家具水性涂料涂層的UV固化及其它幾種干燥方式

水性涂料的涂層干燥是保證涂飾質(zhì)量的需要，是整個(gè)涂飾過程不可缺少的工序，直接影響到生產(chǎn)成本和工效。

涂層在什么條件下進(jìn)行干燥，對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。涂層干燥不合理，漆膜會(huì)產(chǎn)生光澤差、桔皮、針孔等缺陷，嚴(yán)重的會(huì)在漆膜內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力，使漆膜附著力降低;在使用中產(chǎn)生裂縫，失去保護(hù)裝飾作用，難以保證漆膜性能穩(wěn)定與獲得良好的裝飾質(zhì)量。

同時(shí)，涂層干燥是一項(xiàng)經(jīng)常重復(fù)而又最費(fèi)時(shí)的工序，所以，在現(xiàn)代生產(chǎn)中，如何加速涂層干燥，不僅關(guān)系到縮短生產(chǎn)周期和節(jié)約生產(chǎn)面積，而且也是實(shí)現(xiàn)施工連續(xù)化和自動(dòng)化必須解決的技術(shù)關(guān)鍵問題。

因此，為了保證涂飾質(zhì)量和提高涂飾工效，研究水性涂料涂層的干燥方式具有重要的意義，是提高干燥效率的重要途徑，也是發(fā)展生產(chǎn)的重要問題，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

木家具用水性涂料是以水為介質(zhì)的涂料。水性涂料的固含量非常低，一般只有20%-30%，含有70%左右的水分。所以，水性涂料在干燥過程中主要是水分的揮發(fā)。下面就水性涂料的成膜過程及水分揮發(fā)過程進(jìn)行闡述。

一、家具用水性涂料的成膜過程

水性涂料的成膜過程是一種分子鏈凝聚現(xiàn)象，一般可以分為3個(gè)步驟：水分揮發(fā)、粒子變形和粒子合并。

施工后，首先是水分揮發(fā)，當(dāng)水性涂料的乳膠微粒占膠層的74%(體積)時(shí)，微粒相互靠近而達(dá)到密集的充填狀態(tài);其次，水分繼續(xù)揮發(fā)，聚合物微粒子變形，毛細(xì)管壓力高于聚合物微粒的抗變形力，微粒之間產(chǎn)生壓力，介質(zhì)揮發(fā)越多，這個(gè)壓力越大，而后凝集、融合形成連續(xù)的涂膜;最后，水分繼續(xù)揮發(fā)，當(dāng)壓力達(dá)到能使每個(gè)微粒中分子鏈擴(kuò)散到另一微粒分子鏈中去時(shí)，聚合物分子鏈逐級(jí)逐漸相互擴(kuò)散，使膜均勻化，就完成了固化干燥過程。

二、水分揮發(fā)過程研究

從理論上分析，水性涂料的水分揮發(fā)過程符合由表及里的垂直干燥理論。該理論認(rèn)為水性涂料成膜時(shí)水分的揮發(fā)可分為3個(gè)階段，第一階段，樹脂顆粒進(jìn)行著無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，水分與在純水中一樣沿著水—空氣界面以相同的揮發(fā)速率揮發(fā);進(jìn)入第二階段后，樹脂顆粒賴以懸浮的介質(zhì)減少，使得樹脂粒子之間相互靠近、堆積和聚結(jié)，引起水—空氣界面收縮，使得水—空氣界面的總面積減小、水分的揮發(fā)速率快速下降;到最后階段，水分的揮發(fā)速率不斷降低，剩余的水分通過膜中的毛細(xì)管道擴(kuò)散到涂膜—空氣表面揮發(fā)出來。整個(gè)過程由樹脂顆粒的表層逐漸向內(nèi)部發(fā)展，水分的揮發(fā)速率因水分的不斷減少、水分由粒子之間的間隙傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^聚合物傳遞而降低。

三、干燥方式

木材的干燥過程是水分逐步排除木材內(nèi)部的過程，而家具用水性涂料涂層的干燥在很大程度上是把水分逐步排除涂層內(nèi)部的過程，從一定意義上講，兩者有一定的相似之處。

所以，在進(jìn)一步研究木家具用水性涂料涂層的干燥方式時(shí)可以借鑒相對(duì)成熟的木材干燥方式。在木材干燥領(lǐng)域，自然干燥、熱空氣干燥、微波干燥、紫外線干燥、紅外線干燥、太陽能干燥、高頻干燥、聯(lián)合干燥等方式在理論上皆適用于水性涂料涂層的干燥，只是需要研究各種干燥方式在水性涂層干燥應(yīng)用中的具體技術(shù)參數(shù)。

影響水性木器涂料干燥速度的主要因素是環(huán)境溫度高低、相對(duì)濕度的大小、漆膜厚薄以及氣流流動(dòng)的快慢等。伍忠岳等認(rèn)為水性木器涂料實(shí)現(xiàn)流水線涂裝，可以加快干燥速度、提高涂膜硬度、降低VOC及避免“干燥慢”帶來的諸多弊端。

蔡佳斌等對(duì)微波干燥在聚氨酯水性木器涂料中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究表明經(jīng)過微波干燥之后水性涂膜中的水分脫除了90%，而同樣時(shí)間內(nèi)烘箱干燥則只能脫除總水分的約50%。微波干燥后涂膜立即達(dá)到了實(shí)干，可以進(jìn)行打磨，能夠疊放、包裝。

