文/高徐必
阿克苏诺贝尔功能涂料（上海）有限公司
摘要：中密度纤维板（MDF）是粉末涂装木质家具的主流基材。MDF基材是一种不导电的热敏基材，而粉末涂料需要通过静电涂装的方式再经过高温烘烤完成固化，因此，MDF基材的粉末涂装面临不小的挑战。在行业快速发展的背景下，下游家具厂往往对粉末涂装工艺缺乏系统认知，造成产线布局不合理、生产效率低、良品率低等问题。本研究系统介绍了用于MDF家具液体底漆和低温固化粉末涂料，详细分析了每种涂料的工艺和利弊，综述了MDF家具粉末涂装新趋势，给行业同仁提供参考方向。
关键词：MDF；水性漆；UV漆；低温固化；粉末涂料
Progress in Powder Coatings on MDF Furniture
Gao Xubi
(AkzoNobel Performance Coatings (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201600, China)
Abstract: Medium density fiberboard (MDF) is the mainstream substrate of powder coated wood-based furniture. MDF is a non-conductive thermal sensitive substrate, while powder coating requires electrostatic application and high temperature cure. It is widely known challenge for powder coating application on MDF. With the rapid development of the industry, downstream furniture producers often lack systematic understanding of powder coating process, which results in unreasonable design of production line, low production efficiency and low yield rate. In this paper, the progress of liquid primer and powder coating topcoat specially designed for MDF furniture is systematically introduced and the advantages and disadvantages of each coating are analyzed in detail. Moreover,the new development tendency which will guide the selection of proper coating solutions is summarized and the development directions for MDF powder coatings are provided.
Keywords：MDF；water-based paint；UV paint；low temperature cure；powder coating
0 引言
