本文简述了水性木器涂料的成膜基理，并结合干燥原理对各种不同的干燥方式进行了优劣分析，对家具厂商的涂装线改进提供了建议。

　　嘉宝莉自行研发并拥有自主知识产权的水性木器漆混合干燥技术(指微波红外联合干燥)，可以高效快速的干燥水性木器漆，并将最后残留在漆膜中的10-15%的水份在施工过程中一并提出，消除残留水份对木质产品的隐形破坏，并快速建立硬度。

　　关键词：水性木器涂料；干燥；涂装

　　0引言

　　随着社会环保意识的增强，水性木器涂料得到越来越多的终端消费者的青睐，水性木器涂料的研发力度和产品性能也得到的极大的提高，伴随着木器涂料水性化越来越高的呼声，但水性木器涂料的发展越停滞不前，整个行业处于“行情热市场冷”的尴尬局面，终其原因在于水性漆自身汽化潜热过大、挥发速率慢的影响，其干燥过程中受温度和湿度的影响明显大于溶剂型涂料，现有的涂装干燥设备直接用于水性木器涂料难以满足家具厂的生产节拍和订单任务，从而极大的制约了水性木器涂料的大面积推广。

　　1水性木器漆的成膜机理

　　水性木器漆的干燥成膜基本分两种形式，一种是单纯的水的挥发即物理性变化；另一种是通过树脂之间的化学交联反应形式高分子量耐久性极强的涂膜，此类属于化学变化。按照这两种不同的干燥成膜形式，其成膜机理也有着相应的不同。

　　1.1溶剂挥发型

　　溶剂挥发型木器漆在成膜过程中只发生溶剂或水的蒸发而无分子间的化学反应，市面上通行的水性单组份木器漆主要就是这种成膜形式。单组份木器漆在水分发挥过程中产生的毛细管力压迫乳胶粒，在成膜助剂的作用下发生乳胶粒的溶胀，最终通过乳胶粒的相互扩散融合而形成完整致密的漆膜，图1-1为水性单组份木器漆的成膜机理示意图。

　　1.2化学反应型成膜

　　市售的水性双组份聚氨酯木器漆就是通过化学交联反应来实现最终成膜的。对于水性涂料来讲，物理成膜和化学成膜往往并不是孤立分离的，而是常常交替重叠地进行。含-OH的丙烯酸乳液在外加固化剂的情况下发生了活性基团之间的交联反应形成不溶不融网状结构，从而使漆膜性能大大提高。

　　图1-2水性双组份木器漆成膜机理示意图

　　图1-2水性双组份木器漆成膜机理示意图

　　水性双组份木器漆成膜过程主要可以分为四个过程。一：水的挥发；二：伴随着水分的进一步挥发，乳胶粒子在毛细管力作用下发生凝聚变形即物理成膜；三：随着凝聚的进一步发生，乳胶粒子中的活性基团和固化剂开始发生交联反应；四：交联反应停止，形成均相的固化反应的涂膜。

　　2干燥原理

　　从前述的水性木器漆成膜机理来看，水性漆要最终形成完整致密的漆膜，的必不可少的一个重要环节就是干燥(水、成膜助剂的挥发)。干燥，泛指从湿物料中除去水分或其他湿分的各种操作。在一定温度下，任何含水的湿物料都有一定的蒸气压，当此蒸气压大于周围气体中的水汽分压时，水分将汽化，汽化所需的热量，或来自于周围的热空气，或由其他外加热源如热传导、热对流以及热辐射提供。值得注意的是，只要物料表面的湿分分压高于气体中湿分分压，干燥即可进行，与气体的温度无关。气体预热并不是干燥的充要条件，其目的在于加快湿分汽化和物料干燥的速度，达到一定的生产能力。也正是因为此，水性木器涂料的干燥速率受环境因素(温度、湿度)影响的程度要明显高于溶剂型涂料。含水物料的蒸气压与水分在物料中存在的方式有关，物料所含的水分通常可分为非结合水和结合水，非结合水是附着在固体表面和孔隙中的水分，它的蒸气压与纯水相同；结合水则与固体间存在某种物理的或化学的作用力，汽化时不但要克服水分子间的作用力，还需克服水分子与固体间结合的作用力，其蒸气压低于纯水，且与水分含量有关。

