方俊（黄山华佳表面科技有限公司）
摘要：从表面电阻,含水率,传热效率等角度阐述了中密度纤维板(MDF)与传统金属基材的差异,并对红外和热风循环两种板材预热方式进行了对比.试验表明,中波红外波长可与粉末涂料中的反应基团相匹配,研发的低温固化粉末可以在MDF板上实现红外130℃/5 min快速固化,涂层性能满足国家和行业标准.
关键词：低温固化 MDF MIR中波红外 粉末涂料
引言
中密度纤维板（MDF）是以木制纤维或其他植物纤维素为原料，施加脲醛树脂或其他胶粘剂经高温热压后制成的密度在0.5~0.8g/cm3范围内的人造板材。
MDF板材内部结构均匀，密度适中，尺寸稳定性好，形变量小，内部粘结强度大，握钉力好，具有优异的力学性能，使其更适于制作各种复杂的木制家具产品，是室内木制家具应用最广泛的材料。
目前MDF板材的装饰工艺主要有低/高压三聚氰胺贴面、塑料膜贴面、单板贴面、油漆纸贴面、油漆喷涂。
在使用过程中，贴面树脂中的游离甲醛将释放，这将给居住和工作环境带来较大的危害。
国际癌症机构将甲醛定义为一级致癌物，鉴于相关法律、法规对VOC排放日趋严格，人们环保意识提高及对健康居住环境的渴望，对MDF家具环保施工的渴望越来越强烈。
近年来，由于粉末涂料具有接近零VOC排放的优点，是涂装、涂料行业快速发展的领域，在当前国家绿色环保、可持续发展的背景下更驱动了它的快速发展。
但普通热固性粉末涂料的建议施工温度多在160~200℃，若将此类粉末涂料直接应用在热敏基材如MDF、塑料、电气元件上，高温烘烤会对基材造成难以修复的损伤。
如当温度＞140℃时，MDF内部材料就会受损开裂，这也势必限制了粉末涂料的应用推广。
近年来，随着低温固化（120~140℃）粉末涂料的研制成功，IR固化方式的革新，MDF用粉末涂料正处于产品生命周期的快速发展阶段。
1 MDF板材的选择
粉末涂料应用在传统金属基材的施工工艺已经非常成熟，具有优异的工艺控制水平。与金属基材相比，MDF有很大的差异。
因此在对MDF粉末静电喷涂之前应全面了解其特性，如导热性、导电性、含水量，另外还要关注板材的密度、厚度、粘合强度、纤维种类、批次稳定性。具体见图1。
1.1 MDF板材的导热性
表1是MDF和其他材料的导热系数对比，MDF与金属基材最大的差异在于热导率，只有0.07W/m·K，与石棉相当。
我们知道，石棉是优异的隔热材料，是热的不良导体。若用传统的热风循环方式对MDF加热，要达到粉末要求的固化温度，需要花费相当长的时间。
极低的传热系数导致在加热过程中板材内部存在较大的温度梯度，中心温度和表面温度差异很大，受热不均，极易造成MDF变形、膨胀、开裂。
1.2 MDF板材的含水量和导电性
电阻＜10^5Ω为导体，＞10^10Ω为绝缘体，MDF的导电性和含水量相关联，在室温下，湿MDF板表面电阻＜10^2-5Ω为导体，导电性好；
干MDF板材的表面电阻＞10^12Ω为绝缘体，不导电，所以MDF处于绝缘体和导体之间。要实现MDF板静电喷涂，对板材做带电性处理是关键。
文献中表述，若板材含水率过高，水分挥发量过大易造成涂层固化时出现针孔、起泡和开裂等现象，若含水率过低，木材表面电阻过大，上粉差，而且板材易受热变形。
2 固化方式及IR匹配
传统的热风循环加热方式是通过热空气对流缓慢均匀地加热炉体内部，并逐渐传递能量给工件，使工件均匀、缓慢的提高温度来完成粉末固化过程。
而红外辐射技术是穿透粉末的表层同步加热粉末内层，均匀快速地内外层同步加热粉末，可有效缩短固化时间。
MDF的低热导率特性决定了传统的热风加热方式并不适用于粉末涂料的固化。
红外（IR）是光谱波长大于可见光的一段，分为近红外、中波红外、远红外3个波段，划分如表2所示。
根据红外波长功能分析，长波红外对粉末涂层表面加热；短波红外可穿透粉末涂层到达MDF基材，不仅会导致MDF内部水分受热从涂层表面逸出，影响涂层外观而且还会导致板材开裂；
中波红外可提供粉末固化所需要的能量，且不会损伤底材，且与粉末匹配。
根据粉末涂料的红外吸收光谱（图4、图5），羧基封端的聚酯树脂在波数为4000~400cm-1区间有较明显的红外吸收峰。
