fig.1 SEM images of three sawn timber species

圖2 鋸材的氮氣吸附等溫線與孔徑分布Fig.2 BET N2 adsorption-desorption isotherm and pore size distribution of three sawn timber species

鋸材BET 比表面積及BJH 介孔分布見表1。由表1 可知，樟子松BET 比表面積最大，樺木次之，白蠟?zāi)咀钚?。說明樟子松的滲透性最好，其他兩種木材滲透性相對較差，UV 墨水滲透少。

表1 鋸材BET 比表面積及BJH 介孔分布Table 1 BET specific surface areas and BJH mesopore distribution of three sawn timber species

2.1.3 鋸材切面表面粗糙度

鋸材經(jīng)過砂紙?zhí)幚砗蟮母髑忻娴谋砻娲植诙戎狄妶D3。樟子松的橫切面表面粗糙度最大為6.72 μm，是因為樟子松橫切面管胞數(shù)量多，表面落差大。樺木與白蠟?zāi)镜臋M切面分別為1.70 和4.04 μm，主要是因為橫切面上闊葉材的管胞以及導(dǎo)管數(shù)目少，表面相對平整。在徑切面上，白蠟?zāi)镜拇植诙茸畲?，?.42 μm。這是因為在徑切面上白蠟?zāi)敬嬖谳^大的導(dǎo)管孔隙（圖1C2）。同理，樟子松的表面粗糙度最小，為2.30 μm。弦切面上3種鋸材的粗糙度接近，為3.14～4.05 μm。

圖3 鋸材三切面表面粗糙度Fig.3 Surface roughness of different sawn timber species and cutting sections

2.1.4 鋸材三切面表面接觸角及表面自由能

鋸材三切面上水和二碘甲烷0 s（初始）與10 s（平衡）接觸角見圖4。樟子松三切面的水初始接觸角均高于樺木與白蠟?zāi)緦?yīng)切面的接觸角，而白蠟?zāi)境龔角忻娼佑|角略高于樺木外，其橫切面、弦切面接觸角均較低，說明對于快速固化的UV 噴繪打印，初始潤濕性較好的白蠟?zāi)颈砻?，有利于涂層附著，而樟子松相反。對于平衡接觸角，樟子松的徑切面、弦切面也均高于樺木與白蠟?zāi)緦?yīng)切面，但橫切面接觸角較小。原因是由于樟子松鋸材表面含有松脂等油性物質(zhì)，導(dǎo)致水的初始接觸角較大，但其橫切面孔隙豐富，水分能夠迅速滲透，一段時間后水接觸角明顯降低。

圖4 鋸材三切面上水和二碘甲烷0 s 與10 s 接觸角Fig.4 Water and diiodomethane contact angles of different sawn timber species and cutting sections at 0 s and 10 s

樟子松的二碘甲烷初始接觸角最小，樺木次之，白蠟?zāi)咀畲?，平衡接觸角也呈現(xiàn)相同規(guī)律，可能是由于樟子松鋸材表面含有松脂等非極性物質(zhì)。二碘甲烷接觸角10 s 內(nèi)下降相比水接觸角下降緩和，這是由于木材表面富含親水羥基，且疏松多孔，水較二碘甲烷更易滲透到鋸材內(nèi)部。

鋸材三切面表面自由能見圖5，由極性部分和色散部分組成，總體來看，可以明顯看出白蠟?zāi)颈砻孀杂赡艿臉O性部分較其他兩種木材更大，更有利于涂層附著，樺木次之，樟子松可能表面含有松脂，不利于涂層附著。

圖5 鋸材三切面表面自由能Fig.5 Surface free energy of different sawn timber species and cutting sections

