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粉末涂料在木器上的应用
2020年08月07日    阅读量:2944    新闻来源:刘际平 博士,福建万安粉末涂料研究院院长  |  投稿

背景介绍


在木材包括人造板表面,传统上都是用油漆来保护和装饰,随着人们的环保意识不断增强,同时木质基材的表面积是一个相当大的数字,可以说与钢铁基材的表面积相比在同一个数量级。所以从1990年代就有人开始尝试用环保涂料粉末涂料在中纤板(MDF)表面进行喷涂。所以粉末涂料应用在木器上已二十多年,但原来很看好的一个领域,进展缓慢并未被广泛推广涂料在线coatingol.com。就国内而言,MDF粉末喷涂产业链还未形成足够大的规模,据粗略统计,MDF粉末整体用量每年还不到3千吨。


从国际国内MDF粉末喷涂领域来看,2007年左右,欧洲有几家公司开始MDF粉末涂料的小批量生产,并以砂纹表面效果为主,主要用于环保高档的新型设计家具。


在国内,广东兆生家具公司较早涉足MDF粉末喷涂,并用于自产的家具,环保加持有利于出口。而为宜家代工的广东励泰公司在MDF粉末喷涂方面比较成功,它是目前国内MDF粉末喷涂实现规模化生产的企业。鉴于励泰的成功,宜家之后又在欧洲找了至少两家代工公司。佛山艾勒可公司与几大家具企业开展MDF粉末喷涂合作,它是国内定制家具MDF粉末喷涂方面做得较好的企业。其他企业有的半途而废,有的仍在努力攻关。


面临的挑战

MDF粉末喷涂进展缓慢并未被广泛推广,究其原因有内外在两个方面。


1、外在原因是受到其他表面处理技术的竞争,主要有以下几点:

(1)来自水性木器漆的竞争,前几年水性涂料得到政府政策的大力支持,同时从油漆喷涂线转到水性漆喷涂线比较容易,因而水性漆在木器上的应用普遍开花;

(2)来自全铝家具的竞争,在铝材表面喷涂粉末涂料,再进行热转印得到木纹效果,从而实现铝代木。与木质家具相比具有像可回收利用等某些方面的优点;

(3)来自贴膜方面的竞争,例如三聚氰胺纸贴面,具有低成本的优势。


2、内在原因

MDF粉末喷涂技术本身作为一个系统性解决方案还不够成熟。人们对这个系统的复杂性以及与传统金属粉末喷涂不同之处还没有充分的认识。往往认为粉末过关,设备可以了,甚至小批量样品做得不错就觉得成功了,结果大批量生产,很多原因造成良品率低,导致亏损,维持不下去。需要有一批从事粉末涂料、喷涂烘烤等设备设计制造和实际进行MDF粉末喷涂的工程师们一起合作,沉下心来投入精力去对这个系统摸索开发完善,以便将粉末涂料在木器上的应用推广开来。


技术发展


MDF粉末喷涂是一个系统性解决方案,这个系统包含粉末涂料、设备、工艺和质量检测四个方面。


粉末涂料

1、发展历程

(1)反应温度和时间

在2000年左右,聚酯/环氧混合型用于MDF喷涂的低温固化粉末涂料达到160℃ 5分钟固化;2005年达到了135℃ 5分钟;2007年 达到 135℃ 3.5分钟;2012年达到125℃ 3.5分钟;2019年达到 115℃ 3-5分钟。


(2)粉末涂料体系

最初用环氧型,然后是混合型,不饱和聚酯型


(3)表面效果:

最初砂纹、细砂、橘纹、锤纹、平面亚光、平面高光、木纹热转印,各种花色效果打印。

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图1 » 各种表面效果


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表1 » MDF粉末涂料发展历程


竞争优势


(1)MDF粉末喷涂的优点:

①环保无VOC释放,生产过程也没有水耗;

②粉末可以回收利用,利用率可达98%以上,生产周期短,效率高;

③高强度保护层,优良耐化学品性和耐水防潮;

④能达到零甲醛释放;

