櫸木板材靜電粉末噴涂基材表面處理方法研究

李雪濤，張文標，李文珠，陳天軍，陳君麗

櫸木板材靜電粉末噴涂基材表面處理方法研究

李雪濤1，張文標1，李文珠1，陳天軍2，陳君麗2

（1.浙江農(nóng)林大學工程學院，浙江臨安311300；2.浙江省磐安縣綠海工藝廠有限公司，浙江磐安322300）

該文對櫸木板材進行預熱、涂聚氨酯底漆、涂水性底漆和預熱與噴粉末涂料聯(lián)合4種不同表面處理，經(jīng)處理后的板材進行靜電粉末噴涂、涂膜固化等工藝制得粉末裝飾櫸木板，并對樣品涂膜性能按照國家相關(guān)標準要求進行測試，分析比較表面涂膜附著力、鉛筆硬度等理化性能的成因，確定了櫸木板材在一定含水率條件下，通過砂光、預熱處理，再進行2次靜電粉末噴涂的最佳表面處理方法。

櫸木板材；靜電粉末噴涂；基材表面處理；性能測試

山毛櫸，中文學名水青岡(Fagus sylvatica)，廣泛分布在亞洲、歐洲與北美洲，也是溫帶闊葉落葉林的主要構(gòu)成樹種之一。在中國貿(mào)易使用過程中常俗稱“櫸木”。在中國家具用材、室內(nèi)裝飾裝修以及畫架畫箱等領(lǐng)域起到獨特作用[1]。然而櫸木是一種生物有機材料，會受到環(huán)境中氣候和生物因素的影響而易發(fā)生腐朽、霉變、吸濕、開裂以及變形等缺陷，為克服和改善其缺陷，需進行表面涂飾處理，常見的涂飾方式有刮涂、擦涂、刷涂、噴涂、輥涂、浸涂、淋涂和揩涂等8種[2]。目前對櫸木裝飾材料及櫸木制品，普遍采用涂裝、刷涂、輥涂以及浸涂等涂飾方法，并大都采用有機溶劑為主涂料[3]。溶劑的揮發(fā)會造成環(huán)境污染，危害人體健康，而近年來開發(fā)的水性涂料大大降低了油漆的毒害作用[4]。但在涂飾過程中，存在工序復雜、烘干時間長、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品涂層附著力差以及耐干濕熱性差等缺點。此外，還存在運輸安全性問題。

粉末涂料，是一種新型的不含溶劑的100%固體粉末狀涂料，具有環(huán)保、安全、可回收、適用范圍廣等特點，近幾年在木質(zhì)材料，尤其在歐洲MDF（Medium Density Fiberboard，中密度纖維板）粉末涂飾方面的研究和應用成為熱點[5-10]。櫸木表面的前處理是靜電粉末噴涂不可缺且很重要的一個環(huán)節(jié)，關(guān)系到噴涂效果和產(chǎn)品涂膜的質(zhì)量[11]。木材靜電粉末噴涂要求木材表面平整光滑并具有一定的導電性，使之能快速吸附帶電粉末，最后粉末涂層受熱熔融流平固化。

本文通過開展櫸木靜電粉末噴涂幾種表面處理方法的研究，以獲得櫸木靜電粉末噴涂適宜的表面處理方法，為其他實木的表面粉末靜電噴涂提供參考。

1 材料與方法

1.1試驗材料與設備

試驗材料：櫸木板材（150 mm×150 mm×18 mm）18塊，含水率9%～11%，浙江省磐安縣綠海工藝廠有限公司提供；環(huán)氧-聚酯粉末涂料，粒徑200目，樹脂Tg≥50℃，紅外燈下的理論固化條件為150℃/3 min，老虎粉末涂料制造（太倉）有限公司提供；木器底漆（君子蘭PU清底漆，嘉寶莉水性清底漆），江山歐派門業(yè)股份有限公司提供；180#、240#、320#砂紙，無錫市順達拋磨輪廠；10%碳酸鈉溶液，常州恒光試劑有限公司；10%乙醇溶液，常州恒光試劑有限公司；咖啡，東莞雀巢有限公司；等。