粉末涂料具有无溶剂挥发（VOC）、回收率高、一次喷涂膜厚高、固化时间短等优点，是公认的5E（环保Environment, 高效Efficiency, 节能Energy, 经济Economy, 赋能Enabling）涂料，在金属基材上的应用非常广泛。MDF板材是一种完全不同于金属的热敏基材，粉末涂料虽然在金属相关工业中有着悠久的历史，但对于MDF基材来说，它仍然是一项相对较新的技术。近几年来，MDF家具粉末喷涂市场呈井喷态势，主流家具企业配备粉末喷涂线的热情非常高。原因主要为：(1)政府对溶剂型涂料的限制力度越来越大；(2)喷涂设备的技术和工艺越来越成熟；(3)所需的投资大幅度减少，原来要2000万左右，现在要几百万就可以[1]。行业的快速发展也暴露出一系列的问题，比如产线设计不合理、涂装方案不科学、成品良品率低。本研究从底涂和面涂基础材料出发，重点阐述MDF粉末涂装最新研究进展，为涂装方案的选择做出指引，助力行业可持续发展。
1 MDF基材
MDF是木材经过削片、热磨、施胶、热压后制备的表面平整的板材，板材生产过程需要使用大量的树脂（以脲醛树脂或者三聚氰胺改性脲醛树脂为主）作为胶粘剂。国内MDF板材大多存在剖面密度分布不均匀的问题[2]，这需要特殊封边工艺以防止板材受热、吸潮而开裂。同时，脲醛树脂固化反应的不彻底性和固化后存在羟甲基和二次甲基醚键[3]，会导致板材持续释放出游离甲醛。进行底涂封闭是有效阻止MDF板材甲醛释放的解决方案[4]。
2 底涂方案与工艺
合适的底涂涂料和工艺是提升粉末涂装生产良品率和质量的关键因素。纵观国内外MDF家具生产厂家采用的底涂方案，主要以粉末、液体UV漆、水性漆为主。
2.1 粉末底涂
在环保方面，欧洲发达国家一直走在世界前列。底涂、面涂均采用粉末涂料也是欧洲MDF家具涂装厂的主要工艺路径。Brustle等[5]在聚酯环氧混合型低温粉末中引入一种结晶聚酯树脂，极大地提升了涂层的柔韧性和抗形变性，能够通过宜家48h水溶胀测试。该涂料可以作为MDF抗边缘开裂底涂，甚至可以作为单涂使用。戴天贺等[6]提出了环氧体系底涂和环氧聚酯混合型面涂粉末组合体系，环氧底涂能够为面涂提供极佳的附着力。
然而这种粉末打底的工艺在我国实际应用中往往水土不服，这是因为国内外使用的MDF板材差异较大。粉末底涂在国内应用成熟的工艺是粉末封边。刘际平等[7]通过对热敏基材MDF边缘定向粉末喷涂，一次固化1~2条边，再转动基材支撑架，加热剩余的侧边，既有效防止基材过度受热又提高了涂装效率，这一技术路径一直沿用至今。粉末封边适用于尺寸统一、造型简单或无造型的MDF家具大规模生产，有一次膜厚高、涂装成本低、生产效率高、封闭效果好、耐水溶胀性能好等突出优点。
2.2 UV漆
液体UV漆可以用于封边和板面封闭，但边和面需分别处理。封边有辊涂和喷涂两种方式，板面封闭则广泛采用辊涂。喷涂法封边可以对造型边如扣手、凹槽、曲边等工件进行精准喷涂，甚至对局部进行特定加强封闭，但设备投资高，对操作技术人员要求高。国内主要采用辊涂和真空喷涂组合的方式（见图1）用于UV封边，该工艺适用于直边，具有自动化程度高、涂装成本低的优点。该工艺的局限性也很明显，曲边难以涂装和固化，造型边只能依靠人工涂刷的原始方式解决，效率大幅降低，对工人身体也有害。因此，引进UV漆喷涂封边工艺，充分发挥UV漆自动化程度高的特点，将是未来的重点发展方向。MDF板面密度较高，质地均一，理论上可以不做任何底涂前处理。实际在大批量生产中，为了降低整体涂装成本、提升良率、改善封闭、上粉[8]效果，通常会采用底涂前处理（见图2）。采用UV漆水平辊涂的封闭板面，工艺步骤简单、成本低、效率高。
2.3 水性漆
水性漆（WB）处理（封边和罩面一体）由于其极佳的封闭和防水性，尤其适用于卫浴产品。水性漆应用工艺（见图3）和粉末底涂类似，唯一不同的是由于流挂的原因，水性漆只适合水平喷涂，板的两个面需要分别涂装。国内水性封边漆的发展更多的得益于定制家具的崛起，尺寸规格不一且家具造型复杂是定制家具的特点，水性封边漆柔性生产能力完美解决了定制家具的痛点。王一健等[9]发明了一种水性双组分红外反射和导电涂料系统，能够在90℃下1h固化干燥。该水性底漆系统既能反射穿透粉末涂层的红外线，降低板材受热，又能大大降低板材表面电阻至104~105Ω，提高粉末上粉率和膜厚均一性。
