文/李博1，吕斌1，张挺2，郑智华2，彭晓瑞1
1中国林业科学研究院木材工业研究所；2索菲亚家居股份有限公司
摘要：粉末涂料静电喷涂技术在木质家居产品中逐步推广应用，其喷涂饰面的定制衣柜、橱柜、墙板等产品受到消费者青睐。本文归纳总结了粉末涂料静电喷涂工艺流程、粉末涂料特性以及粉末涂料静电喷涂对木质基材的性能要求，提出了粉末涂料静电喷涂技术在木质家居产品领域进一步推广应用的建议。
关键词：粉末涂料；静电喷涂；木质家居产品；纤维板；涂饰
Application and Prospect of Powder Electrostatic Spraying Technolony in Wooden Houshold Products
Li Bo1, Lyu Bin1, Zhang Ting2, Zheng Zhihua2, Peng Xiaorui1
1.Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2. Suofeiya Home Collection Co. Ltd., Guangzhou 511358, China
Abstract: In recent years, the powder electrostatic spraying technology has been gradually popularized and applied in wooden household products. Customized wardrobe, cabinet and other products coated with powder electrostatic spraying technology have been widely favored by consumers. The process flow of powder electrostatic spraying, characteristics of powder coatings and base material were summarized. The suggestions on the further promotion and application of powder electrostatic spraying technology in the wooden household products industry were put forward.
Key words: powder coatings; electrostatic spraying; wooden household products; fiberboard; coating
0 前言
粉末涂料静电喷涂技术在汽车、家电等工业领域取得广泛应用，以其高效（Efficiency）、优良涂膜性能（Excellency）、环保性（Ecology） 和经济性（Economy）的“4E”特点成为一种具有优势的表面涂装技术。
随着我国社会经济的快速发展及人民生活水平的不断提高，消费者对于木质家居产品的外观质量和环保性能提出了更高的要求，粉末涂料静电喷涂技术开始引起大型家居企业的关注，一些龙头企业开始探索性地应用了这项技术。
粉末涂料静电喷涂技术对于基材均匀性、导电性、热稳定性等方面要求较高，在木质家居产品领域，只有以人造板为基材并且通过合理预处理的部件，才能够实现稳定、低返工率的粉末涂料静电喷涂。系统梳理粉末涂料静电喷涂技术的主要特征以及对人造板基材的性能要求等，为这项技术在木质家居产品领域的进一步推广应用提出建议，以期为业内相关人员提供参考。
1 粉末涂料静电喷涂工艺流程
木质家居产品粉末涂料静电喷涂的工艺流程，如图1所示。木质家居产品粉末涂料静电喷涂的部件，多以板类部件为主，主要分为平板件和造型件两大类。其中，造型件的造型多在板件侧边出现，即在板件侧边通过铣型加工制作拉手结构等造型。根据粉末涂料静电喷涂各工艺环节，可将其分为3段，如图2所示，包括板件机加工、板件预处理和板件喷涂环节。
1.1 板件机加工
板件机加工包括开料、铣型、打磨等工序。目前，开料、铣型、平面打磨均由自动化设备完成，而造型部位的打磨则以人工打磨为主。
1.2 板件预处理
板件预处理常用的方法是利用紫外光固化底漆或水性底漆对板件表面进行涂饰，主要目的是将板件表面进行封闭，防止板件在后续涂层固化过程中受热开裂，同时提高最终产品的表面质量。
1.3 板件喷涂
1）板件预热。
板件在静电喷涂前要经过预热炉预热，表面温度可升至90℃左右。通过加热板件，促进板件内水分向表面迁移，提升板件表面的导电性能，最终提高板件的一次喷涂上粉率。
