環(huán)境條件對木家具底漆的水分揮發(fā)及封閉效果的影響

路則光，賈萬達，王 萌

（1.山東農(nóng)業(yè)大學 林學院，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

家具涂飾造成的環(huán)境污染已引起全社會的關注，是亟須治理的重大問題[1-2]，使用環(huán)境友好型水性涂料是解決該問題的有效途徑[3]。然而，在干燥過程中，水性涂料涂層中的一部分水分會向空氣中揮發(fā)，一部分水分向木材內(nèi)滲透。其滲透性受涂料種類、著色物、固含量、黏度、干燥速度、木材的毛細管孔徑及所含的抽提物和表面砂磨效果、水分在細胞壁上的遷移率的共同影響，在針葉材內(nèi)的滲透路線為先由縱向早材管胞流入交叉場，然后進入木射線[4-9]。向木材內(nèi)滲透的水分會使木材產(chǎn)生膨脹，嚴重破壞家具表面平整度，影響漆膜光澤，因此，在應用水性涂料時應特別注意基材表面的封閉處理[10]。而封閉底漆的作用就是在木材表面形成一個隔離層，阻止上面涂層中的水分向木材滲透。本研究主要是探明水性封閉底漆在自然干燥條件下的水分揮發(fā)規(guī)律及封閉效果，研究結(jié)果將為干燥規(guī)程的制定提供依據(jù)，從而為涂層干燥技術的深入研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料 ①涂料：水性封閉底漆，固含量為252.3 g·L-1。②基材：楓木貼面裝飾板（裝飾板的基材為3mm膠合板），含水率為9.21%。

1.1.2 儀器與設備 ①精度為0.01 g的JA21002型電子天平。②50μmSZQ型刮涂器。③CENTER310型溫濕度電子測量儀。④EY3-2A型風速計。⑤滬00000112鉆石牌秒表。⑥JSM-6601LA掃描電鏡。

1.2 方法

1.2.1 干燥條件 ①干燥條件Ⅰ：溫度為17.2～17.9℃，濕度為47.1%～52.3%，風速為0.07～0.10 m·s-1。②干燥條件Ⅱ：溫度為12.3～13.5℃，濕度為23.1%～25.1%，風速為0.04～0.09 m·s-1。③干燥條件Ⅲ：溫度為11.2～13.2℃，濕度為21.1%～23.4%，風速為0.04～0.05 m·s-1。④干燥條件Ⅳ：溫度為12.9～13.3℃，濕度為28.7%～31.9%，風速為0.05～0.10 m·s-1。⑤干燥條件Ⅴ：溫度為18.9～19.1℃，濕度為54.1%～55.6%，風速為0.03～0.15 m·s-1。以上干燥條件皆為自然干燥條件，重復5次·種-1。

1.2.2 操作方法 ①用溫濕度電子測量儀測量大氣溫度和濕度，用風速計測量風速。②在天平上稱量楓木貼面裝飾板的質(zhì)量。③將楓木貼面裝飾板放在平臺上，并予以固定。把厚度為50μm的濕膜刮涂器放在楓木貼面裝飾板的一端，刮涂器的長邊與楓木貼面裝飾板的短邊平行，然后在刮涂器的前面均勻地放上適量涂料，握住刮涂器，用一定的向下壓力，并以150 m·s-1的速度勻速滑過楓木貼面裝飾板，即涂布成需要厚度的濕膜[11]。④在大氣環(huán)境中，在天平上稱量涂漆楓木貼面裝飾板的質(zhì)量，連續(xù)30 min隔2 min記錄1次楓木貼面裝飾板的質(zhì)量。根據(jù)前后楓木貼面裝飾板的質(zhì)量之差就可得出單位時間內(nèi)水分的揮發(fā)速度和水分揮發(fā)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣干燥能力研究

水分的蒸發(fā)潛熱較大，水性涂料涂層的水分揮發(fā)需要吸收大量的熱量。水分的揮發(fā)受氣溫和濕度及風速的影響，揮發(fā)速度隨著溫度的升高而增加，隨著空氣濕度的增加而降低，隨著風速的增大而變大，這是因為溫度升高，分子熱運動更加劇烈，液體水分子更容易擺脫其它水分子的吸引而變成水蒸氣分子。但隨著空氣濕度的增加，空氣中的水蒸氣所占的比例增加，水蒸氣的分壓力增加，在單位時間內(nèi)使更多的水蒸氣分子變成液體水分子，因此，水的揮發(fā)速度隨著空氣濕度的增加而減小。風速越大，單位時間內(nèi)從揮發(fā)表面帶走的水分子越多，所以揮發(fā)速度越快。