水性漆施工和工艺条件要求高，操作不当容易引起板材含水率过高、板材起泡、开裂等问题，让没有水性漆喷涂经验的喷涂厂望而却步。另外，水性漆干燥周期长、涂装成本高也制约了水性封闭漆的广泛应用。
如表1对比，粉末、UV漆、水性漆作为底涂各有千秋，底涂工艺的选择要从工件适用性、成本和效率等方面综合考虑，甚至结合3种底涂工艺的特点，采用组合方案也未尝不可。
3 面涂低温固化粉末涂料
由于粉末固化之后无味无毒无害，性能优越，无论是什么底涂方案，面涂都会首选粉末涂料。而要满足MDF涂装的需要，粉末固化温度必须足够低才行，通常＜150℃，固化时间≤5min。因此，可供选择的粉末类型虽不如金属基材多，但却汇聚了几乎所有的粉末前沿技术。
3.1 纯环氧和聚酯环氧混合型
纯环氧和聚酯环氧混合型体系是最早应用于MDF涂装的粉末类型，其性价比高，迄今仍然是主流产品。纯环氧体系固化剂和催化剂可选择性多，在技术上相对容易实现低温固化，但其受热和光照都容易黄变，主要用做底粉。聚酯环氧混合型体系反应活性高、不易黄变、理化性能好、价格实惠，占据国内MDF粉末95%以上的市场份额。混合型体系反应机理符合阿伦尼乌斯N阶反应动力学[10-11]。混合型体系配方可调性强，可以通过聚酯树脂、环氧树脂和催化剂3个方向去调节粉末体系的反应活性，由于可选原料较考多、变量也多、对技术要求高，只有合理、均衡的配方体系才能同时满足生产可行性和应用稳定性要求。
3.2 热自由基聚合粉末涂料
帝斯曼（现科思创）率先开发出了热自由基聚合粉末涂料，并申请了专利保护[12]。该体系采用过氧化物受热产生自由基，引发不饱和聚酯树脂聚合的固化机理，摆脱了阿伦尼乌斯方程的束缚。传统聚酯环氧混合型体系基本符合阿伦尼乌斯方程，要降低固化反应温度，必然要降低化学反应活化能，而活化能的降低会导致粉末贮存稳定性差，这也是聚酯环氧混合型粉末固化温度越低，保质期越短的根本原因。由于过氧化物在常温下并不会产生或仅产生极少的自由基，再加上粉末配方体系还会添加阻聚剂抑制加工和贮存过程的自由基，理论上热自由基聚合体系会有比聚酯环氧混合型更长的保质期。
此外，聚酯环氧体系所采用的都是无定形树脂，固化温度受制于树脂玻璃化转变温度（Tg）。只有当粉末从玻璃态转变为自由流动的粘流态，聚合物分子链才能自由运动，才能有效润湿基材和进行充分的化学反应。而热自由基聚合体系含有大量的结晶树脂，熔点以下处于结晶状态，性质稳定；熔点以上又马上能变成低黏度流体，跨越了玻璃化转变温度区间的障碍，使固化温度进一步往下降低有了理论可行性。结晶树脂突破了粉末流平的极限，能够同时满足低温固化和高流平这一对矛盾的性能要求。
3.3 迈克尔加成粉末涂料
为了抢占低温固化领域制高点，湛新在2020年推出了迈克尔加成粉末涂料[13]。迈克尔加成反应是有机化学中的经典反应，其基本反应机理是亲核的碳负离子（电子给体）与亲电的共轭体系（电子受体）在碱的催化下进行的共轭加成反应。
迈克尔加成系统中，催化剂前驱体在含有环氧基团的激活剂作用下，环氧基团开环生成强碱催化剂。丙二酸酯亚甲基上的质子酸性高，所以它能被强碱催化剂摘氢后形成碳负离子，碳负离子进一步进攻亲电的碳碳双键，最终完成碳链增长。该系统包含电子供体树脂、电子受体树脂、催化剂前驱体、激活剂和羧酸减速剂5种组分，组成配比变化多，配方可调性强，通过适当的配方设计，固化温度能降至110℃及以下。
3.4 UV固化粉末涂料
UV固化粉末涂料最早于2000年左右在欧美国家开发推广[14]，主要应用于热固化体系满足不了的热敏基材，比如木制品和塑料。早期的UV粉末由于涂料技术、涂装设备和应用工艺方面的认知不足，下游涂装厂没有取得完美的涂装效果。在双碳背景下，UV粉末重新走进了大众视野，并且经过前期多年发展，UV粉末已经克服了颜色和外观局限性。
