全水性木器涂料涂装技术创新研究

张健1，杨森杰¹，陈加驹¹，李新兵¹，孙玉慧²

1.苏州百得胜智能家居有限公司, 2.中国林业科学研究院木材工业研究所

摘要：针对全水性木器涂料涂装家居产品目前存在的涂装表面性能差、生产环境要求高、生产效率低等问题，在涂料配方、涂装设备、涂装工艺和智能自动化生产方面进行了创新研发。通过双组分水性涂料原料配方优化，以静电旋杯离心力雾化和静电场定向吸附的组合技术，提升产品漆膜硬度，并且显著提升了涂料利用率和产品合格率；通过采用全水性涂料、三底二面固色涂装工艺，使每一层涂装紧密贴合，形成坚固的保护层，提高耐光色牢度，并且不产生刺激性气味；采用热风光波干燥技术，解决水性涂料成膜、干燥难的痛点，2.2 h内完成六面一体涂装。  

关键词：全水性木器涂料; 原料配方优化; 静电旋杯喷涂;

针对全水性木器涂料涂装家居产品目前存在的涂装表面性能差、生产环境要求高、生产效率低等问题，在涂料配方、涂装设备、涂装工艺和智能自动化生产方面进行了创新研发。通过双组分水性涂料原料配方优化，以静电旋杯离心力雾化和静电场定向吸附的组合技术，提升产品漆膜硬度，并且显著提升了涂料利用率和产品合格率；通过采用全水性涂料、三底二面固色涂装工艺，使每一层涂装紧密贴合，形成坚固的保护层，提高耐光色牢度，并且不产生刺激性气味；采用热风光波干燥技术，解决水性涂料成膜、干燥难的痛点，2.2 h内完成六面一体涂装。

随着人们环保意识的日益增强和挥发性有机化合物（VOCs）排放法规的日趋严格，涂料行业正经历着从传统溶剂型转向环境友好型的深刻变革。在此背景下，水性涂料以水为分散介质，具有VOCs含量极低、无毒无味（或低气味）、施工安全、不燃不爆等突出优点，被公认为是绿色环保涂料产品的主要发展方向之一^［1］。在木质制品领域，应用高性能水性涂料进行表面涂饰，不仅能有效提升产品的美观度和附加值，而且是响应国家“双碳”目标、推动家具及家居产业绿色升级的关键环节。尽管水性涂料优势显著，但其在木质制品，特别是对生产效率和用户体验要求极高的规模化家具制造中的应用，仍面临诸多技术瓶颈，主要体现在干燥固化速度慢，与传统溶剂型涂料相比，水分的蒸发潜热高，导致水性涂膜的干燥和固化速度普遍较慢^［2-3］。水性涂膜性能有待提升，部分水性涂膜的硬度、耐水性及抗粘连性等关键物理性能尚不及优质的溶剂型涂料，难以满足高端木质制品对表面装饰性能的严格要求。气味问题，虽然水性涂料本身气味较低，但是其成膜过程中使用的助剂可能带来令人不悦气味，影响消费者的使用体验和健康感知。相比于紫外光（UV）底漆和水性面漆工艺，目前全水性木器涂料涂装家居工艺的规模化生产企业较少，针对水性木器涂料涂装家居问题，苏州百得胜智能家居有限公司在水性涂料配方、涂装设备、涂装工艺、智能自动化生产等方面进行了创新研发，以满足全水性木器涂料涂装家居生产企业的需求。

1  水性涂料的研发

水性面漆在最表层，对其在固化速度、硬度和表面效果等有较高要求，其中配方体系中树脂优选格外关键。水性树脂的体系决定了水性木器涂料的光泽、表面效果、物理性能等。双组分水性漆与单组分水性漆相比是基于“化学交联”成膜的机理形成了致密的三维网状，在漆膜性能和干燥速度等方面有显著优势，本研究针对双组分水性面漆用多种树脂单个或组合的性能进行了评价。