在干燥過程中，涂飾板涂層和空氣之間不斷進行熱質(zhì)交換。在微元時間dτ前后，涂層與空氣的參數(shù)變化如圖1所示。涂層和空氣中的水分進行質(zhì)量交換時，起主要作用的動力是涂層表面和空氣之間的水蒸氣濃度差[12]。這與空氣中的含濕量和水蒸氣質(zhì)量濃度有密切關系，而空氣的含濕量和水蒸氣質(zhì)量則與空氣的溫度、壓力等因素有關。所以，根據(jù)不同干燥條件下空氣的含濕量和水蒸氣質(zhì)量濃度，可以判斷空氣的干燥能力。空氣含濕量和水蒸氣質(zhì)量濃度越大，說明干燥能力越弱；空氣含濕量和水蒸氣質(zhì)量濃度越小，說明干燥能力越強。

圖1 涂層垂直截面微元時間dτ前后參數(shù)變化Figure1 Parameters of coating vertical section before and after the infinitesimal time dτ

含濕量可以用濕空氣的焓濕圖[13]查得，根據(jù)公式（1）可計算出水蒸氣在干燥室內(nèi)空氣中的質(zhì)量濃度：

式（1）中：Cfv為水蒸氣在干燥室內(nèi)空氣中的質(zhì)量濃度，kg·m-3；B為當?shù)乜諝獯髿鈮?，Pa；d為干燥室內(nèi)空氣的含濕量，g·kg-1；Rv為水蒸氣的氣體常數(shù)，kJ·（kg·K）-1； Tf為干燥環(huán)境空氣的熱力學溫度，K。

根據(jù)含濕量和水蒸氣在干燥室內(nèi)空氣中的質(zhì)量濃度的不同，對5種干燥條件下的空氣干燥能力進行了分析，如圖2所示。圖2中，就5種干燥環(huán)境的干燥能力而言，干燥條件Ⅲ的含濕量和水蒸氣質(zhì)量濃度是最小的，表示干燥能力最強。干燥條件Ⅴ的含濕量和水蒸氣質(zhì)量濃度是最大的，表示干燥能力最弱。與此相類似，可以得到空氣的干燥能力由強至弱的干燥條件為 Ⅲ-Ⅱ-Ⅳ-Ⅰ-Ⅴ。

圖2 干燥能力分析圖Figure2 Drying ability of different drying conditions

2.2 水性封閉底漆的封閉狀態(tài)研究

涂層在上述5種干燥條件下干燥到全干狀態(tài)后，在電子掃描電鏡下，觀察其成膜狀態(tài)。如圖3～4所示。楓木的結(jié)構(gòu)由導管、木纖維、木射線、軸向薄壁組織構(gòu)成，因此，木材表面經(jīng)過砂光后，顯現(xiàn)導管槽和木纖維的縱切面，其大小和形態(tài)取決于被加工木材細胞的大小和它們與切削表面的相互位置[14-16]，當水性封閉底漆涂飾在這些孔隙中時，封閉底漆中的成膜物質(zhì)在水分子的帶動下，進入木材內(nèi)。干燥后，水性封閉底漆在木家具表面形成一個隔離層，阻止上面涂層中的水分進入木材；另一方面，填充木材表面的微小的孔隙，為上面的涂層準備一個相對平整的表面。

封閉狀態(tài)的好壞影響上面涂層中的水分是否會進入木材內(nèi)，直接影響木材的含水率和尺寸穩(wěn)定性，進而影響家具質(zhì)量。圖4和圖3相比，經(jīng)過涂飾一遍封閉底漆后，木材表面的導管槽部分被填充和封閉，尚有一部分未被封閉。封閉效果的差異除了與涂布量和涂飾方法有關外，還與干燥條件有關系。這是因為在相同的涂料、涂布量和涂飾方法前提下，干燥條件會影響涂料的流平性、涂層干燥速度和涂層的內(nèi)應力。

圖4中：方案Ⅲ的漆膜表面相對平整，方案Ⅴ的封閉狀態(tài)較差。這主要是因為方案Ⅲ的干燥能力較強，水分揮發(fā)速度較快，涂層之間的內(nèi)應力較小，形成相對完整、連續(xù)的漆膜，封閉效果好；方案Ⅴ的干燥能力較弱，水分的揮發(fā)速度較慢，涂層干燥速度慢，涂層之間的內(nèi)應力較大，不能形成比較完整、連續(xù)的漆膜，封閉效果差。由于干燥條件會影響封閉底漆的封閉狀態(tài)，因此，應選擇合適的干燥條件干燥涂層，以獲得良好的成膜效果。