2.2 鋸材切面對UV 噴繪涂層性能的影響

2.2.1 切面色差分析

樟子松、樺木以及白蠟?zāi)救忻娴腢V 噴繪效果見圖6。由圖6 可以看出，總體上樺木試件的噴繪圖案較為暗淡。比較3 種鋸材的橫切面，樟子松與白蠟?zāi)緡娎L的圖案顯現(xiàn)出生長輪的形狀，是因為樟子松與白蠟?zāi)驹缤聿膮^(qū)別明顯，管胞管孔較多，噴繪時墨水會吸收進入管胞管孔內(nèi)，圖案不連貫，樺木是散孔材，生長輪相對不明顯。白蠟?zāi)镜膹角忻媾c弦切面由于有一定數(shù)量的較大的導(dǎo)管孔隙存在，也會導(dǎo)致墨水會滲透到孔隙內(nèi)，呈現(xiàn)出線狀的條紋，但總體不如橫切面明顯。樟子松的徑切面與弦切面管胞直徑較小，噴繪效果最好。

在鋸材表面噴繪兩層白色油墨用于測試噴繪前后色差明度變化。由表2 可知，噴繪后樟子松三切面的明度均最高，樺木最低。樺木噴繪前其本身明度低，顏色暗淡，導(dǎo)致噴繪圖案的效果最差。所有試件噴繪后的明度均沒達到百分百明度，是因為鋸材切面由于導(dǎo)管或管胞的存在使得其表面凹凸不平，有孔隙導(dǎo)致打印的圖案不連貫，圖案并沒有完全覆蓋表面。

圖6 鋸材三切面噴繪效果圖Fig.6 Images of UV inkjet coating on different sawn timber species and cutting sections

表2 鋸材三切面UV 噴繪涂層色差Table 2 UV inkjet coating chromatic aberrations of different sawn timber species and cutting sections

2.2.2 光澤度

鋸材噴繪后涂層光澤度見圖7。樟子松橫切面的光澤度最小，為3.10，徑切面與弦切面光澤度明顯高于橫切面。樟子松橫切面有密集存在的管胞，導(dǎo)致其表面粗糙度大，表面不平整，墨水被吸收進入孔隙，UV 噴繪后試件表面涂層并不完整。樺木橫切面的表面粗糙度最小，表面相對光滑平整，UV 噴繪后試件表面涂層能緊密連接。3 種鋸材徑切面與弦切面的光澤度較接近，也與表面粗糙度結(jié)果呈正相關(guān)關(guān)系。

圖7 鋸材三切面UV 噴繪涂層光澤度Fig.7 UV inkjet coating glosses of different sawn timber species and cutting sections

2.2.3 附著力

鋸材三切面UV 噴繪后涂層附著力見表3，只有白蠟?zāi)緳M切面的附著力達到了1 級，其他試件的涂層附著力均為2 級。樟子松由于含有松脂，可能會導(dǎo)致涂層不能很好地附著在表面。白蠟?zāi)镜臋M切面潤濕性較好，表面自由能含有較大的極性成分，UV 噴繪油墨能較好鋪展在白蠟?zāi)颈砻妫铱紫敦S富，易形成機械錨釘結(jié)構(gòu)，涂層能緊密連接，涂層的附著力最高，為1 級。

表3 鋸材三切面UV 噴繪涂層附著力Table 3 UV inkjet coating adhesions of different sawn timber species and cutting sections

2.2.4 耐磨性

由于原材料的尺寸限制，只選擇徑切面來比較各個基材UV 噴繪后涂層的耐磨性。由表4 可知，樟子松與樺木試件被打磨50 r 質(zhì)量損失為0.04 g，白蠟?zāi)镜?0 r 質(zhì)量損失為0.03 g。主要是因為白蠟?zāi)镜膹角忻婀芸字睆酱?，表面凹陷的地方多，噴繪的圖案有部分落入這部分凹陷處，砂磨過程中并不能砂磨整個圖案，致使50 r 的質(zhì)量損失小。而且經(jīng)過50 r 后噴繪的涂層基本上被磨砂完，質(zhì)量損失不僅包含涂層還包含有一部分基材。砂磨100 r 質(zhì)量損失基本上為基材損失，樺木質(zhì)量損失最多為0.13 g，白蠟?zāi)咀钌贋?.06 g。