针对板件预热，杨璠等[1]研究了对流预热、中波红外辐射预热与高红外辐射预热3种预热方式对纤维板含水率、喷涂上粉率等的影响规律；方俊[2]从表面电阻、含水率、传热效率等角度阐述了纤维板与传统金属基材的差异，并对红外辐射和热风循环两种板件预热方式进行了对比。上述研究结果均表明红外辐射是板件预热的较优方式。
2）板件静电喷涂。
静电喷枪头部装有金属环或极针作为电极，接通由高压静电发生器产生的0～90kV可调的负高压后，尖端发生电晕放电并在附近产生大量负电荷。粉末涂料在压缩空气作用下经过输粉管进入静电喷枪，在经过喷枪头部电极的时候带上负电荷，之后粉末涂料飞离喷枪进入空气中。工件通过金属挂钩接地，工件与静电喷枪之间形成静电场。带负电荷的粉末涂料在电场力与气流的共同作用下，向工件移动并吸附于工件表面，粉末涂料静电喷涂过程如图3所示。
在板件静电喷涂过程中，粉末粒径、喷涂距离、供粉气压、静电电压等因素都会对喷涂质量产生影响。陈文龙等[3]基于粉末涂料粒径分布特性，归纳总结出影响静电喷涂一次上粉率和死角上粉率的主要因素，并探讨了高上粉率应具备的粉末涂料粒径分布特性；王晓军等[4]采用正交试验方法，分析得出了纤维板粉末涂料静电喷涂最佳工艺参数为喷涂距离150mm、供粉气压0.05MPa，静电电压60kV。
3）板件涂层固化。
粉末涂料一般是由含有碳链和各种基团的高分子材料组成，中波红外辐射波长最适合粉末涂料的吸收加热，因此目前最常用的涂层固化方式为中波红外辐射加热。
针对板件涂层固化，Thmoas[5]介绍了一种红外线催化技术配合低温热处理促使粉末涂料在纤维板表面快速、有效地结合固化方法，并指出这种方法的涂饰效果接近于金属材料的粉末涂饰效果。王一建等[6]提出了粉末涂装红外辐射波长与能量匹配技术，并将其应用于人造板粉末涂料静电喷涂涂层固化中。
2 静电喷涂用粉末涂料
根据粉末涂料固化成膜机理的不同，粉末涂料主要分为热塑性粉末涂料和热固性粉末涂料两大类。人造板静电喷涂用粉末涂料主要为热固性粉末涂料。热固性粉末涂料主要以聚酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂等热固性树脂及相关固化剂为主要成膜物质，在一定温度下溶融流平后，在固化剂作用下，热固性树脂与固化剂反应交联固化并形成涂层。热固性粉末涂料主要参考标准为HG/T2006-2006《热固性粉末涂料》。
在粉末涂料制备工艺方面，低温快速固化粉末涂料一直是主要的研究方向。目前，人造板静电喷涂用粉末涂料的固化温度为120～150℃，固化时间为3～4min。
美国FERRO公司开发了超临界VAMP粉末涂料制造技术，为低温固化粉末涂料的生产奠定了基础[7]；美国杜邦公司和奥地利老虎涂料公司分别开发出AlestaR UV和TICER DrylacR Wood等木质材料专用粉末涂料[8]；吴正慧等[9]合成了一种液体叔胺促进剂，研究了促进剂用量对粉末涂料固化及涂层性能的影响机理，使聚酯/环氧粉末涂料可在130℃，3min条件下快速固化；王慧丽等[10]合成了适用于低温固化粉末涂料的聚酯树脂，并将其应用于低温固化的聚酯/环氧粉末涂料中。
3 粉末涂料静电喷涂对人造板的要求
目前，粉末涂料静电喷涂应用最多的人造板为纤维板，还有少部分企业开始探索在刨花板上应用这项技术。对于纤维板而言，除了基本的理化性能指标要符合相关标准要求以外，粉末涂料静电喷涂对其还有一些特别的要求如下：
1）纤维板密度宜控制在0.72-0.83g/cm3，密度梯度要小，在厚度方向上的密度尽可能一致。
2）纤维板含水率宜控制在4.5%～7.5%。
3） 纤维板应具有优良的热稳定性，要求纤维板板件在粉末涂料静电喷涂前的预热以及涂料固化过程中，其侧边无裂纹、开裂现象。
4 粉末涂料静电喷涂技术在木质家居喷涂中的优劣势
4.1 主要优势
粉末涂料静电喷涂技术的主要优势体现在生产过程环保、产品环保且漆膜性能优良、生产效率高3个方面，具体如下：
1)生产过程环保。粉末涂料挥发性有机化合物（VOC）含量低于5g/L，在涂装过程中多余粉末涂料可由回收系统收集再利用，利用率达90%左右，满足生产过程环保性能的要求。
2） 产品环保且漆膜性能优良。喷涂后产品无溶剂挥发，无刺激性气味；与传统油漆饰面相比，粉末涂料静电喷涂后的漆膜在硬度、耐磨性、耐湿热、耐干热等方面具有明显的优势；产品表面漆膜外观质量好，适合现代简约风格木质家居产品的表面涂饰。
3） 生产效率高。与传统油漆饰面相比，粉末涂料静电喷涂对工件形状限制小，自动化程度高，生产效率高。
4.2 存在的主要问题
粉末涂料静电喷涂技术在木质家居产品领域应用过程中，主要存在3大问题，一定程度上限制了它的进一步推广应用。
1）板件预处理环节需要UV底漆或水性底漆进行封闭，这个环节会释放一定量的挥发性有机化合物，且生产效率较低。