　　在一定温度下，物料的水分蒸气压pv同物料含水量x(每千克绝对干物料所含水分的千克数)间的关系曲线称为平衡蒸气压曲线(见图1-1)，一般由实验测定。当湿物料与同温度的气流接触时，物料的含水量和蒸气压下降，系统达到平衡时，物料所含的水分蒸气压与气体中的水汽分压相等，相应的物料含水量x*称为平衡含水量。平衡含水量取决于物料性质、结构以及与之接触的气体的温度和湿度。胶体和细胞质物料的平衡水分一般较高，通过干燥操作能除去的水分，称为自由水分(即物料初始含水量x1与x*之差)。

　　图2-1平衡蒸气压曲线

　　图2-1平衡蒸气压曲线

　　3干燥技术

　　在化学工业生产中，要制得合格的产品需除去固体物料中的多余的湿分，常用的除湿方法有机械除湿(离心分离、沉降、过滤)和干燥两大类，其中干燥技术按照不同的分类方法可分为以下几种：

　　表3-1干燥技术的分类

　　干燥技术的分类操作压力操作方式传热方式常压真空连续间歇热传导热对流热辐射介电加热相比溶剂型木器漆，水性木器漆的稀释剂是水，水的比热容高达4.2×103J/(Kg.℃)，其挥发所需要的热量明显高于溶剂，而水分挥发还受环境湿度的影响，当环境湿度过大，水分挥发的传质推动力消失，水性木器漆就会出现慢干甚至是不干现象。为了解决上述问题，进一步推广水性木器涂料的应用，各种强制干燥技术正逐渐应用于水性木器涂料。目前用于水性木器漆的强制干燥技术主要有几种：热风干燥、红外干燥和微波干燥。

　　3.1热风干燥技术

　　3.1.1热风干燥技术的原理

　　常压下湿空气可视为理想气体，根据道尔顿分压定理，水汽分压pv：

　　道尔顿分压定理

　　式中，P为系统总压。

　　系统总压P：

　　公式

　　根据理想气体状态方程可知：

　　公式

　　绝对湿度H，即湿空气中水气的质量与绝干空气的质量之比：

　　公式

　　总压一定时，空气的湿度只与水蒸气的分压有关。当ps=pv时，为饱和湿度，以Hs表示：

　　公式

　　相对湿度：在总压和温度一定时，湿空气中水汽的分压pv与系统温度下水的饱和蒸汽压ps之比的百分数：

　　公式

　　对于湿空气：

　　公式

　　ps随温度的升高而增加，H不变，提高t，公式，气体的吸湿能力增加，故空气用作干燥介质应先预热，热风干燥技术正是基于此理论发展起来的。

　　3.1.2热风干燥技术的优劣分析

　　3.1.2.1热风干燥技术的优势

　　热风干燥技术主要是利用热对流的原理，可以明显加快水性木器漆的干燥速度，设备投入较小，适应性强，是目前应用较为广泛的干燥技术。现今国内大中型家具厂都已经配备有热风干燥线，在家具涂料“油”改“水”的过程中，只需要对现有涂装线进行小范围的改良、对涂装工艺参数进行小幅度的微调，基本就可以满足水性木器漆的正常生产。

　　3.1.2.2热风干燥技术的劣势

　　由于热风干燥过程中温度是通过热传递的方式由表及里对涂膜和板材进行加热，所以对木材和涂膜的加热速度较慢。特别是在冬季，这就势必会延长了整个干燥过程所需要的时间。另外在厚涂的情况下容易发生表干里不干而造成涂膜开裂的情况。此外，热风干燥的效果也容易受到施工情况和外界环境因素的影响，如涂膜的厚度、空气的湿度以及热风的速度等。

　　3.2红外线干燥技术

　　3.2.1红外线干燥技术的原理

　　红外干燥技术，即涂层通过吸收红外线辐射能量并转化为热量最终达到固化成膜的一种干燥技术。红外线是一种电磁波，它的波长范围位于可见光和微波之间，红外线的波长范围是0.76～1000μm，通常可分为远红外(4.0～1000μm)，中红外(2.5～4.0μm)和近红外(0.72～2.5μm)。目前红外干燥技术通常选用远红外干燥，其可穿透到涂膜内部，使涂膜内部温度升高，伴随着物料表面水分不断蒸发带走热量使其表面温度降低，造成涂膜内部温度高于表面，使涂膜的热扩散由内向外发生形成温度梯度。同时涂膜内部也存在着水分梯度而引起水分移动，含水量较多的内部逐渐向含水量较少的外部进行湿扩散，与热扩散的方向一致，从而加速了干燥的进程。