水性面漆A组分树脂主体是水性羟基丙烯酸树脂分散体。其大体合成工艺为甲基丙酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸、丙烯酸等混合单体制备的3种水性丙烯酸酯分散体，平均粒径30～80 nm，羟值50～70 mg KOH/g，分别标号Acrylate 1#、Acrylate 2#、Acrylate 3#，区别在于单体和引发剂的种类和用量不同。其中，A组分另外一个树脂选用水性羟基聚氨酯分散体，大体合成工艺为多元醇低聚物聚酯二醇、聚己内酯三元醇、亲水单体二羟甲基丙酸、扩链剂丁二醇、1，6-己二醇和少量的三羟甲基丙烷等，滴加六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯，再加入催化剂二丁基锡二月桂酸酯等得到以聚酯多元醇为软段，以异氰酸酯－扩链剂反应产物为硬段的水性羟基聚氨酯分散体，平均粒径80～150 nm和羟基45～75 mg KOH/g，分别标号PU 1#、PU 2#、PU 3#，区别在于使用多元醇低聚物聚酯二醇、二异氰酸酯和扩链剂的种类和用量不同。

综合水性羟基丙烯酸树脂分散体和水性羟基聚氨酯分散体两种树脂的性能特点，进行树脂不同配比的性能研究，试验设计如表1。水性涂料由A组分（主体成份）和B组分（固化剂）组成，B组分选用亲水改性脂肪族多异氰酸酯（HDI三聚体），B组分使用量为A组分质量的10%，成膜助剂选择气味相对较小的二丙二醇甲醚 （DPM）（占A+B质量2%），以及消泡剂（占A+B质量0.2%）、纳米级氧化铝/二氧化钛（分别占A+B质量0.1%和0.1%），测试涂料性能和交联固化后形成的漆膜性能，如表2。

表1　水性面漆树脂筛选试验设计

Tab. 1Test design of screening resin for waterborne topcoat

表2　不同树脂混合的综合性能测试结果

Tab. 2Comprehensive performance test results of different resins

注：表干时间测试时，试样在温度为50°C、相对湿度为50%、风速为0.5 m/s中进行干燥。耐湿热性能的级别越低耐湿热性能越好。

通过试验确定了性能较好的水性羟基丙烯酸树脂分散体Acrylate 1#和水性羟基聚氨酯分散体PU 2#进行复配A5作为A组分的配方。Acrylate 1#主要使用单体为甲基丙烯酸甲酯（MMA）和甲基丙烯酸羟乙酯，属于硬单体，固化速度较快；与PU 2#复配能发挥聚氨酯配方中六亚甲基二异氰酸酯和聚己二酸乙二醇酯二醇、聚己二酸-1，4丁二醇酯二醇兼具硬度与柔韧性特点。通过利用丙烯酸树脂提供优异的耐候性和高硬度，而利用聚氨酯分散体增强柔韧性和耐磨性，达到了调整比例平衡性能与成本目的^［4-5］。通过纳米氧化铝、纳米二氧化钛改性可使其均匀分散在水性羟基聚氨酯和丙烯酸酯分散体中，在这些物质的协同作用下，能够提高涂料的硬度、耐磨性能及抗热性能^［6-7］，达到提高涂料的综合使用性能目的。

2  全水性涂料饰面木质制品工艺流程参数

水性实色漆封闭型饰面板涂饰由不同水性木器底漆和面漆构成，包括单组分封闭底漆、单组分腻子、单组分实色底漆、双组分实色面漆、双组分透明面漆。单组分水性底漆主要组分为水性丙烯酸树脂乳液、成膜助剂、去离子水以及分散剂、消泡剂、增稠剂、防腐剂等助剂，腻子和实色底漆或面漆还包括颜料和填料等。产品涂布量、涂饰次数、干燥工艺参数如表3。