UV粉末固化机理[15]是：在紫外光作用下，光引发剂产生自由基或阳离子，引发树脂不饱和树脂或脂环族环氧树脂发生聚合反应。UV固化与热固化完全不同，其不需要依赖高温烘烤引发反应，只需80~120℃熔融流平即可，因此，涂装加工温度远低于热固化反应体系。同时，固化反应速度极快，UV辐照下几十秒即完成反应。UV粉末既继承了液体UV漆快速固化的特性，又完全避免了低温热固化粉末贮存稳定性差的弊端，提升了粉末低温流平性、耐化学品性和其他物理力学性能，其推广应用将是粉末涂料发展史上划时代的里程碑[16]。
3.5 面涂低温固化粉末涂料对比
粉末涂料低温固化技术的突破极大地丰富了面涂粉末的选择，从130℃以上到低至80℃，从户内到户外，从砂纹到平面，都有相应的产品可供选择。基于成熟产品，本研究评估了各种低温固化粉末的特点，可根据自身应用选择合适的粉末涂料。
4 粉末涂装新趋势
（1）工艺简化
液体底漆目前是国内MDF家具粉末涂装的标配，其性能可靠，经济实用，但这也意味着新进喷涂厂需要取得液体漆施工的环保资质。随着国家环保要求越来越高，底涂、面涂均采用粉末涂料甚至单涂将是大势所趋。在粉末涂装工艺方面，热压或模压[17-18]工艺不仅可以100%回收利用粉末，而且能够实现单涂平面效果，这对于上游板材厂或造型简单的板式家具厂来说具有一定推广价值。
（2）低温固化
降低固化温度一直是粉末涂料生产商的研发方向，传统的环氧、聚酯、聚酯环氧体系符合阿伦尼乌斯方程，要降低固化温度，必然会降低反应活化能，因此会造成生产和贮存的挑战[19]。通过微胶囊技术[20]或者AB双组分[21-22]的方式可以将一些液体的高反应活性固化剂或催化剂应用到粉末涂料中，实现更低的固化温度的同时又能保持良好的贮存稳定性。
此外，热自由基聚合、迈克尔加成反应、UV光固化等新型化学体系不仅能够直接给行业提供超低温解决方案，还能相互交叉渗透[23-24]，提供更多的解决方案。
（3）外观美化
MDF喷粉技术发展至今，砂纹粉由于其优异的性能和产线适应性仍然占据绝大部分的市场份额。随着定制家具喷粉的崛起，接近于平面效果的超细砂纹逐渐流行，平面高光[25-26]、平面消光[27-28]、平面低光[29-30]也在紧锣密鼓的开发和推广。
（4）原材料来自可再生或回收材料
全球家具龙头企业宜家2021年开始发布“Better Carbon”项目，要求木器漆供应商2022年涂料组分含有≥5%可再生或回收原料。可再生或回收原料主要指的是生物基和废弃物料的循环回收利用。第一波涉及的木器漆包含溶剂漆、水性漆、UV漆，MDF粉末涂装所使用的液体底涂也包含在内。该计划还要求供应商逐年提高可再生或回收原料比例，计划至2030年达到50%的目标。粉末涂料由于本身的环保特性暂时被豁免，但被纳入计划恐怕也在所难免。粉末涂料上游原料供应商已经有不少相关研究，比如聚酯树脂单体用异山梨醇[31]、长碳链二酸[32]、呋喃二甲酸[33]和回收PET塑料降解产生的对苯二甲酸替代或部分替代，相信MDF家具不久就能用上生物基粉末涂料。
5 结语
MDF家具粉末涂装工艺已经成熟，粉末涂料技术蓬勃发展，众多家具厂纷纷布局粉末产线，这对涂料供应商来说是机遇也是挑战。定制家具订单小、颜色多、表面要求高、交付周期短，拥有底和面完整解决方案、柔性生产能力的涂料供应商将成为市场的佼佼者。
得益于节能减排的时代大背景，以及攻克热敏基材的渴望，近几年来粉末新技术呈爆发式发展，MDF粉末涂装有工艺简化、低温固化、外观美化、原材料可再生或回收的趋势。新技术和工艺必定会跟下游应用碰撞出新的火花，以MDF为代表的木质家具行业恐将迎来革命性的变化。
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本文转载自《涂层与防护》2023年6月第44卷第6期
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