作者：周广昊，张凯，王一建，钟金环/五源科技院士工作站；胡宏辉，张浩崇/五源科技集团·浙江五源科技股份有限公司
目的：应用功能复合材料制备原理，探讨木制品涂装前处理界面理论，根据木制品宏观与微观界面需要进行的保护要求，设计了一种基于有机偶联剂的水性双组份红外反射隔热涂层作为木制品的底涂，为获得常温粉末静电喷涂，确保涂层的均匀性，在底涂的基础上，涂覆一层水性导电复合涂层。
试验：用微波快速干燥法可以恒定木制品/MDF人造板木制品的含水率，并使MDF人造板甲醛释放量降低。对复合涂层砂光后涂层表面粗糙度3-8μm，适宜于粉末静电喷涂。用拉开法测定涂层与基材的附着力测试，超声波涂层厚度测试方法检验其厚度。结果表明水性底涂隔热效果较普通水性涂料/封底粉末温度降低15℃，可保持基材表面温度<100℃，避免基材出现粉末涂层起泡、开裂现象，导电涂层表面电阻104-7Ω，粉末涂料均匀涂覆，避免了预热法表面水分分布不均匀造成环境温度、湿度变化，而影响粉末喷涂及涂层质量问题。涂层附着力实验表明在3Mpa的拉力作用，涂层与基材产生剥离（基材内聚力破坏）。
结论：采用红外反射隔热水性底涂，粉末>160℃×8min内热固化，基材温度可以确保<100℃，基材含水率恒定6-8%，防止木制品基材水分蒸逸诱发粉末涂层固化时的起泡/针孔/开裂现象，水性导电中涂性能良好，满足粉末静电喷涂要求，因此采用水性红外反射隔热与导电复合涂层可满足木制品粉末喷涂前处理的生产技术要求。
概 述
木制品表面粉末涂装技术开发已经有20多年历史，由于木制品属于热敏基材，干性木材介电常数等受含水率、密度纹理方向、频率等多种因素影响，对其粉末涂装的成品率影响很大。热敏基材的粉末涂装是项系统工程技术，涉及到材料（基材/涂料），工艺（涂装前处理与粉末喷涂及固化工艺），装备（智能化控制），生态环境控制（三废处理）等影响因素。近年许多企业投资MDF人造板板式家具粉末涂装生产线，由于粉末静电喷涂过程涂层出现橘皮、开裂、气泡、针孔、涂层不匀、厚边、露底等现象，整体固化度不易，且低温粉末（<130℃）储存问题，造成木制品粉末涂装项目成品率在30-60%，投资企业生产不稳定，亏损严重。项目实施中认为“前途是光明的，道路太曲折了”。经过市场调研，本文认为木制品粉末涂装成功率，粉末涂装前处理因素对产品合格率影响占六成以上（见表1），本文试针对木制品粉末涂装前处理进行探索与讨论。
技术原理
木材宏观界面保护与改性
木材表面粉末涂装其目的是
1）保护木材防止环境变化，病虫的侵害，利用表面涂层提高硬度和耐磨性；
2）美化与装饰产品防止MDF板材内甲醛长期释放，对人体身心健康危害；
3）用环保粉末涂装可以达到三废零排放目标。
功能复合材料制备与涂装系统工程（见表2）
上述工艺技术分析，两种方法的核心技术在于基材与表面涂层的界面问题。
木材与涂层界面基本理论分析
（1）木材的宏观界面
根据《木材学》仅乔木木材，包括针叶材（也称软才）和阔叶材（也叫硬材）一颗乔木活树由树冠，树干，树根三个部分组成。树冠由树叶树枝组成，占立木体积的5-25%，树根也占立木体积的5-25%，剩余部分为树干占50-90%，通常木材来源为树干，因此，木制品的基材的三大特征为孔隙性，吸湿性和各向异性。MDF人造板作为二种天然木材的替代材料，但由于成型过程使用胶黏树脂，使其存在甲醛释放等弊端。
（2）木材的微观界面分析