圖3 涂飾前的木家具表面狀態(tài)Figure3 Surface state of uncoated furniture

圖4 涂飾后的木家具表面狀態(tài)Figure4 Surface state of coated furniture

2.3 水分揮發(fā)規(guī)律研究

水分揮發(fā)量是用水分揮發(fā)率來表示的，所謂水分揮發(fā)率是指在重涂期間涂層已揮發(fā)的水分絕對量與濕膜中最大含水量的百分比。水分揮發(fā)速度是用單位時間內(nèi)揮發(fā)的水分相對量來表示的。

水性封閉底漆的重涂時間間隔一般是30 min。由圖5知：在重涂間隔過程中，水分揮發(fā)率隨干燥時間的延長是逐漸增多的。但是，干燥30 min后，不同干燥條件下涂層的水分揮發(fā)率相差很大。干燥條件Ⅲ時，水分揮發(fā)率為16.48%；干燥條件Ⅴ時，水分揮發(fā)率為2.23%；干燥條件Ⅲ的水分揮發(fā)率是干燥條件Ⅴ時的7.4倍。同樣可以得出：干燥條件Ⅱ的水分揮發(fā)率是干燥條件Ⅴ時的6.5倍，干燥條件Ⅳ的水分揮發(fā)率是干燥條件Ⅴ時的5.0倍，干燥條件Ⅰ的水分揮發(fā)率是干燥條件Ⅴ時的4.5倍。這是因為在不同的干燥條件下，空氣的干燥能力是不同的。相比較而言，干燥條件Ⅲ時，空氣的含濕量和空氣的水蒸氣濃度最低，干燥能力最強，水分揮發(fā)率最大；相反，干燥條件Ⅴ時，空氣的含濕量和空氣的水蒸氣濃度最大，干燥能力最弱，水分揮發(fā)率最小。其他干燥條件表現(xiàn)出相同的規(guī)律：空氣的干燥能力越強，干燥速度越快。另外，這也說明水性涂料涂層的干燥受干燥條件的影響非常明顯，即干燥條件對涂層干燥速度的影響顯著。

圖5 水分揮發(fā)率Figure5 Moisture votilization percentage with time of different drying conditions

圖6 水分揮發(fā)速度Figure6 Moisture votilization speed with time of different drying conditions

由圖6知：水分揮發(fā)速度隨干燥時間的延長是逐漸降低的，并出現(xiàn)了一定的波動。在干燥初期，涂飾板上的涂層處于開放狀態(tài)，水分一方面向木材中滲透，另一方面向空氣中揮發(fā)，樹脂顆粒進行著無規(guī)則的布朗運動，水分與在純水中一樣沿著水—空氣界面以相同的揮發(fā)速率揮發(fā)，用來揮發(fā)的水分量也多，所以單位時間內(nèi)向空氣揮發(fā)的水分多，水分揮發(fā)速度大。在干燥后期，貼面板上涂層水分揮發(fā)速度逐漸降低，主要是因為在最初的時間內(nèi)，涂層內(nèi)的水分進行了大量揮發(fā)，可繼續(xù)用來揮發(fā)的水分較少，樹脂顆粒賴以懸浮的介質(zhì)減少，使得樹脂粒子之間相互靠近、堆積和聚結(jié)，引起水—空氣界面收縮，使得水—空氣界面的總面積減小、水分的揮發(fā)速率快速下降；隨著水分的揮發(fā)速率不斷降低，剩余的水分通過膜中的毛細管道擴散到涂膜—空氣表面揮發(fā)出來。整個過程由樹脂顆粒的表層逐漸向內(nèi)部發(fā)展，水分的揮發(fā)速率因水分的不斷減少、水分由粒子之間的間隙傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^聚合物傳遞而降低[17-19]。

3 結(jié)論與建議

水性封閉底漆的成膜狀態(tài)受干燥條件的影響，在溫度為11.2～13.2℃，濕度21.1%～23.4%，風速0.04～0.05 m·s-1環(huán)境下干燥的涂層封閉效果好。

水性封閉底漆涂層水分揮發(fā)率及速度受自然干燥條件的影響顯著。溫度為11.2～13.2℃，濕度21.1%～3.4%，風速0.04～0.05 m·s-1干燥條件的水分揮發(fā)率是溫度18.9～19.1℃，濕度54.1%～5.6%，風速0.03～0.15 m·s-1干燥條件的7.4倍。

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