⑤适用各种造型,做出各种颜色,表面纹理及表面压纹雕刻等,为家具设计创造无限的设计空间。


设  备


固化方式的选择

从1 9 9 0 年代就有人开始尝试用粉末涂料在中纤板(MDF)表面进行喷涂。开始他们采用传统的热风炉,加拿大一家做办公室隔断的公司尝试了粉末喷涂,结果不成功。原因是当时用的粉末涂料的固化温度不够低,同时中纤板本身耐热性能达不到。


而后有尝试采用UV粉末涂料喷涂MDF的,也没有成功。原因有:1)UV光固化粉末涂料喷涂操作窗口很窄,整个喷涂过程需要很精确控制,在工厂实际喷涂过程中很难做到。这就很容易造成部分固化不充分,性能达不到要求;2)一条UV喷涂线的成本较高,UV固化的粉末成本也较高;3)受到颜色的限制,不同颜色穿透深度不同,粉末涂料本身的涂膜厚度比液体涂料厚很多,一般在60-90微米,所以难以固化,如果只用来做透明粉涂层则可以考虑;4)基本上不能直接重涂来修补。


真正的突破性进展是后来采用红外固化方式,同时中波红外还可以在一定距离范围可以有均匀的温度。红外加热很快,在不到一分钟的时间内可以使表面达到固化温度,然后固化效率高,在较短的时间粉末涂料熔融,流平固化。由于木质材料的低导热率,在这短短的几分钟,中纤板的内部温度还很低,还没有对板材造成损伤。同时通过红外炉的设计,使工件6个面受热均匀,这也解决了边的喷涂固化问题。


红外烘烤炉

红外烘烤炉是MDF粉末喷涂成功与否的很关键的一个因素。红外烘烤炉有用电的红外灯管和用天然气-煤气催化红外发射板。用煤气催化板的方式要比用电的红外灯管的成本低,前者是后者的三分之一左右。


之所以MDF粉末喷涂能实现大批量工业化,红外烘烤炉能保障使被烘烤工件表面及四边均匀受热,炉温可以分区块自动调节的成功设计起到了重要作用。红外烘烤利用了红外的加热方式的优势,因为红外加热的特点是红外直接辐射到被加热的物体上,不需要通过介质,所以效率高、加热快。结合中纤板低导热率的特点(如表2),和低温固化的粉末涂料,从而成功实现了MDF粉末涂料喷涂。

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表2 » 各种材料热导率比较表


从表2中可看到,MDF的热导率与石棉毯一样低,而石棉毯正是消防设备或者高耐热手套的制作材料。因此,在加热过程中,MDF的表面温度和它的中心温度会不一样。就是表面达到了粉末涂料所需的固化温度,中间温度还很低,不至于使MDF受到损伤。


喷涂线

整个喷涂线在这里不做具体介绍,只就两点被认为比较重要的地方做一下介绍。就是反向电极和暂停区的设置。


(1)反向电极

中纤板的粉末喷涂的一个重要点是需要膜厚均匀,不能有像通常在金属表面喷涂的那种窗框效应。为了解决这种窗框效应,喷涂设备供应商已经设计出反向电极。从金属表面粉末喷涂的经验我们知道,带电粉末粒子在电场线作用下有一种环抱效应,这种环抱效应便导致了窗框效应。这种反向电极设置在喷枪的对面,使原本要环抱的带电粉末粒子改变路线被反向电极吸引过去,避免窗框效应。


(2)暂停区

合理的喷涂线设计还包含有暂停区(holding zones),并且有无动力输送系统(power & free system)。暂停区可以用来暂放、检查、打磨及处理一些没有预料到的情况。这种暂停区可以在整体上提高喷涂线的效率。曾碰到过一家做液体喷涂设备的,当时在国内该行业算是前几位的大公司,他们准备进入MDF红外固化喷涂线的生产,但没有对MDF粉末喷涂与金属表面粉末喷涂的不同考虑充分就设计做出了一条喷涂线,据说花了近800万,是从美国进口的煤气催化板。后来发现没有考虑暂停区,最后没有办法用。


板材加工

板材加工设备的投资规模与喷涂设备差不多,甚至还要更多。如果家具企业已有板材加工设备,则比较具有优势,如果没有则需要充分考虑投资规模和厂房设计,以免后期成为大批量生产的瓶颈。