試驗設備：GUYI旋轉(zhuǎn)翼式靜電粉體噴房，蘇州固藝涂裝設備有限公司；DK2008木材含水率測試儀，杭州太克干燥設備有限公司；101-5A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海愛斯佩克環(huán)境設備有限公司；WJD-2000型靜電高壓發(fā)生器，杭州萬佳涂裝設備有限公司；DR60A光澤度儀，廣州市東儒電子科技有限公司；QDX漆膜多用檢測儀，天津市精科材料試驗機廠；QHQ-A型便攜式鉛筆劃痕實驗儀，臺州市艾測儀器有限公司；QFH-HV600漆膜劃格儀器，惠州市優(yōu)普森儀器有限公司；JA5003型電子天平；ZNLD-800W自制紅外燈固化裝置等。

1.2試驗方法

1.2.1 表面處理工藝

櫸木板表面粗糙，還存在許多細微凹坑孔隙。粉末涂料在熔融流平過程中會滲入填充這些孔隙，只有這些孔隙缺陷都被填充滿后，涂料才能在表面流平形成連續(xù)的涂膜。本試驗采用4種不同的表面處理方法進行試驗，具體工藝步驟見表1。

表1 不同基材表面處理方法工藝步驟

表1中方法①可稱為一次涂裝。櫸木板基材依次采用180#、240#、320#砂紙砂磨，每一次砂磨后用壓縮空氣進行除塵處理，經(jīng)砂磨后提高了表面的平整度，①中對櫸木板材采用預熱處理，目的是調(diào)控其含水率和表面電阻，以提高櫸木板表面的上粉量；②和③是分別采用聚氨酯（PU）底漆和一種水性底漆噴涂表面處理，底漆起到填充基材表面空隙的作用。聚氨酯底漆和水性底漆是兩種不同的底漆，水性底漆相對于聚氨酯底漆更加環(huán)保，底漆涂抹量約為15～20 m2/kg。底漆砂磨依次使用240#、320#砂紙；④是在①的工藝步驟基礎上再進行一次噴涂，稱為二次涂裝。④中一次噴涂厚度大約是50μ m，固化后經(jīng)磨砂再進行①的步驟，一次噴涂的目的主要是為二次噴涂提供一個更加平整光滑的表面，使粉末涂料能夠熔融流平。分別分析不同基材表面處理方法對涂膜性能的影響，以確定最佳表面處理方法。

1.2.2 靜電粉末噴涂

粉末涂料靜電噴涂效果直接與櫸木板表面電阻有關(guān)，而表面電阻與其含水率和預熱溫度相關(guān)聯(lián)。櫸木板表面含水率要調(diào)控至一定的含水率范圍，太高或太低都對噴涂及涂膜性能有影響。經(jīng)過多次試驗可知，櫸木板含水率控制在4%～8%，在室溫下表面含水率7%左右，表面電阻在109Ω數(shù)量級，有較好的上粉率；含水率小于4%時，櫸木板導電能力下降，靜電吸粉能力減弱。隨著含水量的增加，涂膜加熱時水分揮發(fā)量過大，易造成涂膜產(chǎn)生針孔氣泡和開裂。因此，木材含水量最好不大于10%。①和④預熱溫度為80～125℃，預熱5～10 min。對木制品采取預熱措施，使木材內(nèi)部的水分向表面聚集，且降低表面電阻，使表面電阻值在109Ω以下，表面含水率在4%～8%，有利于提高制品表面的靜電吸粉能力。涂膜固化后的涂層厚度一般在160～180μm為佳[12]，噴粉過少則可能導致漏底和熔融流展不均，噴粉過多則涂膜的桔紋嚴重。試驗設定的固化條件為150℃/3 min。

本實驗設定靜電電壓為60 kV，電壓過高，容易發(fā)生反離子流，造成涂膜外觀弊病。供粉氣壓為0.04 MPa，噴嘴與板材的距離15～20 cm。將經(jīng)預熱處理過的櫸木板材試樣懸掛于噴房的靜電發(fā)生器軸上進行噴涂試驗。

1.3 涂膜性能檢測

本試驗根據(jù)基材處理與涂膜性能的相關(guān)情況，涂膜光澤度、附著力、鉛筆硬度、耐水蒸氣檢測方法參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》和GB/T 13323—2008《木家具通用技術(shù)條件》進行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1實驗結(jié)果