研究木材的构造时，通过显微镜观察木材的任何一部分个都是由很多蜂巢状的小腔室组成，这些小腔室称为细胞，各种细胞，不论是以管胞为主要组成部分的针叶材或者是以木纤维为主要组成部分的阔叶材，它们的一切性质都和细胞有关。因此，应对细胞壁的微观机构的了解，才能掌握木制基材的性质和变化规律，其中木材中的水分影响对粉末涂装起到十分重要的因素。
（3）木材的水分
木材中的水分主要由自由水，吸收水和化合水三种组成，存在与细胞腔中的水分叫自由水，影响木材的重量，而不影响木材的性质；存在于细胞壁中的水分叫吸着水，它的变化使木材产生收缩和膨胀；存在与木材组成的化学成分中的水分叫化合水，这种水分很少在干燥过程中没有变化。当木材含水率达到纤维饱和点以下时，木材的强度将随含水率的减少而提高，当木材含水率在纤维饱和点（fsp）以上时，木材导电性为常数，电阻基本恒定不变；当含水率在fsp以下时，木材导电性与含水率正相关。目前粉末喷涂工艺均采用预热基材的水分控制决定表面电阻。
（4）基材与底涂界面原理
木制品表面粗糙多孔，在涂料涂装时受木纤维、毛细孔影响，容易诱发坍塌、起泡等缺陷，因此在涂装前需对木制品表面进行预处理。木制品使用环境的温度、湿度木制基材含水率影响很大。
当涂料涂饰木材表面时，涂料聚合物就黏附在木材表面，木材表面是一个不规则的多孔性表面。图1是木材表面形态的一种模型图，可看出木材表面有很多被切断的凹凸不平的微细小孔，暴露于木材外表面，组成了粗糙的木材表面。当涂料涂覆后，根据构成涂料聚合物的种类、分子量以及所用溶剂种类，涂料在木材表面上的吸附量也会是有差异的，不同被聚合物吸附的情况如图1（右）所示。当涂料中的溶剂是极性溶剂时，木材细胞壁吸收溶剂膨胀。当木材试样浸渍在聚合物溶液中，木材对溶剂的吸附量和对聚合物的吸附量不一致，且与聚合物结合不牢固的溶剂就会向木材内部渗透，即图1(右)-W1，与聚合物牢固结合的溶剂部分就吸附于聚合物附近，即W2。聚合物由于分子量大，不能通过木材细胞壁间小孔而与聚合物相结合的溶剂一起被吸附于木材外表面，在涂料干燥成膜时，吸附于木材外部表面的溶剂首先向空气中挥发，聚合物以涂膜形式留在木材表面，而被木材深层吸收的溶剂则在涂料的干燥和使用过程中缓慢释放。
图1：木质基材表面模型（左）及其与聚合物结合示意（右）
涂料溶液涂布于木材表面时：木材表面首先被涂饰的涂料所湿润；涂料开始向粗糙的木材毛细管和道管等表面渗透；木材细胞壁在吸收涂料溶剂时，涂料粘度开始上升，并阻止涂料进一步向木材的细胞内部渗透，留在木材表面上的涂料聚合物便形成一层涂膜。由于涂装基材为非金属热敏材料，因此可应用红外加热快速固化方法解决。
实验方法
前处理工艺
木制品基材（素板） MDF/E1（橡胶木/松木）基板→打磨/砂光（表面粗糙度5-10μm→微波恒水工序（一般含水率10-12% 6-8%）→水性红外隔热底涂（辊涂厚度20-30μm）→红外热风快速干燥（工件表面温度<110℃×3min）→辊涂中涂水性导电涂料（涂层厚度5.0-6.0μm）→红外热风快速干燥（工件表面温度<110℃×3min）→打磨/砂光处理400#砂纸→粉末涂装工序
实验主要设备
（1）水性涂料单轴辊涂机w1200江苏吴江机械设备有限公司
图2 滚涂机
（2）自动直线砂边机型号MF350砂边厚度10-60mm 青岛机械有限公司
图3 砂边机
（3）热风红外烘道 110℃×3-5min
测试仪器
（1）表面电阻仪 FORANT（德国）
图4 表面电阻仪
（2）木材水分测试仪 KLORTNER KT-508
图5 木材水分测试仪
结果讨论
微波法恒水试验
实验结果表面木材微波恒水是一种有效快速的方法，控制在频率915MHz，功率20-30kw，微波电磁场作用于木材中的极性分子（含水分子和木材实质中的极化分子）完成能量的转换，使木材整体温度升高，同时木材水分、MDF人造板甲醛释放快速蒸发。