工   艺


工艺在MDF粉末涂料喷涂中占据十分重要的位置,由于与传统的金属表面粉末喷涂有很大程度的不同,很多地方看起来细小之处都需要摸索定出合适的工艺。MDF粉末喷涂的良品率受工艺影响很大,若良品率达不到90%以上,则不算成功,有些参与者不是很成功的原因往往就是工艺不够成熟。工艺方面在此仅简介MDF的表面处理、挂孔,不同形状大小的工件的处理,以及单涂双涂的应用等例子。


表面处理

若MDF表面有竖立的纤维,可能会引起针孔或小缩孔。为了更好地做好表面处理,有采用热熨处理,即用热铁板熨烫MDF的边或粗糙的表面,以便去除竖立的纤维。


挂钩孔

金属工件粉末喷涂都不是小事,如小到挂钩,也都得处理好。挂钩孔的位置、大小、深度,挂钩的设计都有讲究,既要能达到上粉的导电效果,又要避免损坏和小孔周围不上粉的问题。


形状大小

工件的不同大小,不同厚度,不同形状都需要摸索出合适的处理工艺,大的不能变形,要达到高良品率(95%以上),好的工艺控制十分重要。十几年来出现过一些失败的工艺教训。


单涂双涂

在欧洲早期采用双涂工艺路线,就是环氧底涂加上混合型面涂,底涂的目的是避免针孔及其他问题,以便通过耐水等试剂测试。但到中国这种工艺路线水土不服,因为在欧洲他们用的MDF质量较高,有些只用一种木材,例如榉木。但在中国MDF的质量就没有这么高,很难只用一种木材做原料的。通过摸索,后来在国内采用了UV腻子封面解决了这个问题(水性涂料后来也采用这种方法),从双涂可以变为单涂,较大的节省了成本,同时实现了大批量工业化。这使得MDF粉末涂料喷涂在中国比欧洲走在了前面。宜家将木质家具大批量使用粉末喷涂,是在中国最先实现的。


质量检测


质量检测对MDF粉末喷涂起着至关重要的作用,质量检测分两个部分,原材料就是MDF板材的质量控制和成品的质量检测。MDF粉末喷涂最困难的问题是保证喷涂好的MDF的边缘不开裂。但我们不能从刚喷涂好的MDF看上去就能判定它不会开裂或过一段时间会开裂。


MDF板材质量检测

最初用于粉末喷涂的中纤板的品质也需要严格控制,主要从热稳定性,导电性来控制。


热稳定性:主要是由MDF的内粘结强度及其所用胶黏剂本身的耐温性所决定,同时MDF的密度分布也很重要,一般平均密度在760~850kg/m3较为适合粉末喷涂。若中间密度>700kg/m3, 边上密度<900kg/m3, 则密度分布较好;若中间密度<650kg/m3,边上密度>1000kg/m3,则密度分布差异过大,受热时很容易开裂。

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表3 » 双涂工艺流程说明表


导电性:为得到较为稳定的导电性,欧洲企业原来是采取在MDF里加导电剂的方法,这导致成本增加;目前一般是让MDF保持一定的含水量(一般5%~8%较好),并通过预热MDF,使水分往表面迁移,以提高带电性能,能够将MDF的电导率调整到所需要的范围。一个1010Ω—1011Ω的表面电阻能够使带电粉末粒子暂时吸附在接地的MDF工件上。


粉末喷涂后成品的质量检测

成品的质量检测主要有下几项:

常规检测:光泽、膜厚、表面效果等。

粉末固化程度的测试:一般采用1)MEK擦试;2)划格测试;3)DSC测试。


表面针孔测试:1)耐水测试;2)耐酒精测试;耐化学品性测试:耐咖啡测试、耐石蜡油测试;边部耐水测试。


常规检测和固化程度测试在金属表面粉末喷涂已经广泛使用,不在此描述。这里介绍表面抗性也就是表面针孔测试和耐化学品性测试和边角是否会开裂测试。这些都包括在表面抗性测试里(见表4)。