表2給出了4種不同基材表面處理方法對涂膜性能的影響。

表2 不同基材表面處理方法對涂膜性能的影響

2.2結(jié)果分析

2.2.1 不同基材表面處理方法對涂膜質(zhì)量的影響

從表2可看出，采用方法①處理的基材表面有凸出的木射線以及少量不同程度的針孔和縮孔，光澤度也比較低。涂膜針孔是指粉末涂料從熔融到固化過程中，粉末涂料中的氣體從底層穿過高黏度的、已接近封閉的彈性樹脂層到達涂層表面，未能逸出而形成的缺陷?？s孔是由未被充分潤濕的小顆粒與周圍不相容的樹脂所形成的圓渦，即在一個較大的下陷圓渦中有一個突出的小點[13]。櫸木木質(zhì)緊密且硬，表面較粗糙，孔隙不易打磨，經(jīng)粉末噴涂過的櫸木板材受熱后，板內(nèi)的空氣和水分會揮發(fā)至板面影響涂膜的固化。表面的粗糙程度還會使熔融固化過程的粉末不能很好的流展，無法形成均一的涂層。板材的含水率過高也會有鼓泡現(xiàn)象。采取合理的預熱方式有效地控制基材的含水率以及基材表面的平整度對方法①的工藝至關(guān)重要。采用方法②的基材都經(jīng)過聚氨酯底漆處理，通過噴涂會使板材表面的封閉性和均勻性要更好一些，基材表面涂膜質(zhì)量良好沒有針孔和縮孔等現(xiàn)象，主要是由于聚氨酯底漆填補了基材表面的孔隙，阻擋了基材內(nèi)部水分向表層移動，并且經(jīng)砂光過的底漆涂層表面更加平整，有助于粉末涂料熔融固化階段的流展，同時提高了涂膜的光澤度。方法③中的基材采用環(huán)保水性底漆處理，涂膜表面有輕微縮孔，水性底漆相較于聚氨酯底漆更加環(huán)保，水性底漆是以水為溶劑，在對基材表面進行處理過程中，基材會吸收底漆的水分從而使基材表面含水率升高。固化后的水性底漆漆膜較硬，相較于聚氨酯底漆，打磨會難一些，會導致基材表面不夠平整，從而導致涂膜質(zhì)量略差于②。采用方法④處理的基材涂膜質(zhì)量良好，主要原因是一次涂層能夠很好地填補基材表面的孔隙，一次噴涂涂膜厚度在50μm左右，經(jīng)打磨后涂膜表面更加平整有利于二次噴涂。

2.2.2 不同基材表面處理方法對涂膜附著力的影響

從表2中可以看出方法①與④的涂膜附著力優(yōu)于方法②和③。

漆膜的附著力是指漆膜與被附著物體表面之間通過物理和化學作用力結(jié)合在一起的堅牢程度[14,15]。漆膜的附著力是考核漆膜性能的重要指標之一，方法①和④都沒有采用其他底漆處理。粉末涂料在熔融過程中受熱在基材表面流展并滲入木材表面的空隙，固化后形成“漆釘”，增加了漆膜的附著力。附著力的大小在很大程度上決定于涂料向木材表面滲透的程度和“漆釘”的多少。試驗使用的涂料是環(huán)氧-聚酯粉末涂料，其官能團為聚酯樹脂的—COOH基團，而櫸木中的纖維素、半纖維素中含有大量的—OH基團，兩個基團在一定條件下反應結(jié)合，從而得到很好的附著力。采用方法①的板材表面經(jīng)砂光處理，基材表面更加平整光滑，同時可能引起木材表面聚合分子鏈的斷裂而產(chǎn)生一些新的官能團，增強了基材表面的活性，再與粉末涂料產(chǎn)生一系列的交聯(lián)化學反應從而提高了漆膜表面的附著力。方法④中環(huán)氧樹脂與聚酯樹脂的粉末涂料在固化過程中發(fā)生了交聯(lián)反應，聚酯樹脂中的羧基和環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基所發(fā)生的交聯(lián)反應是加成聚合反應，無水生成。固化涂層經(jīng)砂光處理使表面平整光滑，再次進行粉末噴涂，固化中粉末涂料繼續(xù)與原涂層發(fā)生交聯(lián)化學反應，所以其結(jié)合力很好，故采用方法④所得涂層的附著力好。