表3中数据表明控制合适的微波功率与板材的温度可以快速干燥基材的水分，实验中应注意防止木材内裂，通常是在木材含水高于纤维饱和点时出现。当微波恒水干燥时，在木材干燥初期连续输入过量的微波能时，木材内部会产生大量的水蒸气，过高水蒸气压力降使木材内部沿木射线方向开裂，导致内裂发生。在木材棱边和内部都会发生。这是因为低含水率的木材过分暴露在过大的微波场中导致木材过热而引起的，因此在恒水干燥应严格控制微波输出功，辐射时间，改善电磁场的均匀性，恒定板材水分6-8%之间但放置板材的水分过低4%会出现内裂现象。
红外反射隔热功能涂层
（1）红外反射隔热涂料特征
为分析木制品基材在红外辐射中的热变化，应用红外反射技术原理进一步对木质基材的红外吸收光谱进行分析。根据红外辐射加热理论和能量守恒定律，红外辐射热由三部分组成：
Q辐射源=Qα+Qτ+Qρ
式中 Q辐射源 Qα：物体吸收能 Qτ：物体反射能，Qρ：物体穿透能。
木材的表面吸收峰集中于2.9μm，7-10μm，而在3.3-6.8μm、10-14μm波段表面吸收很少，大部分红外辐射穿透进入木材内部。木材中的水分的吸收峰2.8μm、5-8μm、13-16μm。
从水性涂料功能性设计，选择一种反射功能涂料，可认为：
Q辐射源=Qτ， 即Qα=0、Qρ=0
其红外反射的特征是无能量转化为热量，入射的波长经反射后其波长不变，在非反射时只有方向改变。由木器涂料红外光谱图（图6）分析，可认为该涂层可实现红外发射隔热。
从水性烘干干燥分析分二段，第一段红外热风联合水分快速干燥，第二段红外辐射源90℃与热风涂层固化成膜。
通过红外反射功能涂料封闭MDF基材，在红外辐射加热条件下，可以明显地看出，添加了功能添加剂（ADD#2）的涂料涂覆于MDF基材后，采用美国开源KEY-2红外辐射器加热其基材表面，加热功率3kw，间距200mm，经红外热成像仪测定，结果见图7，表明该红外反射涂层对红外辐射具有良好的反射、隔热作用，可以降低涂层表面温度约20℃，与MDF素板（未涂覆）对比样的温度差控制在≤10℃，即说明在后续粉末涂装并进行固化时，可以基材受热影响变小，减少MDF板材翘曲、变形的可能性。图8则显示了MDF涂装红外反射涂料后的红外反射效果，易知未添加红外反射添加剂的对比样在红外辐射时，漆膜表面容易鼓泡，而添加红外反射添加剂涂料涂膜外观则无瑕疵缺陷。
（2）导电底涂/导电交联剂预处理
导电底涂：表面电阻104-7Ω，红外+热风干燥120℃×5-10min；水性导电交联剂表面电阻 106-8Ω，热风干燥，可应用于木制品喷涂前导电处理的规模化生产。MDF基材的导电预处理层可实现在常温下进行粉末静电喷涂，可避免了其它导电预处理方法的弊端。
木制品基材与复合涂层附着力的评定
复合涂层与木制品基材附着力
木制品基材与复合涂层附着力的实施是一种界面作用力，复合涂层的附着力则有其特性，复合涂层的附着力包括：复合涂层与木制品基体表面的附着力，以及复合涂层之间的凝聚力，两者在涂层与基体整个体系中缺一不可，即为功能复合材料制备界面问题，可见复合涂层要求与木制品形成牢固的附着。
试板MDF打磨砂光后，先用红外反射隔热涂料，辊涂水性红外反射涂料固化后，再辊涂水性导电涂料形成复合涂层，烘干固化后，采用拉开法附着力测试评定涂层与基体附着力。
木制品基材/符合涂层附着力评定
（1）性能测试及组织观察
