林进辉 黄文敏 江宛芸 何国瑞 熊学军
(东莞大宝化工制品有限公司，东莞523820)
摘要
为了落实国家“油改水”之环保政策，大宝漆在今年建立水性家具涂装流程的标准化与自动化，依托智能化涂装测试线模拟家具行业客户实际生产线，提供全套的水性涂装解决方案，并协助家具厂成功实现油改水计划。本解决方案在于全方位处理好立体干燥设备系统，主要分为智能微波干燥炉、纳米电解干燥炉、IR场效应干燥炉及光固化干燥炉。本篇重点探讨了单组分与双组份的水性木器涂料在何种的干燥条件下可以达到最佳的干燥效率以及通过较好的物性检定。
关键词：智能化涂装、微波干燥炉、纳米电解干燥炉、IR场效应干燥炉
1 前言
在国家与日俱增的环保政策要求之下，家具企业纷纷把“油改水”计划提上了日程，而众所周知在油改水发展上最大的瓶颈则是在于水性涂料的干燥问题。时下最具话题且环保的水性木器漆，最终瓶颈都与干燥问题息息相关；因水作为水性涂料中主要的分散介质，使得水性涂料的干燥性较溶剂型木器涂料更易受到温度和湿度的影响。
有鉴于此，如何将先进的涂装工艺、干燥设备与水性木器漆完美的结合，进而达到最佳的干燥速率，即是如今最大的课题，若可完善解决好遭遇到的瓶颈问题，也就可以更好的推广应用水性木器漆。
1.1 大宝智能化涂装设备的新生
为了解决水性家具漆自动化生产所面临的重要问题，大宝漆联合中国科学院电子计算研究中心（ICT），同时与设备供应厂商合作，采用前瞻技术，历时近3年，耗费千万，共同研发了拥有专利技术的全方位立体干燥设备系统，并率先打造了中国涂料界首家大规模的智能化涂装测试线。
大宝漆智能化涂装测试线分为：智能传输系统、自动混气喷涂系统、吊线水性静电喷涂系统、干燥系统及污水循环处理系统；其中以干燥系统为核心，分为智能微波干燥炉、纳米电解干燥炉、IR场效应干燥炉及光固化干燥炉，可以满足家具厂客户实现水性家具涂装安全、快捷干燥的需求。
大宝漆智能化涂装测试线控制室
该涂装测试线的功能特点与优势主要体现在以下几方面：
一、业界独一无二的立体干燥炉；
二、实现真正的绿色环保生产；
三、涂装效果优良，可实现批量生产。
1.2 主要智能化涂装设备的介绍
一、采用6轴喷涂机器人：
机器人喷涂
可以将油漆流量、雾化空气压力、喷涂幅度…等等参数数据化、标准化。同时机器人的移动轨迹绝对规范，喷涂时喷幅的搭接均匀一致，走枪速度均匀稳定，喷枪角度也规范一致，因此提供均匀且膜厚相当规范的喷涂质量，为后面的干燥提供了标准一致的待干工件。
二、IR场效应干燥炉：
Fig. 2 IR场效应干燥炉
该设备通过应用适合于水性漆波长的红外电磁波进口灯管对工件的表层及漆膜层直接加热，使得油漆中的水分快速上升到漆膜表面，进行挥发。同时避免工件待干环境温度过高，使油漆漆膜不因过早结皮影响水分的挥发。
IR场效应干燥炉通常应用于平板类工件的前段干燥，后一段可搭配热风循环干燥炉，可使油漆在1小时内实现完全干燥。
三、智能微波干燥炉:
Fig. 3 智能微波干燥炉Fig. 1 6轴喷涂机器人喷涂
采用2450MHz的电磁波对喷涂好的工件进行加热。主要透过电磁波穿透漆膜及工件，使工件及漆膜中的水分因共振摩擦而发热，而让油漆中的水分得以快速上升到漆膜表面进行挥发。同时避免工件因待干环境温度过高，使油漆漆膜不因过早结皮影响水分的挥发。
立体微波干燥炉主要作为立体工件的前段干燥设备。后一段再搭配热风循环干燥炉，可使油漆在1小时内实现完全干燥。
四、纳米电解热风干燥炉:
Fig. 4 纳米电解热风干燥炉
本设备的特点是当作业工件在喷涂了水性漆之后吸收了定量的水份，在自然状态下水分逐渐往内渗入，但通过纳米级的电解温湿中控系统时，由于温湿差的恒定变化令板内水分子加速定向运动，纳米电解干燥技术更是起到了湿而不起露、干而不表蒸，从而达到由里往外干的效果。
2 试验设备原料
2.1 主要试验涂料
序号 | 产品名称 | 双组份5分消透明面漆 | 单组份5分消透明面漆 |
1 | 类 型 | 羟基丙烯酸乳液 | 水性丙烯酸乳液 |
2 | 固含量 (%) | 35.5±3 | 34±3 |
3 | 黏 度 (KU) | 50～60 | <100 |
4 | 光 泽 (%) | 50～56 | 50~55 |
5 | pH 值 | 7.0～8.0 | 8.0～9.0 |
6 | 比 重(g/L) | 1.0637 | 1.0304 |
2.2实验仪器设备
序号 | 设备名称 | 设备厂商/型号 |