方法②是底漆處理過的基材再進行粉末噴涂，從試驗結(jié)果來看，涂層的脫落主要在于粉末涂層與上層底漆層之間。這說明底漆與粉末涂層之間的附著力不如底漆與基材表面的附著力，同時也小于粉末涂層與基材表面之間的附著力。②中試驗所用的底漆為市場上通用的聚氨酯底漆，它的成膜方式為自然成膜，無須特殊工藝。聚氨酯底漆為雙組分化學結(jié)構(gòu)：甲組分（固化劑）的異氰酸酯基（—NCO）+乙組分（醇酸樹脂）的羥基（—OH）=聚氨酯?；呐c聚氨酯底漆發(fā)生了物理和化學形式的結(jié)合，其中以化學結(jié)合為主，附著力增強。聚氨酯底漆含有的少量醇酸樹脂的羥基與粉末涂料中的羧基之間發(fā)生化學反應從而增強兩層涂膜間的結(jié)合力。因為醇酸樹脂量少，所以上層底漆與粉末涂層的結(jié)合力主要以物理結(jié)合為主?；瘜W鍵的結(jié)合是附著力的關(guān)鍵。所以上層涂膜的附著力低于下層的附著力。③中試驗所用的水性底漆的主要成分是不飽和的丙烯酸樹脂，官能團主要為極性基團—OH，不飽和聚酯樹脂與櫸木表面具有相同的極性基團—OH，他們之間可形成分子間的范德華力，增強水性底漆與基材表面的結(jié)合力。熔融的粉末涂料與打磨過的基材表面充分接觸，并且與—COOH基團發(fā)生化學反應，結(jié)合力增強。而基材表面含水率的增加可能使其粉末涂料的附著力降低。

2.2.3 不同基材表面處理方法對涂膜光澤度和鉛筆硬度的影響

光澤度是指光線在一定的入射角條件下，在涂層表面的正反射光量與理想的標準板表面的正反射光量的比值[16]。由表2可知，方法②的光澤度是33.8，在4種處理方法中最高。方法④表面涂膜光澤度略低于方法③，但方法①表面涂膜光澤度要比其他方法小很多，主要是其涂膜表面粗糙，涂膜質(zhì)量比較差。因此本試驗結(jié)果主要是基材表面粗糙程度不同所致。方法②和③都是采用噴涂底漆，基材表面涂層光澤度相對粉末固化涂層砂磨處理的④較高，由于底漆更好地封閉了基材表面孔隙，降低了基材表面粗糙度，即表面越光滑，反射能力越強，光澤度也就越高。而砂磨處理后的涂層表面粗糙度相對于打底漆的仍較高，表面平整度相對較差，導致其涂膜光澤度較低。而方法①的涂膜光澤度更低的原因是基材僅進行砂光處理，表面空隙的存在加大了涂膜的粗糙度，增大了漫反射，進而致使涂膜光澤度更低。從試驗結(jié)果可以看出，方法②的基材涂膜光潔，平整，光澤度較高；而方法③采用水性底漆表面打磨較②聚氨酯底漆更難一些，粗糙度可能更大一些，從而光澤度稍低一些。

涂膜的硬度從試驗結(jié)果可以看出，方法②、③和④的涂膜鉛筆硬度優(yōu)于方法①，其涂膜破壞形式為鉛筆劃痕。這可能是由于封閉底漆漆膜硬度相對基材表面硬度較高，同樣的作用力，在無底漆的基材上更容易出現(xiàn)劃痕。

2.2.4 不同基材表面處理方法對涂膜其他性能的影響

由表2可知，所有基材表面處理方法的耐酸耐堿性都很好，涂料本身起到了一定的封閉內(nèi)部氣態(tài)物質(zhì)揮發(fā)的作用，也能阻擋外部液體的滲入。而方法③涂膜的耐水蒸氣較差。水性底漆使基材的含水率增加，在熱水蒸氣作用下，基材內(nèi)部的水分外移，其主要表現(xiàn)形式是櫸木木射線在涂層表面凸出，其他涂膜使得外部液體不能滲透到基材內(nèi)部，無法引起氣泡、變色以及光澤度變化等缺陷的產(chǎn)生。