如在谱图4中的特征吸收峰3445.76cm-1处是羟基O-H的伸缩振动吸收峰；2964.1cm-1处是甲基C-H伸缩振动吸收峰；
1508.91cm-1处是双酚A结构中，对位取代环骨架振动吸收峰；827.21cm-1处是苯环上对位取代C-H面外弯曲振动吸收峰。1508.91cm-1和827.21cm-1处是双酚A环氧树脂的特征吸收峰。
谱图5中，3435.69cm-1处是端羧基聚酯树脂羟基O-H的伸缩振动吸收峰；2968cm-1处是甲基上C-H伸缩振动吸收峰；
1722.98cm-1处是酯基C=O的伸缩振动吸收峰；1410.45cm-1、1377.03cm-1处是相邻两个甲基弯曲振动吸收峰，如新戊二醇；
1268.38cm-1处是对苯二甲酸C-O-C不对称伸缩振动吸收峰；1016.11cm-1、727.74cm-1处是酯基中苯环对位取代吸收峰，因此有对苯二甲酸结构。
图6是户内聚酯/环氧混合型粉末涂料的红外谱图，图中828.44cm-1和1509.1cm-1处是该系列粉末涂料的特征吸收峰；
当该波数内的红外辐射光谱频率与粉末涂层中的原子基团吸收频带对应时，则该辐射直接作用于化学键，各化学键将吸收红外辐射能，发生共振。
共振使分子内能迅速聚集，加速环氧基断裂开环后与聚酯树脂中的羧基产生交联。表3是常见基团的吸收波长。
3 施工工艺
粉末涂料在MDF板材上的施工工艺大致如图7。在带电性处理之前应对板材进行处理，木材的前处理有别与对金属基材进行的如磷化、钝化等化学处理。
应选择合适目数的砂纸对MDF板材的表面、边缘进行打磨，再用气枪吹净，确保板材表面无沙粒、纤维残留，并重点关注板材边缘，将锐利边角磨圆，增加粉末对边缘部位的上粉。
据参考文献，对MDF板进行预热处理内部水分将蒸发到板材表面，使板材表面电阻降低，进而增加板材的导电性，使粉末更易于喷涂。
分别对MDF板材进行IR100℃/2min和热风循环100℃/2min的对比，其中0~2min为预热阶段，2~12min为冷却阶段。
图8、图9、图10分别是经不同预热方式后板材表面电阻(GB/T1410-2006)、表面温度、表面含水率（GB/T1931—2009）的测试数据。
从以上试验结果看出，IR预热的热传递更快，样板表面在2min之内就达到了100℃；但MDF表面的含水率无明显的改变，维持在7%~7.5%之间；表面电阻从10^12降低至10^10。
而以热风对流循环的方式对MDF板材预热后，板材表面温度从26.5℃先上升至40.2℃后逐渐降低至28.6℃；表面含水率在7%~7.5%之间；表面电阻变化较少，维持在1011~1012之间波动。
分别将红外预热和热风循环预热2min后的MDF样板做静电喷涂测试，在挂钩和边角区域膜厚较薄，存在明显的屏蔽不上粉现象，样板表面的膜厚不均匀，波动较大。
采用预热的方式对MDF进行电性处理，两次重复加热会对MDF板材造成损伤，不建议使用。
4 MDF粉末涂层性能检测
采用水性导电液处理后，MDF板材表面电阻降低至106Ω，MDF板材静电喷涂粉末涂料，经红外130℃/5min固化，依据标准对涂膜性能进行检测，性能指标如表4所示，综合性能和油漆基本一致，可以满足家具行业的一般应用。
5 结语
与液体涂料或三聚氰胺贴面纸相比，对MDF板进行粉末涂料静电喷涂，可以有效解决家具涂装、成品使用过程中VOC及甲醛的释放，是一种真正环保型的涂装方式。因中波红外线波长与粉末涂料相匹配，可以在不损伤基材的同时，粉末涂层达到完全固化。合理的板材前处理对MDF板材进行含水率和电性控制是必要的。MDF粉末喷涂能否商业化生产，粉末涂料的性能只是其中很少的一部分，在MDF静电粉末喷涂广阔的市场前景上，粉末涂料生产企业希望可以和板材供应商、喷涂设备供应商、家具制作终端企业强强联合，共同推进家具涂装的健康发展。
参考文献
1、王延飞，韩春辉,金东.中波红外加热技术在空气滤清器用面漆固化中的应用[J].涂料技术与文摘,2016,37(5):
17-19.
2、窦心涛，周师岳.MDF人造板粉末静电涂装技术[J.]涂科技术和文摘,2014,35(3):42-46.
源自《涂层与防护》2020年
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