1 | 智能传输系统 | 鼎立 |
2 | 干燥系统 | |
智能微波干燥炉 | ICT&TAIHO | |
纳米电解干燥炉 | TAIHO&LISAN | |
电磁波红外线干燥炉 | DINGLI | |
3 | 污水循环系统 | DINGLI |
4 | 喷枪 | W-71 |
5 | 光泽仪 | IG-320 |
6 | 高速搅拌机 | CHF-100A-IR5G-S2 |
7 | 电子称 | XS 3250 |
8 | 铅笔固度测试仪 | CT-291 |
9 | 附着力测试仪 | Super |
10 | 耐弯曲测试仪 | SISI-306 |
11 | 重压锤 | - |
2.3水性木器面漆的检测标准
序号 | 检测项目 | 物性要求 | 检测标准 |
1 | 涂膜外观 | 平整光滑 | 目测 |
2 | 干燥时间 | HG/T3838-2006 | |
表 干(min) | 30 | ||
实 干(hr) | 2 | ||
3 | 硬 度 | - | ISO 15184-1998 |
4 | 密 着 性 | 0 | GB/T 9286-1998 |
5 | 光泽(60o) % | 50±5 | GB/T 9754-1988 |
6 | 打 磨 性 | 良好 | GB/T 13453.2-1992 |
7 | 耐 弯 曲 | ≤2mm | CNCIA-HG/T 0004-2012 |
8 | 耐水测试 | 24h无异常 | EN 12720* |
9 | 耐 醇 性 | 无异常 | EN 12720* |
3 结果与讨论
Table. 1为主要针对单组分及双组分水性木器漆在不同的干燥方式下进行干燥速率的探讨，从Table. 1与Fig. 5之中可以发现双组份涂料无论在何种干燥方式下其指触速度都较单组分涂料稍快，但在指压时间上比起单组分涂料需要更长的时间，这点除了在纳米电解热风干燥之外，其余几种干燥方式都有相当显著的差异。导致此种差异主要可能是由于双组分中的固化剂与空气中的水先起了反应，使漆膜表干速度较快，但后段干燥时由于双组分属于反应型的涂料，需待涂膜反应完全方能达到指压，故指压稍慢于单组分涂料。
干燥方式 | 纳米电解热风干燥 | 红外线干燥 | 常温干燥 | 微波干燥* | ||||||
干燥区段 | step1 | step2 | step3 | step1 | step1 | step1 | step2 | |||
温度(℃) | 37.3 | 54.8 | 63.2 | 42.2 | 25 | 40 | 45 | |||
湿度(%) | 57.1 | 0.9 | 5.2 | 46.2 | 69.3 | － | － | |||
风速(m/s) | 3.4 | 3.5 | 3.2 | － | － | － | － | |||
停留时间(min) | 27 | 13 | 13 | － | － | 2'30" | 1'00" | |||
涂膜厚度 | 100 g/m2 | |||||||||
测试涂料 | 指触 | 指压 | 指触 | 指压 | 指触 | 指压 | 指触 | 指压 | ||
单组分清面 | 13'40" | 34'10" | 9'23" | 19'40" | 62'27" | 142'15" | 7'15" | 24'37" | ||
双组分清面 | 12'15" | 43'32" | 7'06" | 39'31" | 66'54" | 217'43" | 5'38" | 45'06” | ||
*先进行微波干燥，涂膜表干后进行纳米电解热风干燥
Table. 1 水性木器干燥设备之探讨
另外，以不同的干燥方式来观察，其中微波干燥法的表干速度最快，仅需5-7分钟即可表干，但在由于微波干燥法持续不断的升温将会导致漆膜的损毁，因此在漆膜表干之后需额外搭配纳米电解热风干燥炉进行后续的实干烘烤，因此后续所叙述的微波干燥法皆是先采用微波干燥后纳米电解热风干燥的方式。而红外干燥法则是在四种干燥方式下最快指压最快的干燥法，单组分仅需19min，双组分清面约需39min。