3 結(jié)論與建議

方法①基材涂膜表面有凸出的木射線，以及少量不同程度的縮孔和針孔，這不僅影響了涂膜的美觀，而且導致涂膜流平性不好，也降低了光澤度，影響涂膜的防護能力。方法②涂膜質(zhì)量良好，聚氨酯底漆的封閉效果更充分，涂膜光澤度最高，其附著力、硬度以及耐液性都能達到要求甚至更好。方法③涂膜表面都有輕微的縮孔，影響了其表面涂膜效果，且降低了硬度，耐液性也變差。方法④涂膜的理化性能檢測結(jié)果已經(jīng)達到了木制家具漆膜理化性能的要求，即光澤度24.2，硬度2 H，附著力1級，耐液性好，耐水蒸氣。方法①主要是由于基材表面含水率無法控制從而導致涂膜效果不夠好；方法③的水性底漆影響基材表面的含水率，且水性底漆成本較高；方法②涂膜質(zhì)量良好，各項檢測性能也都達到漆膜理化性能的要求，但其聚氨酯底漆不夠環(huán)保；因此最后建議選擇方法④。方法④的其他涂膜性能檢測結(jié)果為：涂膜表面平整，無縮孔、針孔以及鼓泡等缺陷，視覺效果良好。

[1]周默.抱樸守一蓄素執(zhí)中中國古典家具材質(zhì)研究之五·櫸木[J].收藏家,2008(10):63-70.

[2]奚祥.水性木器涂料施工方式淺論[J].中國涂料,2013,28 (06):39-43.

[3]王德華,朱強,胡中源,等.水性木器涂料在工業(yè)涂裝中的應用[J].中國涂料,2011,26(07):51-54.

[4]劉陽,范兆榮,潘文浩.涂料工業(yè)的綠色化發(fā)展趨勢[J].上海建材,2011(3):15-16.

[5]Gü nter Wuzella,Andreas Kandelbauer,Arunjunai Raj Mahendran,et al.Influence of thermo-analytical and rheological properties of an epoxy powder coating resin on the quality of coatings on medium density fibreboards(MDF)using in-mould technology[J].Progress in Organic Coatings,2014,77(10):1539-1546.

[6]Jocham C,Schmidt T W,Wuzella G,et al.Adhesion improvement of powder coating on medium density fibreboard(MDF)by thermal pretreatment[J].Journal of Adhesion Science and Technology,2011,25(15):1937-1946.

[7]竇心濤,周師岳.MDF人造板粉末靜電涂裝技術(shù)[J].涂料技術(shù)與文摘,2014,35(03):42-46.

[8]閆承琳.中密度纖維板靜電粉末噴涂工藝研究[D].北京:中國林業(yè)科學研究院,2008.

[9]張文標,肖海湖,吳利軍,等.木基材料透明粉末涂飾的研究進展[J].林業(yè)科技開發(fā),2013,27(06):5-8.

[10]Monica Badila,Christoph Jocham,Wenbiao Zhang,et al. Powder coating of veneered particle board surfaces by hot pressing[J].Progress in Organic Coatings,2014,77 (10):1547-1553.

[11]莊愛玉,金順玉,朱愛國,等.粉末涂裝中出現(xiàn)的問題和產(chǎn)生的原因及解決措施[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2011,14 (02):46-49.

[12]南生春,閆承琳,張偉.中密度纖維板靜電粉末噴涂工藝的最佳涂膜厚度研究[J].木材加工機械,2009,20(05):1-3.

[13]劉宏,劉長德.粉末靜電噴涂中縮孔、針孔弊病的探討[J].中國涂料,2004,19(09):40-41.

[14]鄭國娟.漆膜附著力及其測試標準[J].化工標準·計量·質(zhì)量,2003,23(05):23-24.

[15]路則光,申利明,陳秀蘭.表面粗糙度對水性涂料漆膜質(zhì)量的影響[J].木材工業(yè),2007,21(3):42-44.

[16]馮素蘭.粉末涂料[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004,5-10.

10．13752／j．issn．1007－2217．2016．04．007

2016-09-20

浙江省重大科技專項重點農(nóng)業(yè)項目（2014C02019）