基于腰果来源表面活性剂与SDS协同效应的可持续水性漆乳化及涂覆性能

《Progress in Organic Coatings》:Emulsification and coating performance of sustainable waterborne lacquer based on cooperative effect of cashew-derived surfactant and SDS

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月11日 来源:Progress in Organic Coatings 7.9

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   摘要天然生漆(RL)是一种高性能天然涂料,但由于其高粘度和苛刻的施工条件,在工业应用方面受到严重限制。本研究通过将卡醇合成的十五烷基苯磺酸钠(SPBS)与十二烷基磺酸钠(SDS)复合为复合表面活性剂,结合超声波分散,实现了绿色高效的生漆水性化改性。采用单因素实验和正交实验优化

  

摘要

天然生漆(RL)是一种高性能天然涂料,但由于其高粘度和苛刻的施工条件,在工业应用方面受到严重限制。本研究通过将卡醇合成的十五烷基苯磺酸钠(SPBS)与十二烷基磺酸钠(SDS)复合为复合表面活性剂,结合超声波分散,实现了绿色高效的生漆水性化改性。采用单因素实验和正交实验优化了制备工艺,并从Zeta电位分析、FT-IR、LF-NMR和XPS角度表征了改性参数对水性生漆(WRL)乳液和漆膜性能的影响。最优条件为:复合表面活性剂用量为RL质量的5.0%(SDS:SPBS质量比为25:75),50.0%去离子水,9分钟超声处理(120 W,40 kHz)。在此条件下,WRL乳液实现了稳定的水包油(O/W)相,具有低粘度和提高的七天储存稳定性,可实现水稀释和喷涂施工。与RL相比,WRL漆膜综合性能提升了56.2%,干燥时间缩短至165分钟,附着力提高到1.62 MPa(为RL的三倍多),铅笔硬度达到4H,同时保持较高的耐磨性和热稳定性。LF-NMR证实WRL具有更高的交联速率和密度。水相环境可能促进漆酶活性,超声处理减小了粒径,两者共同加速了漆酚交联和C单键C键的形成,形成更致密的漆膜网络。本研究解决了RL水分散性差和施工困难的问题,为高性能环保WRL涂料提供了实验和理论支持。

