木家具用水性涂料涂层干燥方式与建议

水性涂料的涂层干燥是保证涂饰质量的需要，是整个涂饰过程不可缺少的工序，直接影响到生产成本和工效。涂层在什么条件下进行干燥，对最终产品的质量影响很大。涂层干燥不合理，漆膜会产生光泽差、桔皮、针孔等缺陷，严重的会在漆膜内部存在内应力，使漆膜附着力降低；在使用中产生裂缝，失去保护装饰作用，难以保证漆膜性能稳定与获得良好的装饰质量。同时，涂层干燥是一项经常重复而又最费时的工序，所以，在现代生产中，如何加速涂层干燥，不仅关系到缩短生产周期和节约生产面积，而且也是实现施工连续化和自动化必须解决的技术关键问题。因此，为了保证涂饰质量和提高涂饰工效，研究水性涂料涂层的干燥方式具有重要的意义，是提高干燥效率的重要途径，也是发展生产的重要问题，具有重要的应用价值。

木家具用水性涂料是以水为介质的涂料。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，水性涂料在干燥过程中主要是水分的挥发。下面就水性涂料的成膜过程及水分挥发过程进行阐述。

一、家具用水性涂料的成膜过程研究

水性涂料的成膜过程是一种分子链凝聚现象，一般可以分为3个步骤：水分挥发、粒子变形和粒子合并。施工后，首先是水分挥发，当水性涂料的乳胶微粒占胶层的74％（体积）时，微粒相互靠近而达到密集的充填状态；其次，水分继续挥发，聚合物微粒子变形，毛细管压力高于聚合物微粒的抗变形力，微粒之间产生压力，介质挥发越多，这个压力越大，而后凝集、融合形成连续的涂膜；最后，水分继续挥发，当压力达到能使每个微粒中分子链扩散到另一微粒分子链中去时，聚合物分子链逐级逐渐相互扩散，使膜均匀化，就完成了固化干燥过程。

二、水分挥发过程研究

从理论上分析，水性涂料的水分挥发过程符合由表及里的垂直干燥理论。该理论认为水性涂料成膜时水分的挥发可分为3个阶段，第一阶段，树脂颗粒进行着无规则的布朗运动，水分与在纯水中一样沿着水—空气界面以相同的挥发速率挥发；进入第二阶段后，树脂颗粒赖以悬浮的介质减少，使得树脂粒子之间相互靠近、堆积和聚结，引起水—空气界面收缩，使得水—空气界面的总面积减小、水分的挥发速率快速下降；到最后阶段，水分的挥发速率不断降低，剩余的水分通过膜中的毛细管道扩散到涂膜—空气表面挥发出来。整个过程由树脂颗粒的表层逐渐向内部发展，水分的挥发速率因水分的不断减少、水分由粒子之间的间隙传递转变为通过聚合物传递而降低。

三、干燥方式

木材的干燥过程是水分逐步排除木材内部的过程，而家具用水性涂料涂层的干燥在很大程度上是把水分逐步排除涂层内部的过程，从一定意义上讲，两者有一定的相似之处。所以，在进一步研究木家具用水性涂料涂层的干燥方式时可以借鉴相对成熟的木材干燥方式。在木材干燥领域，自然干燥、热空气干燥、微波干燥、紫外线干燥、红外线干燥、太阳能干燥、高频干燥、联合干燥等方式在理论上皆适用于水性涂料涂层的干燥，只是需要研究各种干燥方式在水性涂层干燥应用中的具体技术参数。

影响水性木器涂料干燥速度的主要因素是环境温度高低、相对湿度的大小、漆膜厚薄以及气流流动的快慢等。伍忠岳等认为水性木器涂料实现流水线涂装，可以加快干燥速度、提高涂膜硬度、降低VOC及避免“干燥慢”带来的诸多弊端。蔡佳斌等对微波干燥在聚氨酯水性木器涂料中的应用进行了研究，研究表明经过微波干燥之后水性涂膜中的水分脱除了90％，而同样时间内烘箱干燥则只能脱除总水分的约50％。微波干燥后涂膜立即达到了实干，可以进行打磨，能够叠放、包装。

不同的干燥方式对水性涂料的干燥速度和成膜质量有着明显的不同，下面就水性涂料的各种干燥方法概述之。

1、自然干燥

水的蒸发潜热很大，达到2457.7KJ/Kg，水性涂料涂层的水分挥发需要吸收大量的热量。水分的挥发受大气温度和湿度及风速的影响，挥发速度随着温度的升高而增加，随着空气湿度的增加而降低，随着风速的增大而变大，这是因为温度升高，分子热运动更加剧烈，液体水分子更容易摆脱其它水分子的吸引而变成蒸汽分子。但随着空气湿度的增加，空气中的水蒸汽所占的比重增加，水蒸汽的分压力增加，在单位时间内使更多的水蒸汽分子变成液体水分子，因此，水的挥发速度随着空气湿度的增加而减小。风速越大，单位时间内从挥发表面带走的水分子越多，所以挥发速度越快。

