李雪濤，張文標(biāo)，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(biāo)1，李文珠1，陳天軍2，陳君麗2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)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(duì)櫸木板材進(jìn)行預(yù)熱、涂聚氨酯底漆、涂水性底漆和預(yù)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(jìn)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(duì)樣品涂膜性能按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)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(guò)砂光、預(yù)熱處理，再進(jìn)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(cè)試

山毛櫸，中文學(xué)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(shù)種之一。在中國(guó)貿(mào)易使用過(guò)程中常俗稱“櫸木”。在中國(guó)家具用材、室內(nèi)裝飾裝修以及畫(huà)架畫(huà)箱等領(lǐng)域起到獨(dú)特作用[1]。然而櫸木是一種生物有機(jī)材料，會(huì)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(kāi)裂以及變形等缺陷，為克服和改善其缺陷，需進(jìn)行表面涂飾處理，常見(jiàn)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(duì)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(jī)溶劑為主涂料[3]。溶劑的揮發(fā)會(huì)造成環(huán)境污染，危害人體健康，而近年來(lái)開(kāi)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(guò)程中，存在工序復(fù)雜、烘干時(shí)間長(zhǎng)、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(diǎn)。此外，還存在運(yùn)輸安全性問(wèn)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(diǎn)，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(yīng)用成為熱點(diǎn)[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(gè)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(dǎo)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(guò)開(kāi)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(shí)木的表面粉末靜電噴涂提供參考。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)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(shù)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(cāng)）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(mén)業(yè)股份有限公司提供；180#、240#、320#砂紙，無(wú)錫市順達(dá)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(yàn)設(shè)備：GUYI旋轉(zhuǎn)翼式靜電粉體噴房，蘇州固藝涂裝設(shè)備有限公司；DK2008木材含水率測(cè)試儀，杭州太克干燥設(shè)備有限公司；101-5A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海愛(ài)斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司；WJD-2000型靜電高壓發(fā)生器，杭州萬(wàn)佳涂裝設(shè)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(cè)儀，天津市精科材料試驗(yàn)機(jī)廠；QHQ-A型便攜式鉛筆劃痕實(shí)驗(yàn)儀，臺(tái)州市艾測(cè)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(yàn)方法

1.2.1 表面處理工藝

櫸木板表面粗糙，還存在許多細(xì)微凹坑孔隙。粉末涂料在熔融流平過(guò)程中會(huì)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(yàn)采用4種不同的表面處理方法進(jìn)行試驗(yàn)，具體工藝步驟見(jiàn)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(jìn)行除塵處理，經(jīng)砂磨后提高了表面的平整度，①中對(duì)櫸木板材采用預(yù)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(duì)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(chǔ)上再進(jìn)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(jìn)行①的步驟，一次噴涂的目的主要是為二次噴涂提供一個(gè)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(duì)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(yù)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(duì)噴涂及涂膜性能有影響。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)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(jí)，有較好的上粉率；含水率小于4%時(shí)，櫸木板導(dǎo)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(shí)水分揮發(fā)量過(guò)大，易造成涂膜產(chǎn)生針孔氣泡和開(kāi)裂。因此，木材含水量最好不大于10%。①和④預(yù)熱溫度為80～125℃，預(yù)熱5～10 min。對(duì)木制品采取預(yù)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(guò)少則可能導(dǎo)致漏底和熔融流展不均，噴粉過(guò)多則涂膜的桔紋嚴(yán)重。試驗(yàn)設(shè)定的固化條件為150℃/3 min。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)定靜電電壓為60 kV，電壓過(guò)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(yù)熱處理過(guò)的櫸木板材試樣懸掛于噴房的靜電發(fā)生器軸上進(jìn)行噴涂試驗(yàn)。

1.3 涂膜性能檢測(cè)

本試驗(yàn)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(cè)方法參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》和GB/T 13323—2008《木家具通用技術(shù)條件》進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2給出了4種不同基材表面處理方法對(duì)涂膜性能的影響。