引言

生漆(RL),又称东方漆,是从漆树(Toxicodendron vernicifluum)的人工割漆所获得的天然涂料[1]。它是人类最早使用且最为优异的自然涂料之一。用RL涂覆的物体在埋藏后可完好无损地保存数千年,因此被誉为"涂料之王"。RL常被用作珍贵漆器的漆膜,其优异的耐久性是现代合成涂料无法比拟的。它是现代工业、农业、国防和科技领域的重要原材料[2]。中国是最早使用漆的国家,在中国沿海地区发现的最早的史前贝壳遗址,距今约7800–8300 cal BP,位于浙江省井头山遗址[3]。这一证据表明,早期的中国人已开始将RL用作陶瓷器和木质器物的保护及装饰涂料。RL是一种白色粘稠液体,为水包油乳液,主要成分包括漆酚(50%–80%)、漆酶(约1%)、多糖(5%–7%)、糖蛋白(2%–5%)和水(20%–30%)[4]。漆酚是RL的主要成膜成分,主要由具有化学反应活性的酚类衍生物组成,使漆酚能够与各种物质发生反应,从而促进其化学改性[5]。然而,由于产量低、成本高、干燥后脆性大且硬度高,RL在现代社会的应用和生产受到限制。
对RL进行改性是出于以下几方面必要性的考量。首先,RL的粘度极高,其施工仍主要依赖手工刷涂。这导致涂装效率低、涂膜不均匀,且容易留下明显的刷痕。其次,作为水包油乳液,RL对亲水性改性剂的分散性差,亲水性改性剂容易严重聚集,这极大地限制了RL的进一步应用和拓展。此外,WRL具有较低的挥发性有机化合物排放、更好的环境友好性以及更高的储存和运输安全性,使其更适合现代工业应用。
卡醇(cardanol)是具有重要经济价值的作物副产品,从腰果壳液(CNSL)中提取[6]。它具有可再生、高可获得性和低成本等优点,因此在表面活性剂和涂料领域得到了广泛应用[7], [8]。当前的研究和工业工艺可以通过多种途径合成各种类型的表面活性剂,包括阳离子、阴离子、非离子和两性表面活性剂。鉴于卡醇与传统的十二烷基苯磺酸结构相似,研究者利用卡醇作为原料,对烷基苯酚类表面活性剂的制备进行了广泛研究[9], [10], [11], [12]。
选择烷基苯类表面活性剂的原因是,与亲水性更强的烷基类表面活性剂相比,烷基苯类表面活性剂中苯环的存在赋予了其更强的乳化能力,并且对RL等疏水性树脂具有更高的化学稳定性[13]。此外,考虑到漆酚的化学结构,使用结构相似的烷基苯类表面活性剂可能有利于形成性能稳定的漆膜[14]。
超声波是指频率高于20 kHz的机械波[15]。根据其功率密度,可分为高强度(大功率,10–1000 W cm?2)和低强度(<1 W cm?2)超声波[16]。近年来,作为绿色加工技术,超声波已广泛应用于食品加工业,特别是在果汁和乳制品的生产中[17], [18]。超声处理可以有效降低乳液的表观粘度,减小液滴尺寸,并改善乳液体系的短期静稳定性[19]。超声空化诱导的微气泡的形成和坍塌可以在乳化过程中破坏粗大的油滴,促进形成具有均匀细小液滴的乳液,这赋予了所得乳液优异的长期稳定性[20], [21]。
值得注意的是,关于RL超声处理的研究,Oh等人采用不同幅度的超声处理,在油相溶剂的辅助下在RL中诱导空化效应。该方法不仅减小了漆乳液的液滴尺寸,还增加了漆酶与漆酚之间的接触面积,从而缩短了漆膜的干燥时间[22]。上述研究为本工作中WRL的制备提供了重要的启示和理论支持。
对现有研究的综合回顾表明,全球范围内关于RL水性化改性的研究仍然很少。传统表面活性剂与RL的分子结构匹配性差,鲜有研究采用生物质基表面活性剂对其进行水性化改性,从而忽视了结构相似性所带来的高相容性。此外,尽管相关物理改性研究通过超声分散减小了精制RL的液滴尺寸,但所得性能远不能满足喷涂的技术要求,也无法满足现代工业应用的工艺需求。此外,RL目前主要用作木器涂料;然而,此类应用仍缺乏简单且标准化的性能评价体系。这一缺陷导致相关研究中报道的改性效果通常仅通过个别性能指标来展示,缺乏对涂料综合性能进行全面量化评估的标准。
在本研究中,我们通过引入表面活性剂将RL的原生水包油结构反转为油包水乳液,从而实现其用水稀释。通过单因素实验优化了复合表面活性剂体系的配比。此外,采用正交实验设计研究了三个关键参数,即复合表面活性剂用量、超声处理时间和加水用量,以获得一种粘度显著降低、可用水稀释并通过喷涂施工的水性改性漆。制备工艺流程如图1所示。此外,对不同条件下制备的漆膜进行了综合性能测试和对比,以确定相应的最优制备工艺。

章节片段

实验材料与设备

RL购自扬州漆器厂(中国),其成分为60–65%漆酚、20–30%水、5–7%多糖、1–5%糖蛋白和少于1%漆酶。十二烷基磺酸钠(SDS,化学纯)购自西陇化学工业有限公司(中国)。工业级卡醇购自徐州沛泽新材料化工有限公司(中国)。三氧化硫-吡啶络合物(LR级)购自上海阿拉丁生化科技有限公司(中国)。

SPBS的FT-IR和XPS表征

采用FT-IR光谱对目标产物进行表征(图3a)。在1234、1153、1047和756 cm?1处观察到特征吸收峰。1234 cm?1处的强峰归因于芳基磺酸基中S双键O的不对称伸缩振动,证实了磺酸基团的引入。1093和1047 cm?1处的配对峰归因于S双键O的对称伸缩振动与C单键S振动耦合,验证了苯环与磺酸基之间的共价连接

结论

将卡醇合成的SPBS与SDS复配,构建了高稳定性的WRL乳液。采用正交实验确定最优工艺参数,并系统研究了各因素的协同效应对乳液和漆膜性能的影响。当添加5%表面活性剂(基于RL质量)和50%去离子水,并进行9分钟超声处理后,乳液和漆膜表现出综合优良的性能,在此

CRediT作者贡献声明

吴桐:撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、资源、方法、调查、形式分析、概念化。余莺月:可视化、软件。严晓星:撰写——审阅与编辑、监督。徐伟:撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江苏省研究生科研与创新实践计划项目(KYCX25_1483)和国家自然科学基金项目(批准号:32571962)的支持。
吴桐|余莺月|严晓星|徐伟
南京林业大学家具与工业设计学院,南京,江苏,210037,中国
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