自然干燥具有方法简单、应用广泛的优点，但同时具有干燥速度慢的缺点。在自然条件下，温度和湿度及风速是不断变化的，干燥速度及成膜质量不稳定。如果在高温高湿或湿度比较大的情况下，涂层容易发白，干燥速度较慢。在低温下，干燥速度很慢；特别是在5℃下，水性涂料难以成膜。这些都是制约水性涂料推广应用的重要原因。

2、热空气干燥

热空气干燥是采用对流原理，以温度为40～60℃的热空气为载热体，将热能传递给工件表面的涂层，涂层吸收能量后固化成膜的加热干燥方法。常用电或蒸汽作为热源，先使空气加热，热量通过对流形式由热空气传递给涂层表面，使涂层得到快速干燥。

采用热空气干燥时，涂层周围的热空气是加热介质。涂层总是具有一定厚度的，热量要从涂层表面传递到里层边界，需要一定的时间。传热的速度，取决于涂层的厚度及其导热能力。因此，对流加热时，涂层表面总是先被加热。干燥初期，表层的水分挥发最强烈，涂层的固化也是从表层开始的，随后逐渐地扩展到底层，致使底层最后干燥。

采用热空气干燥工艺，可以明显加快涂层干燥速度，并具有适应性强的特点，是应用较为广泛的一种干燥形式。在大型的家具厂，热空气干燥线是当前溶剂型涂料强制干燥的主要形式，改用作干燥水性涂料，因水性涂料的干燥时间长，一方面需要对干燥设备进行研究，另一方面需要研究干燥工艺。干燥线各处的温度、湿度、工件的运行速度（干燥时间）及通风条件等对保证干燥质量和最终的漆膜质量至关重要。

3、微波干燥

微波是指波长为1mm-1m，频率为300MHz-300GHz，具有穿透性的电磁波，常用的微波频率为915-2450MHz。

微波加热利用的是介质损耗的原理，而水的介电常数比干物质大得多，电磁场释放能量的绝大部分被涂料中的水分吸收。

微波场以每秒几亿次的高速周期性地改变外加电场的方向，使水分子迅速摆动，产生显著的热效应，从而使涂料内部和表面的温度同时迅速升高。微波加热的优点在于干燥速度特别快，不同的物质对于微波具有选择性吸收；对于被干燥物件没有形状要求；对于涂膜的加热很均匀，不存在温度梯度，可以干燥厚膜。对于水分子，频率2450MHz的微波具有最佳的能量转化和损耗的平衡。该频率的微波可以穿透30mm厚度的水层，可以用来干燥各种厚度的水性涂料涂层。

4、紫外线干燥

对于水性UV木器涂料，可以采用紫外线固化的干燥方式。所谓紫外线固化是指水性UV木器涂料在波长为300-400nm的紫外线照射下进行固化的干燥方式。

在水性UV涂料中含有少量的光敏剂，在紫外线的照射下，光敏剂吸收特定波长的紫外线，分解产生活性基团，引发成膜物质的聚合反应，形成网状结构而使涂层固化。紫外线固化具有涂层固化速度快、涂膜质量好等特点。但是。此种方法只能用来干燥水性UV涂料，并且只能干燥成平板状的家具涂饰板件。

5、红外线干燥

红外线固化可以用来干燥水性木器涂料的涂层。所谓红外线固化实际上是指被涂饰的家具板件及其涂层在红外线的照射下，吸收辐射能量并被转化成热能，从而实现涂层的固化。

红外线是一种不可见射线，介于可见光和微波之间，波长为0.72-1000um。按波长范围分，可以分为“近”、“中”、“远”红外线，常用远红外线干燥涂层。

红外线固化具有固化速度快、升温迅速、固化质量好等优点，但是用红外加热干燥涂层时，涂层存在着明显的温度梯度，它的干燥是由表面向内部延伸的，这就使得它不适合用于干燥较厚的涂膜；红外线干燥只能加热红外线能够照射到的区域，不能用来干燥立体的物件。

四、建议

木家具用水性涂料的推广和应用十分困难，要想彻底摆脱推广难的困境，必须在涂装工艺方面进行革新。家具用水性涂料要想替代溶剂型涂料，提高干燥速度特别重要，实行强制干燥是提高干燥速度和保证干燥质量的有效方法。重视木家具水性涂料干燥方式尤其是强制干燥的研究是涂装工艺研究和开发的关键。

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