表2 不同基材表面處理方法對(duì)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(duì)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(guò)程中，粉末涂料中的氣體從底層穿過(guò)高黏度的、已接近封閉的彈性樹(shù)脂層到達(dá)涂層表面，未能逸出而形成的缺陷?？s孔是由未被充分潤(rùn)濕的小顆粒與周圍不相容的樹(shù)脂所形成的圓渦，即在一個(gè)較大的下陷圓渦中有一個(gè)突出的小點(diǎn)[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(guò)的櫸木板材受熱后，板內(nèi)的空氣和水分會(huì)揮發(fā)至板面影響涂膜的固化。表面的粗糙程度還會(huì)使熔融固化過(guò)程的粉末不能很好的流展，無(wú)法形成均一的涂層。板材的含水率過(guò)高也會(huì)有鼓泡現(xiàn)象。采取合理的預(yù)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(duì)方法①的工藝至關(guān)重要。采用方法②的基材都經(jīng)過(guò)聚氨酯底漆處理，通過(guò)噴涂會(huì)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(méi)有針孔和縮孔等現(xiàn)象，主要是由于聚氨酯底漆填補(bǔ)了基材表面的孔隙，阻擋了基材內(nèi)部水分向表層移動(dòng)，并且經(jīng)砂光過(guò)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(shí)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(duì)基材表面進(jìn)行處理過(guò)程中，基材會(huì)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(huì)難一些，會(huì)導(dǎo)致基材表面不夠平整，從而導(dǎo)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(bǔ)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(duì)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(guò)物理和化學(xué)作用力結(jié)合在一起的堅(jiān)牢程度[14,15]。漆膜的附著力是考核漆膜性能的重要指標(biāo)之一，方法①和④都沒(méi)有采用其他底漆處理。粉末涂料在熔融過(guò)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(yàn)使用的涂料是環(huán)氧-聚酯粉末涂料，其官能團(tuán)為聚酯樹(shù)脂的—COOH基團(tuán)，而櫸木中的纖維素、半纖維素中含有大量的—OH基團(tuán)，兩個(gè)基團(tuán)在一定條件下反應(yīng)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(shí)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(tuán)，增強(qiáng)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(xué)反應(yīng)從而提高了漆膜表面的附著力。方法④中環(huán)氧樹(shù)脂與聚酯樹(shù)脂的粉末涂料在固化過(guò)程中發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，聚酯樹(shù)脂中的羧基和環(huán)氧樹(shù)脂中的環(huán)氧基所發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)是加成聚合反應(yīng)，無(wú)水生成。固化涂層經(jīng)砂光處理使表面平整光滑，再次進(jìn)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(xué)反應(yīng)，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(guò)的基材再進(jìn)行粉末噴涂，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，涂層的脫落主要在于粉末涂層與上層底漆層之間。這說(shuō)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(shí)也小于粉末涂層與基材表面之間的附著力。②中試驗(yàn)所用的底漆為市場(chǎng)上通用的聚氨酯底漆，它的成膜方式為自然成膜，無(wú)須特殊工藝。聚氨酯底漆為雙組分化學(xué)結(jié)構(gòu)：甲組分（固化劑）的異氰酸酯基（—NCO）+乙組分（醇酸樹(shù)脂）的羥基（—OH）=聚氨酯?；呐c聚氨酯底漆發(fā)生了物理和化學(xué)形式的結(jié)合，其中以化學(xué)結(jié)合為主，附著力增強(qiáng)。聚氨酯底漆含有的少量醇酸樹(shù)脂的羥基與粉末涂料中的羧基之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而增強(qiáng)兩層涂膜間的結(jié)合力。因?yàn)榇妓針?shù)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。化學(xué)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(yàn)所用的水性底漆的主要成分是不飽和的丙烯酸樹(shù)脂，官能團(tuán)主要為極性基團(tuán)—OH，不飽和聚酯樹(shù)脂與櫸木表面具有相同的極性基團(tuán)—OH，他們之間可形成分子間的范德華力，增強(qiáng)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(guò)的基材表面充分接觸，并且與—COOH基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合力增強(qiáng)。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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(duì)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(qiáng)，光澤度也就越高。而砂磨處理后的涂層表面粗糙度相對(duì)于打底漆的仍較高，表面平整度相對(duì)較差，導(dǎo)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(jìn)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(jìn)而致使涂膜光澤度更低。從試驗(yàn)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(yàn)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(duì)基材表面硬度較高，同樣的作用力，在無(wú)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(duì)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(wú)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(dǎo)致涂膜流平性不好，也降低了光澤度，影響涂膜的防護(hù)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(dá)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(cè)結(jié)果已經(jīng)達(dá)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(jí)，耐液性好，耐水蒸氣。方法①主要是由于基材表面含水率無(wú)法控制從而導(dǎo)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(xiàng)檢測(cè)性能也都達(dá)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(cè)結(jié)果為：涂膜表面平整，無(wú)縮孔、針孔以及鼓泡等缺陷，視覺(jué)效果良好。

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10．13752／j．issn．1007－2217．2016．04．007

2016-09-20

浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目（2014C02019）