不同的干燥方式對(duì)水性涂料的干燥速度和成膜質(zhì)量有著明顯的不同，下面就水性涂料的各種干燥方法概述之。

1自然干燥

水的蒸發(fā)潛熱很大，達(dá)到2457.7KJ/Kg，水性涂料涂層的水分揮發(fā)需要吸收大量的熱量。水分的揮發(fā)受大氣溫度和濕度及風(fēng)速的影響，揮發(fā)速度隨著溫度的升高而增加，隨著空氣濕度的增加而降低，隨著風(fēng)速的增大而變大，這是因?yàn)闇囟壬?，分子熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈，液體水分子更容易擺脫其它水分子的吸引而變成蒸汽分子。

但隨著空氣濕度的增加，空氣中的水蒸汽所占的比重增加，水蒸汽的分壓力增加，在單位時(shí)間內(nèi)使更多的水蒸汽分子變成液體水分子，因此，水的揮發(fā)速度隨著空氣濕度的增加而減小。

風(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)從揮發(fā)表面帶走的水分子越多，所以揮發(fā)速度越快。

自然干燥具有方法簡單、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有干燥速度慢的缺點(diǎn)。在自然條件下，溫度和濕度及風(fēng)速是不斷變化的，干燥速度及成膜質(zhì)量不穩(wěn)定。

如果在高溫高濕或濕度比較大的情況下，涂層容易發(fā)白，干燥速度較慢。在低溫下，干燥速度很慢;特別是在5℃下，水性涂料難以成膜。這些都是制約水性涂料推廣應(yīng)用的重要原因。

2熱空氣干燥

熱空氣干燥是采用對(duì)流原理，以溫度為40～60℃的熱空氣為載熱體，將熱能傳遞給工件表面的涂層，涂層吸收能量后固化成膜的加熱干燥方法。

常用電或蒸汽作為熱源，先使空氣加熱，熱量通過對(duì)流形式由熱空氣傳遞給涂層表面，使涂層得到快速干燥。

采用熱空氣干燥時(shí)，涂層周圍的熱空氣是加熱介質(zhì)。涂層總是具有一定厚度的，熱量要從涂層表面?zhèn)鬟f到里層邊界，需要一定的時(shí)間。

傳熱的速度，取決于涂層的厚度及其導(dǎo)熱能力。因此，對(duì)流加熱時(shí)，涂層表面總是先被加熱。干燥初期，表層的水分揮發(fā)最強(qiáng)烈，涂層的固化也是從表層開始的，隨后逐漸地?cái)U(kuò)展到底層，致使底層最后干燥。

采用熱空氣干燥工藝，可以明顯加快涂層干燥速度，并具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是應(yīng)用較為廣泛的一種干燥形式。

在大型的家具廠，熱空氣干燥線是當(dāng)前溶劑型涂料強(qiáng)制干燥的主要形式，改用作干燥水性涂料，因水性涂料的干燥時(shí)間長，一方面需要對(duì)干燥設(shè)備進(jìn)行研究，另一方面需要研究干燥工藝。

干燥線各處的溫度、濕度、工件的運(yùn)行速度(干燥時(shí)間)及通風(fēng)條件等對(duì)保證干燥質(zhì)量和最終的漆膜質(zhì)量至關(guān)重要。

3微波干燥

微波是指波長為1mm-1m，頻率為300MHz-300GHz，具有穿透性的電磁波，常用的微波頻率為915-2450MHz。

微波加熱利用的是介質(zhì)損耗的原理，而水的介電常數(shù)比干物質(zhì)大得多，電磁場(chǎng)釋放能量的絕大部分被涂料中的水分吸收。

微波場(chǎng)以每秒幾億次的高速周期性地改變外加電場(chǎng)的方向，使水分子迅速擺動(dòng)，產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)，從而使涂料內(nèi)部和表面的溫度同時(shí)迅速升高。

微波加熱的優(yōu)點(diǎn)在于干燥速度特別快，不同的物質(zhì)對(duì)于微波具有選擇性吸收;對(duì)于被干燥物件沒有形狀要求;對(duì)于涂膜的加熱很均勻，不存在溫度梯度，可以干燥厚膜。對(duì)于水分子，頻率2450MHz的微波具有最佳的能量轉(zhuǎn)化和損耗的平衡。

該頻率的微波可以穿透30mm厚度的水層，可以用來干燥各種厚度的水性涂料涂層。

4紫外線干燥

對(duì)于水性UV木器涂料，可以采用紫外線固化的干燥方式。所謂紫外線固化是指水性UV木器涂料在波長為300-400nm的紫外線照射下進(jìn)行固化的干燥方式。

在水性UV涂料中含有少量的光敏劑，在紫外線的照射下，光敏劑吸收特定波長的紫外線，分解產(chǎn)生活性基團(tuán)，引發(fā)成膜物質(zhì)的聚合反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而使涂層固化。

紫外線固化具有涂層固化速度快、涂膜質(zhì)量好等特點(diǎn)。但是。此種方法只能用來干燥水性UV涂料，并且只能干燥成平板狀的家具涂飾板件。

5紅外線干燥

紅外線固化可以用來干燥水性木器涂料的涂層。所謂紅外線固化實(shí)際上是指被涂飾的家具板件及其涂層在紅外線的照射下，吸收輻射能量并被轉(zhuǎn)化成熱能，從而實(shí)現(xiàn)涂層的固化。

紅外線是一種不可見射線，介于可見光和微波之間，波長為0.72-1000um。按波長范圍分，可以分為“近”、“中”、“遠(yuǎn)”紅外線，常用遠(yuǎn)紅外線干燥涂層。

紅外線固化具有固化速度快、升溫迅速、固化質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但是用紅外加熱干燥涂層時(shí)，涂層存在著明顯的溫度梯度，它的干燥是由表面向內(nèi)部延伸的，這就使得它不適合用于干燥較厚的涂膜;紅外線干燥只能加熱紅外線能夠照射到的區(qū)域，不能用來干燥立體的物件。

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審核編輯 黃昊宇