表4 鋸材徑切面UV 噴繪涂層耐磨性Table 4 UV inkjet coating abrasion resistances of different sawn timber species and cutting sections

2.3 界面結(jié)合性能分析

2.3.1 紅外表征

樟子松、樺木、白蠟?zāi)緡娎L前后的紅外光譜圖見圖8。本實驗的對照組為經(jīng)同樣紫外光強度和時間照射的素材。從圖8 各特征峰分析可知，其中，897 cm-1為纖維素C—H 彎曲振動的特征峰，1 376 cm-1附近為半纖維素C—H 彎曲振動，1 660 cm-1附近吸收峰為半纖維素中的C═O 伸縮振動，1 424 cm-1附近為木素芳香環(huán)上的C—H 平面變形振動，1 508 cm-1附近為木素的芳香環(huán)骨架振動，1 600 cm-1附近為木素的芳香環(huán)的C═C 伸縮振動，1 736 cm-1為酯基的C═O 伸縮振動。較短時間的紫外照射并沒有改變木材的成分。UV 噴繪墨水的主要成分是丙烯酸酯，在噴繪過程中不飽和C═C 雙鍵會發(fā)生聚合反應(yīng)，光引發(fā)劑會吸收能量變成自由基，因此噴繪前后墨水中的主要官能團應(yīng)為酯基中的羰基。1 736 cm-1處吸收峰為酯基的C═O伸縮振動，UV 噴繪前后三大素的特征峰強度基本無變化，UV 油墨的主要官能團也未發(fā)生變化，同時噴繪前后紅外圖上并沒有顯示新的物質(zhì)生成，表明在噴繪過程中UV 油墨沒有與木材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，涂層與木材之間的結(jié)合是以范德華力為主。

圖8 噴繪前后鋸材紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectra of three sawn timber species before and after UV inkjet printing

2.3.2 噴繪涂層SEM 表征

鋸材三切面UV 噴繪后的SEM 圖見圖9，較薄的UV 噴繪涂層附著在基材表面，顯示一定的落差，這與基材管胞與管孔的分布有關(guān)。樟子松橫切面、徑切面與樺木弦切面、白蠟?zāi)緩角忻娴耐繉颖砻媛洳钶^大，可能與素材表面粗糙度有關(guān)。其他切面的表面粗糙度較小，涂層落差小。綜合紅外與電鏡分析，在UV 數(shù)碼噴繪過程中，由于光固化過程非?？?，所以UV 油墨并沒有與木材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，噴繪圖案與木材是以范德華力為主的機械錨釘結(jié)構(gòu)。

圖9 噴繪后鋸材的SEM 圖Fig.9 SEM images of the sawn timber substrates after UV inkjet printing

3 結(jié)論

通過分析3 種代表性實木基材的各切面對UV數(shù)碼噴繪涂層性能與效果的影響，得出以下結(jié)論：

1）鋸材中管胞與介孔的存在導(dǎo)致基材表面粗糙度增加，噴繪涂層光澤度降低；部分鋸材橫切面由于管胞、導(dǎo)管的存在導(dǎo)致噴繪涂層顯現(xiàn)出生長輪的形狀；

2）鋸材本身的顏色影響涂層的明度，顏色較深的基材導(dǎo)致噴繪涂層顏色偏暗；

3）表面濕潤性能較好的基材，涂層附著力較高；

4）界面分析結(jié)果表明UV 油墨并沒有與木材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，噴繪圖案與木材的界面結(jié)合是以范德華力為主的機械錨釘結(jié)構(gòu)；

5）隨著家具制造行業(yè)的升級換代，具備環(huán)保、快捷與個性化定制特性的UV 數(shù)碼噴繪技術(shù)將會得到更多更廣泛的應(yīng)用。在進行實木UV 噴繪時，應(yīng)選擇材色較淺的基材，如需打印涂層遮蓋木材紋理，則需同時考慮選擇孔道較少、較小或分布較均勻的基材，如針葉材弦切面、徑切面或散孔材。