表3　全水性涂料饰面板工艺参数

Tab. 3Process parameters of water-based coating decorative panels

工艺流程：在基材进行砂光处理后涂布水性封闭第一道底漆，起到深度渗透与封闭作用^［8］。再涂布第二道水性腻子，其中添加了紫外光吸收剂和稳定剂，大幅减缓紫外光降解作用。第三道底漆是水性实色底漆，其作用是修色外加防黄变增强层，其配方能防止因紫外线照射或氧化导致的涂层自身以及底层变黄。两道底漆和一道腻子的协同作用形成一个“紧密贴合”的、坚固的复合底漆保护层。第一道水性实色面漆主要起到修色和保护作用。第二道水性透明面漆具有装饰和保护性能，其作用之一是增加丰满度和光泽度等漆膜表面效果。

依据团体标准T/CNFPIA 3027—2023《水性涂料饰面木质制品》，全水性涂料饰面木制品性能如表4。本研究全水性涂料饰面板漆膜硬度可达H，传统水性漆膜硬度仅为B；耐干/湿热性能、耐光色牢度也优于传统水性漆产品。总挥发性有机化合物（TVOC）释放量0.121 mg/m³，低于GB 18584—2024《家具中有害物质限量》限量要求<0.5 mg/m³；8大重金属零检出，优于GB 18584—2024限量值要求，并且气味等级≤2级。

表4　全水性涂料饰面板理化性能测试结果

Tab. 4Test results of physical and chemical properties of all-waterborne coating decorative panels

水性面漆在最表层，对其在固化速度、硬度和表面效果等有较高要求，其中配方体系中树脂优选格外关键。水性树脂的体系决定了水性木器涂料的光泽、表面效果、物理性能等。双组分水性漆与单组分水性漆相比是基于“化学交联”成膜的机理形成了致密的三维网状，在漆膜性能和干燥速度等方面有显著优势，本研究针对双组分水性面漆用多种树脂单个或组合的性能进行了评价。

3  全水性涂料涂装工艺优化

3.1 关键设备的研发

1）用于水性涂料静电喷涂的静电旋杯系统。

静电旋杯系统（见图1）由华甦（广州）环保新材料有限公司提供，静电旋杯离心力雾化和静电场定向吸附组合技术主要用于水性面漆喷涂，旋杯转速达50 000 r/min，涂料在离心力作用下超高速雾化细至10～25 μm的颗粒。旋杯连接高压静电发生器，负极性，-90～-60 kV，决定静电场的强度，能产生较好的吸附力和包裹性，控制漆雾的形状（扇形面宽窄）和穿透力。使雾化颗粒带负电，板件接地形成正极，带电颗粒被吸附至板件表面，提升附着效率，提高涂层外观与性能。在恒温恒湿手术室级高洁净的生产环境下，实现表面效果一致性、色差一致性、交付效率高。相比价格在80～10 000元的传统手工往复式喷枪，更高端更专业。在涂料利用率、雾化成微米级颗粒、降低VOCs释放量方面与传统喷涂和往复式喷涂有明显提升。相比传统涂装，静电旋杯喷涂在效率、质量、环保性能上全面领先，更符合严苛环保法规；废漆处理成本降低，工作环境更清洁，对比详见表5。

图1 静电旋杯系统

Fig. 1 Electrostatic rotary cup system

表5　静电旋杯喷涂与其他喷涂工艺效果对比

Tab. 5Comparison of the effectiveness of electrostatic rotary cup system and other spraying processes

2）用于水性涂料干燥的热风光波干燥技术。

用于水性涂料饰面木制品干燥的热风光波干燥技术，是一种热风烘干与辐射加热的复合干燥技术。红外辐射加热技术不加热空气，而是发射特定波长的电磁波，被水性涂料的漆膜及其被涂覆的板材吸收，引起分子振动，从而在内部产生热量。热风烘干是利用逆卡诺原理，通过压缩机系统运转吸收空气中的热量来加热烘干房内的空气，烘干房内的热空气会经过多次循环加热，有效吸收物料中的水分，能减少木制品开裂、变形，干燥均匀。热风烘干保证整体环境温度均匀，红外辐射可以进行针对性补强，解决干燥死角问题，环保安全，无废气、废水排放。热风光波干燥设备运行温度相对较低（与燃煤、燃油比），安全可控，智能化程度高。该项技术解决了水性涂料成膜、干燥难的痛点，同比传统干燥方式节能30%，实现大规模、低成本、高效率的水漆木制品连续化生产。