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表4 » 表面抗性测试参照宜家标准(IOS MAT-0066)


(1)冷液测试:冷液测试包含耐水、耐酒精、耐石蜡油和耐咖啡。根据EN 12720:2009+A1表面耐冷液体的测试方法等标准,有关冷夜测试评估详见如下:


1)测试要点:

用吸饱某种液体的过滤纸圆片放在被测试样品表面,用一小玻璃皿罩住。在一定时间后,拿掉过滤纸圆片16~24小时后,轻洗表面,观察变化,如光泽、颜色、起泡、膨胀或开裂等现象。


2)环境条件:温度(23±2)℃,湿度(50±5)%


3)测试方法:

将直径(25±2)mm的柔软的过滤纸圆片(400~500)g/㎡放在某种液体里30~60秒,然后用镊子放在被测试样品的表面,再用直径(40±2)mm、高度(25±2)mm的玻璃皿盖上,小圆片的边不能与玻璃皿接触。在一定的时间后,拿走玻璃皿,用镊子拿掉原片过滤纸,再用吸湿纸吸掉残留液体,不要擦磨被测试样品的表面。放置16~24小时不覆盖但避免灰尘污染,然后轻洗后放置30分钟待检查。


4)检测表面:

用散射光源来观察被测试样品表面的变化,如失光、变色、起泡、膨胀、开裂或其他,需要从不同的角度和方向观察,观察距离0.25~1米,同时还需用手来触摸以观察变化。


5)评估结果:见表5

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表5 » 表面耐冷液体的测试结果评判定级


边角是否会开裂测试:

边部耐水,根据宜家IOS-TM-0002表面抗性-测试方法标准


1)对象范围:

模拟储物单元门处在湿度较高的区域(如厨房和浴室)时边缘受到水的作用的测试方法。此方法主要用于成品家具/产品,但也可用于与成品家具/产品相同表面处理的两面和三个边缘都暴露于水的测试板。


2)测试设备:

a)底部水平的测试槽/水槽,详见测试槽结构图(如图2);

b)密度为20kg/m3的聚氨酯泡沫海绵,边缘为直角,并且高度均衡都为50±0.5mm;

c)非膨胀材料制成的分隔物,高度为50±0.1mm;

d)23±2℃的蒸馏水或去离子水。如果水在23±2℃的温度下存储24小时温度也将达到;

e)在测试期间可以在竖直方向固定被测物体的支撑物;⑥千分尺;⑦放大镜,约为8倍

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图2 » 测试槽结构图


3)测试程序:

a)测试之前检查被测物表面,任何缺陷及与测试说明不符的偏差都应在测试报告中注明。


b)被测物的边缘应该标出六个测量点,A→F。其中A→D四个点应标示在距离下边缘2mm的水平线上,并至少一个位于被测物的一角,同时另外三个点应沿着边缘的方向均匀分布或位于结构中的关键位置。剩下的两个测量点E和F应标示在距离下边缘20mm远的水平线,并分别与B和C点相对,详见图3。

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图3 » 测量点示意图


c)测试前,在测量点测量厚度,并用放大镜检查要检测的边缘。任何缺陷、破损、表面结构、斜角,接合处的胶厚度,门板的木框架宽度等都应做好记录。此外,如果门板的框架结构为被测样品,那么应对门板的宽度进行测量。


d)把测试槽调整到水平位置,并把海绵放入其中盖住底部。为了能够检查水的高度,海绵与分隔物边壁之间至少间隔10mm,详见测试槽结构图(侧视)。


e)在槽中装入水,并把海绵浸入水中直至完全湿透。海绵浸泡润湿一个晚上。


f)在海绵间插入分隔物,调整水面高度使其低于分隔物上边缘12mm处,详见测试槽结构图(俯视)。


g)放好测试件,边缘靠在分隔物上,并在竖直方向固定,详见测试槽结构图(侧视)。


h)按照相关技术规范的要求选择测试周期。对周期长于1小时的测试,应每小时检查一次测试槽中的水位,如有需要应向测试槽中加水。


4)评估结果:

a)当测试结束时,擦干测试边缘,然后测量A点到F点的厚度。如在点A到F之间存在可见的膨胀,应对最明显的膨胀点进行测量。所有发生于整个边缘及边部和背部连接处(距离边缘0-5cm的位置)的可见损坏都应被记录。应对门板的框架结构正面宽度进行测量。


b)损坏示例:可见及察觉的膨胀,表面处理受损(例如光泽度变化、表皮脱落、裂缝),封边条松动,胶合处受损,木质框架构件宽度增加(宽向膨胀),或框架结构的结合处松动。


c)在测试结束24小时后测量A点到F点的厚度,然后重新评估所有可见破损。


d)测试结果用数字描述性等级1-5表示,详见表6。

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表6 » 评估等级标准

发展方向


粉末涂料的发展

1、粉末涂料的发展

要使MDF以及其他人造板甚至实木的粉末涂料喷涂取得更大的发展推广,粉末涂料的发展升级是很重要的一个方面。首先是更加的低温固化低温。目前的粉末主要是135℃3-5分钟。有特殊的达到了115℃3-5分钟。若要使MDF粉末喷涂具有进一步的普适性, 需要粉末能在更低温度80-100℃。前面已提到在100℃以下,则更具普适性,对其他方面的要求也会不会像现在这么高。其次是粉末涂料的表性能,表面耐划伤和抗磨是用于家具特别是桌面的要求;表面耐化学品性包括水,咖啡等是厨房等家具的要求。耐候性是户外休闲家具的要求;抗菌性能是一些包括医院等公共设施的要求。


2、抗菌防霉制品的发展

随着生活水平的提高,人们对生存环境的要求也越来越高。由此,抗菌材料的生产已成为一个新兴的产业,世界各国对抗菌剂的研究更加重视。抗菌材料是有杀菌、抑菌性能的新型功能材料。因此可通过在涂料中加入抗菌剂开发出抗菌防霉制品。

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表7 » 粉末涂料与抗菌防霉技术结合

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表8 » 不同抗菌剂的差异


设备工艺

利用智能制造及大数据,家具工厂可以C2F定制化的方式服务于广大用户。工艺技术的发展需要更好的表面封面及封边等处理,若能高效率、高质量地粉末喷涂多样化、高性能的各种人造板及一些特定的实木,家具公司就能在终端门店以标准板的方式销售。


1、喷涂设备的发展:目前上粉是要控制MDF含水量5-7%,已有报道含水量在3%也能很好上粉(不需要导电液),膜厚可以达到200微米。若能利用智能化喷涂,可以控制膜厚,喷涂不同形状不同大小的工件,边角凹槽表面等能达到均匀厚度。


2、固化设备的发展:利用智能化烘烤设备,更有效的升温而且能控制各个表面温度均匀,更加宽的距离范围有均匀的温度。


结束语


尽管MDF粉末喷涂在木器上的应用目前还没有大的起色,没有被推广开来,但粉末喷涂所具有的多种优势,加上MDF有很大的产销量,若在竞争中能达到目前在金属表面的10% 的份额,将具有非常广阔的前景。


2012年10月在上海亚太涂料绿色环保峰会上,我引用的中国林业部数据是2011年全国的人造板总产量是2.09亿立方米,其中MDF是0.49亿立方米。从中国林业网(www.forestry.gov.cn/)2019-06-10统计公报得到的数据,2018年全国人造板总产量为2.99亿立方米,胶合板为1.78亿立方米,纤维板为0.61亿立方米,刨花板为0.27亿立方米,其他人造板为0.31亿立方米(细木工板占53%)。人造板的总产量虽然增长不快,年均增长率还是4%左右。


若2%的中纤板用粉末喷涂,按20mm厚计算,有0.61亿平方米,按单涂双面每公斤粉末喷涂4m2,需要1.5万吨粉末。随着技术的发展,将来除MDF板之外的纤维板例如胶合板、爆花板等也可以进行粉末喷涂。若达到10%的人造板及一些特种实木用粉末喷涂,预计有30多万吨用粉量的潜在市场。



标签:工业涂料辅料与设备涂装应用技术中心水性木器漆粉末涂料涂装
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