单组分清面以及双组分清面的基本物性测试如Table. 2及Table. 3所示，从表中可以观察到无论是单组分清面或是双组分清面，在常温干燥下的透明度都是最差的，且跟5分消的面漆所要求的光泽亮度相比都偏暗7-8度左右，其余三种加了烘烤设备的干燥方式透明度与光泽差距甚小，不似常温干燥如此明显。另外在指压后的隔日进行硬度测试，也可发现双组分清面在常温干燥的条件下，硬度从平均的F级下降至B级，而单组分清面在常温干燥的条件下的降幅更为明显，硬度从2B大幅下降至5B。而在耐弯曲与密着性上，四种干燥方式无太大的差异，无论单、双组分清面都可达到最小的2φmm耐弯曲等级，密着也皆能达到最佳的0级。
测试物性 | 纳米电解热风干燥 | IR场效应干燥 | 常温干燥 | 微波干燥 | |
透 明 性 | 3 | 2 | 4 | 1 | |
光 泽 | 47.0% | 47.4% | 41.6% | 48.8% | |
硬 度 | 2B | 2B | 5B | 2B | |
耐 弯 曲 | 2φmm OK | 2φmm OK | 2φmm OK | 2φmm OK | |
重压 | 1psi | ？ | ？ | × | ？ |
2psi | Δ | Δ | × | Δ | |
密 着 性 | 0级 | 0级 | 0级 | 0级 | |
耐 水 性 | ？－ | Δ | × | ？－ | |
耐 醇 性 | Δ | ？－ | Δ－ | ？ | |
Table. 2 单组分透明面漆物性测试
测试物性 | 纳米电解热风干燥 | IR场效应干燥 | 常温干燥 | 微波干燥 | |
透 明 性 | 3 | 1 | 4 | 2 | |
光 泽 | 52.4% | 53.2% | 42.0% | 51.7% | |
硬 度 | F－ | F | B | F | |
耐 弯 曲 | 2φmm OK | 2φmm OK | 2φmm OK | 2φmm OK | |
重压 | 1psi | ？ | ？ | × | ？ |
2psi | ？ | ？ | × | ？ | |
密 着 性 | 0级 | 0级 | 0级 | 0级 | |
耐 水 性 | ？ | ？ | Δ－ | ？ | |
耐 醇 性 | Δ＋ | ？ | Δ | ？ | |
Table. 3 双组分透明面漆物性测试
此次的漆膜表面抗性特别以较严苛的方式进行测试，搭配四种不同的干燥法在漆膜指压之后立刻进行重压、耐水性、耐醇性的测试：从Table. 2及Table. 3中可以观察到在常温干燥的条件下甚至无法通过重压1Psi的测试条件，其余三种加了烘烤设备的干燥方式至少都能通过1Psi的重压测试；另外对照Table. 2及Table. 3也可以发现，双组分清面的重压测试也较单组分清面表现优异，加了烘烤设备的干燥方式皆能通过2Psi的测试条件。在耐水性及耐醇性上，综合两者以常温干燥法的效果最差，微波干燥法的效果最佳。
在水性木器漆的干燥上不适合使用常温干燥法：主因为不可控的环境温湿度将导致漆膜无法干透，漆膜发朦严重，光泽、硬度、重压、耐水性、耐醇性测试都无法通过等弊病。而在不考虑成本的条件下，综合整体干燥速度及物性表现最佳的为微波干燥法。若是有成本上的考虑，因微波干燥本身为三种干燥设备中最为昂贵的设备，IR场效应干燥炉次之，纳米电解热风干燥炉再次之；且微波干燥法还需要额外再搭配纳米电解热风干燥炉进行后段的干燥工作，在成本上必定将会提升许多，此时最高性价比的设备就成了大宝所开发出来的纳米电解热风干燥炉。
纳米电解热风干燥炉不仅有不错的干燥速度，在其余的基本物性上也都能达到标准值。主因为大宝的纳米电解热风干燥炉可保证漆膜内外干燥的一致性，从而解决了后继可能出现的漆膜龟裂、发朦及涨筋等异常现象，进而避免家具厂和涂料厂由于涂料涂装干燥条件不好，而引起的的质量问题。
4 结论
根据不同的干燥方式测试，可以得到以下的结论：
1.双组分面漆比单组分面漆表干快；但在指压上单组分面漆较双组分面漆更快干。
2.整体物性测试上，双组分面漆远胜于单组分面漆。
3.在水性木器漆上，常温干燥法不可行：不仅干燥速度最慢还会受到不同温湿度影响，综合的物性表现也是最差。
4.微波干燥法不可单独使用，持续不断的微波加温会导致漆膜遭受严重破坏，因此在涂膜表干后需搭配纳米电解热风干燥炉使用。
5.在基本的物性对比测试上：微波干燥＞IR场效应干燥＞纳米电解热风干燥＞常温干燥。
综合干燥速度及物性来对比，以微波干燥炉搭配上纳米电解热风干燥炉可达到最佳效果；但若是考虑到成本因素，亦可以采用大宝所开发出的新型纳米电解热风干燥炉进行干燥，在指压后仍可以达到不错的基础物性。
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