3.2 生产流程的优化

目前，市场上的大部分产品仅对一张板的正面进行涂饰，而背面采用传统饰面纸、4个侧面仍采用封边条等进行装饰，这样容易导致板件的六面材质、颜色、花纹不统一。区别于单面喷涂，多次装夹生产流程，本研究采用“六面一体”立体传送方式，依靠更先进的智能漆枪线配合系统算法的涂料处理方式，对板件的六个面进行均匀、一次性、连续式的喷涂处理。通过智能涂装线，将一张板的六个面都采用同样的水性涂料进行涂饰，使得整体风格和效果达到统一，实现了智能自动化生产，喷涂仅需2.2 h，相比传统涂装的60～80 h，效率提升达26～35倍。并且传统涂装方式人效为36 m²/天，“六面一体”智能涂装线人效提升至175 m²/天。

4  结论与展望

全水性涂料饰面木制品技术创新体现在水性涂料原材料的研发、关键生产设备开发、智能自动化涂装设备生产线的自主设计、产品生产工艺流程的设计。产品以双组分水性漆涂料为原料，采用静电旋杯通过离心力雾化+静电场定向吸附的组合，实现了涂料的高效转移与均匀成膜，在提升涂装质量的同时显著降低资源消耗。依托先进的漆枪线配合AI系统算法，实现智能自动化生产，有效解决了水性漆涂装在工艺、成本、交付效率等方面的多重难题。另外，产品生产环保合规，成本显著降低，从源头减少排放，避免昂贵的VOCs末端治理设备投入（油性漆需200万以上）和每年高昂的运营费用。产品适用于家具制造、建筑装饰等行业，市场前景广阔。

尽管全水性木器涂料涂装技术已取得长足进步，但其未来发展仍充满挑战。展望未来，以下几个方向将是研究与产业化的重点。1）成本与价格壁垒：核心树脂、特种助剂成本高昂，导致产品最终价格显著高于传统油性漆和中低端水性漆。可通过积极与国内化工企业合作研发，实现关键树脂和助剂的国产化替代，开发性价比更高的丙烯酸乳液与水性聚氨酯进行杂化，并扩大生产规模，利用规模效应摊薄固定成本。2）异形基材适配成本高：玻璃、曲面金属等异形基材需定制夹具和模具，导致设备初期投入上升。后续工作将重点开发可快速更换的通用夹具模块，适配常见异形基材（如弧形玻璃、异形金属板），减少定制化需求。3）全水漆产品功能单一，可被赋予更多功能。例如，通过纳米技术的引入使全水漆产品具备自修复能力、抗菌防霉特性，智能响应（如温致变色）以增加设计美感，提供更多美学特性。

参考文献：略

Innovation and Application of all-Waterborne Wood Coating Technology

Zhang Jian¹, Yang Senjie¹, Chen Jiaju¹, Li Xinbing¹, Sun Yuhui²

1. Suzhou Baidesheng Smart Home Co. Ltd., Suzhou 215200, Jiangsu, China; 2. Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

Abstract: In response to existing shortcomings in the waterborne wood coating industry for home furnishings—such as poor surface performance, high requirements for application environment, and low production efficiency, innovative research has been carried out in coating formulations, coating equipment, coating processes, and intelligent automated production. By optimizing the formulation of two-component waterborne coatings and combining electrostatic rotary cup centrifugal atomization with electrostatic field-directed adsorption, the hardness of coating film has been improved, while coating utilization and product qualification rates have significantly increased. By using all-waterborne coatings and a three-primer, two-topcoat color-fixing process, each layer of coating adheres closely, forming a solid protective layer. Thereby, the light fastness was improved, and no irritating odor was produced. By using hot air and light wave drying technology, the difficulties of film formation and drying in water-based coatings were addressed, completing integrated coating of the inner six sides in 2.2 hours.

Key words: all-waterborne coatings; raw material formulation optimization; electrostatic cup spraying; hot air and light wave drying

DOI：10.12393/j.1673-5064.20260105

文章源自：《中国人造板》2026年第1期