　　3.2.2红外干燥技术的优劣分析

　　3.2.2.1红外干燥技术的优势

　　近红外干燥技术，由于波长短、能量密度高使其具有更强的穿透性，能加快涂膜内部水分的干燥，使涂膜表面与内部干燥速度更均一，因此能在较短的干燥过程中得到较好的涂膜效果。

　　3.2.2.2红外干燥技术的劣势

　　由于温度梯度和水分梯度的存在，远红外干燥不适合干燥较厚的涂膜，涂膜越厚梯度越明显。红外干燥只能加热红外线能够照射到的区域，不能用来干燥立体的物件，并且红外干燥对于能量的消耗也较大。

　　3.3微波干燥技术

　　微波干燥技术属于介电加热方式，微波是波长在1mm～1m之间，频率在3.0×102～3.0×105MHz具有穿透性的一种电磁波。在工业加热上只允许使用特定的频率，在我国为915MHz和2450MHz，其中915MHz的微波可使水分子每秒运动18.3亿次。微波干燥起源于20世纪40年代，到60年代末，微波已能应用于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等领域。由于微波具有的独特优点，使其发展很快，微波技术及其应用作为一项高新技术被指定为我国“十五”计划重点研发项目。

　　3.3.1微波干燥原理

　　当介电质置于交变电磁场中时，带有不对称电荷的分子受到交变电磁场的激励，产生转动，由于物质内部原有的分子无规律热运动和相邻分子之间作用，分子的转动受到干扰和限制，产生“摩擦效应”，结果一部分能量转化为分子热运动功能，即以热的形式表现出来，从而物料被加热。也就是电场能转化为势能，尔后转化为热能。

　　单位体积内介质吸收的微波功率Pɑ与该处的电场强度和频率f有下列关系：

　　Pɑ=2πε0ε′tɑnδE2f

　　式中：ε0—真空中的介电常数，ε0=8.85×10-12(A•s)/(V•m)；

　　ε′—介质的“介电系数”，是表征介质极化程度的参量，(A•s)/(V•m)；

　　tɑnδ—介质的“损耗正切”，是表征介质损耗的参量；

　　E—电场强度，V/m。

　　3.3.2微波干燥技术的优劣分析

　　3.3.2.1微波干燥技术的优势

　　一般介质的穿透深度大致与波长是同一数量级。以915MHz(λ=33cm)和2450MHz(λ=12.2cm)的常用加热频率来讲通常被干燥物料D值大约为几十厘米到几厘米的范围，除很大的物体外，一般可以大致做到表里一致均匀加热。在加热过程刚开始时，物料含水量高，自由水分子占多数，此时ε″是负温度系数(dε″/dt<0，即温度升高ε″下降)，故温度低的地方ε″大，吸收功率多，温度高的地方ε″小，吸收功率少，有利于均匀加热。由于水的介电常数比干物质大的多，电磁场释放的绝大部分被水分吸收，能使水分子迅速摆动而产生明显的热效应。

　　3.3.2.2微波干燥技术的劣势

　　微波干燥技术在设备上的投入较大，同时微波干燥所需的能量为高品阶的电能，电能转化为微波过程中大约有40%左右的损耗，其能源消耗较大。在干燥后期，自由水分子已经大部分蒸发，剩下的主要是结合水分子，此时ε″变成正温度系数(dε″/dt>0，即温度升高ε″升高)，越是温度高的地方，ε″越是大，吸收越是多，而且随着温度的升高，吸收功率随之增多，温升更大，最后会有失去控制的危险。结果会使温度急剧上升，造成过热，使产品烧焦，在严重时甚至能着火。此外，微波干燥线泄露出来的微波也会对人体会产生伤害。

　　4家具厂商涂装线改进建议

　　随着全国范围内限制溶剂型家具木器漆、鼓励使用水性漆的政策性文件密集出台，家具用水性木器涂料取代传统的溶剂型木器漆是不可逆转的趋势。在这样一个令人振奋的环保大潮下，家具厂商如何改进现有涂装生产线以适应水性木器涂料的施工成为了一个必须要面临的现实。涂装生产线的改进，包括涂装生产线上干燥设备的改进、设备参数的调节、工艺流程的调整等。对于已经配备有热风干燥条件的厂家，在保留热风干燥优点的同时，可以通过利用木材加工的尾料进行生物质造粒作为热风干燥的清洁能源热源，提高能源利用率，降低生产成本，可以通过加装除湿设备提升热风的吸湿能力加快涂料干燥；对于新建涂装线，也可以利用红外、微波干燥技术以及多种干燥技术联用的技术实现水性木器涂料的快速干燥。