2） 粉末涂料静电喷涂技术适用的人造板种类较为单一，目前仍以纤维板为最主要的基材，且对其密度、含水率、热稳定性等均有严格的要求，仅有少部分人造板企业能够生产粉末涂料静电喷涂专用的纤维板。
3） 纤维板在预热和涂层固化工序中受热，其内部水分在向表面迁移的过程中，纤维板的边部容易产生开裂，这也是粉末涂料静电喷涂一次合格率仅为85%的主要原因。
5 粉末涂料静电喷涂技术在木质家居中的应用建议
1）研制粉末涂料静电喷涂专用纤维板并制定相关标准，对板材含水率、密度及其均匀性、热稳定性要进行严格控制；研发可直接静电喷涂的纤维板或其他木质材料新产品，克服板件需进行底漆封闭的弊端。
2）创新板件预处理工艺技术，降低板件预处理工序中VOC释放量，提高板件预处理工序生产效率。
3）研制纤维板用超低温快速固化粉末涂料并制定相关标准，优化树脂、固化剂等涂料配方，进一步降低涂料固化温度或固化时间，从而减少纤维板过度受热导致的边部开裂现象。
4）研发适用于木质家居产品生产的粉末涂料静电喷涂专用生产线。木质家居产品具有大规模、个性化定制的特点，板件尺寸差异大，为充分发挥自动化生产线效能，建议粉末涂料静电喷涂生产线设置多种喷涂单元，不同尺寸规格的板件可自动流转到对应的喷涂单元进行喷涂；针对需要返工的板件，建议配置单独的喷涂单元，以保证生产过程的有序可控。
5）创制粉末涂料静电喷涂板件全流程信息追踪系统。现阶段，板件在粉末涂料静电喷涂过程中仍然不可避免会出现质量问题，诸如板件边部开裂、漆膜固化不充分等，导致返工；由于木质家居产品为个性化定制生产，每一块板件尺寸规格均不统一，且粉末涂料静电喷涂过程中存在返工情况，为实现对生产过程的有序管控、实现大规模个性化定制生产，每一块板件均要能够实现实时定位与追踪。
6）创制粉末涂料静电喷涂生产线运行参数及板件质量在线检测可视化平台，一方面可以实现粉末涂料静电喷涂生产线以及板件质量的实时监控，另一方面也可通过生产线运行参数与板件质量历史数据的深度学习实现粉末涂料静电喷涂工艺的优化。
7）针对木质家居产品粉末涂料静电喷涂技术，研制生产过程全流程管控规范与实施细则，指导家居企业进行科学有效管理。
8）通过技术攻关，进一步扩大粉末涂料静电喷涂技术适用的木质材料范围，力争在刨花板、胶合板等木质材料上实现产业化应用。
9）在家居产业园区，广泛建设粉末涂料静电喷涂专用工厂，帮助中小型企业推出粉末涂料喷涂家居产品，进一步扩大粉末涂料喷涂家居产品的市场份额。
6 结束语
在国家力推清洁生产与绿色转型的政策指引下，粉末涂料静电喷涂技术因其在市场、环保、经济效益等方面的优势，在木质家居产品领域的应用已初见规模。本文从人造板基材管控、低温快速固化粉末涂料制备、粉末涂料静电喷涂工艺优化、生产线优化配置与信息化等方面提出了推动粉末涂料静电喷涂技术在家居行业广泛应用的建议，希望对行业从业人员能够有所启发。
参考文献：
[1] 杨璠,万惠玲, 顾宇昕, 等. 中密度纤维板粉末涂料涂装工艺研究[J]. 涂料工业, 2009, 39(7): 52-55.
[2] 方俊. MDF木质家具静电粉末涂装影响因素分析[J]. 涂层与防护, 2020, 40(4): 34-39.
[3] 陈文龙, 胡永俊, 刘煌萍, 等. 基于粉末涂料特性的静电粉末喷涂上粉率影响因素研究[J].涂层与防护, 2021, 41(7): 17-23, 27.
[4] 王晓军, 闫承琳. 中密度纤维板静电粉末喷涂工艺条件研究[J]. 中国人造板, 2011, 18(9): 14-18.
[5] Schmidt Thmoas. Techniques improve for powder coating MDF [J]. Consulting-Specifying Engineer, 2007, 42(2): 6-7.
[6] 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.
[7] Schmidt Thomas. Powder coating medium-density fiberboard: A new approach to success[J]. Powder Coating, 2004, 15(5):18-24.
[8] 张文标, 肖海湖, 吴利军, 等. 木基材料透明粉末涂饰的研究进展[J]. 林业科技开发, 2013, 27(6): 5-8.
[9] 吴正慧, 巴旭民, 王爱成. 中密度纤维板\(MDF\)粉末涂料低温固化技术研究[J]. 涂料工业, 2022, 52(2): 55-59.
[10]王慧丽, 袁辉强, 董亿政, 等. 中密度板(MDF)用聚酯/环氧粉末涂料的制备与应用[J]. 涂料工业, 2021, 51(3):61-66.
本文转载自《 中国人造板 》2023年3月30日
(0)