本次试验选择数显拉开法附着力测试仪，该设备试验原理是：试验样品以均匀厚度施涂于表面结构一致的平板上，涂层干燥固化后，用胶黏剂将试柱直接粘结到涂层表面上。胶黏剂固化后，将试验组合置于设备检测仪上，测试仪通过液压泵将试柱均匀且不超过1Mpa/s的速度从涂层拉脱，所需要的力通过仪器的液晶屏直接显示出来，从而测试出破坏涂层或者底材间附着所需要的力。
测试结果图中用破坏界面间（附着破坏）的拉力或自身破坏（内聚破坏）的拉力来表示试验结果，附着或内聚破坏有可能同时发生。
（2）功能复合涂层与木制品界面失效分析
MDF木制品涂装其涂层对基体的附着力是最重要并取决于产品性能，涂层的防护性能主要决定于涂层对基体表面的附着力，故附着力的好坏直接影响了涂层有效使用和工作寿命。
有机涂层对基体的附着力包括有涂层本身的内聚，可见在涂装体系的有效试用期内，涂层必须牢固的粘合在基体上，根据附着力和内聚力相对强度的不同，以及基体的性质，有机涂层的破坏有三种基本形式，即附着力破坏，内聚力破坏和基体破坏。所谓附着力破坏是指涂层的内聚力强度大于附着力强度，涂层本身在内部结合成为整体，这是发生的破坏是涂层从基体分离，图10所示所谓内聚力破坏是指涂层的内聚力强度小于附着力强度，涂层在其自身内发生破裂，留下部分涂层粘合在基体上，使基体仍未暴露出来，如图10所示。
将样板与试柱一起放入烘箱，用60℃烘2h对胶黏剂进行加速固化，胶黏剂固化后，把试验组合置于拉力试验机下，小心地定中心放置试柱，使拉力能均匀地作用于试验面积上而没有任何扭曲动作，在与涂漆底材平面垂直的方向上施加拉伸应力，该应力以均匀的且不超过1Mpa/s的速度稳步增加，使破坏过程在90s内完成。数据结果分析见表4，各试验破坏表面如图12-18所示。结果表明喷涂符合涂层后，界面用拉开法可满足木制品粉末涂装前处理的技术要求。
结 论
· 涂装系统工程技术与功能复合材料制备相同，核心关键技术是界面问题；
· 为确保木制品水份恒定6-8%，可以微波法恒定水分；
· 水性红外反射隔热底涂与木制品水性导电复合涂层表面电阻104-7Ω；
· 复合涂层与木质基材界面之间的拉开法附着力良好，当拉力超过3MPa时，木材基材内聚力破坏。
参考文献
[1] 封凤芝，封杰南，梁火寿. 木材涂料与涂装技术[M].北京：化学工业出版社，2008.
[2] 周师岳. MDF粉末涂装技术[J].涂料技术与文摘, 2016, 37(3):37-40.
[3] Pedro Henrique Cademartori, Wido Schreiner, Washington Magalh？es, Facile one-step fabrication of highly hydrophobic medium density fiberboard (MDF) surfaces via spray coating[J]. Progress in Organic Coatings, 2018(125):153-159.
[4] 宋心琦，周福添，刘剑波. 光化学：原理• 技术• 应用[M]. 北京：高等教育出版社，2001.
[5] 王一建，骆剑，费海峰，等. 人造板粉末涂装红外加热快速固化技术[J]. 涂料技术与文摘，2016，37(8)：19-27.
[6]钟金环，杨岩，王一建. MDF板材高光粉末涂装工艺技术探讨：2018中国粉末涂料与涂装行业年会论文集[C]. 常州：中国化工学会涂料涂装专业委员会，2018：503-505.
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