钟金环^1，2，杨岩¹，胡宏辉¹ 王一建¹，张文标²，李文珠²

（1五源科技集团院士工作站，杭州310030；2浙江农林大学工程学院，杭州311300）

摘要：本文主要介绍了木制品的粉末涂料涂装技术进展，特别是中密度纤维板基材表面的导电预处理技术和方法，阐述了红外辐射加热技术在木制品粉末涂料快速固化的技术原理，并对木制品各种涂饰进行了相关技术经济分析，初步提出了粉末涂层性能分析检测的有关指标。通过粉末涂料静电涂装替代油性漆应用在木制品的表面涂装，展望了木制品粉末涂装的开发和应用方向，全面实现木制品零VOCs、无甲醛的绿色环保涂装制造。

关键词：木制品，MDF人造板，导电预处理，粉末涂装，红外固化，涂层性能

Abstract: Recent progress of powder coating technology and application in wood-based products has been presented, and conductive treatment techniques prior to powder coating of medium density fiberboard is particularly introduced in this work. The mechanism of infrared radiation heating is fully depicted in the process of fast curing of powder coatings for wood-based products. The technical economical analysis is also summarized for both liquid paintings and powder coatings. Using powder coatings as alternative for solvent paintings is a versatile technology for wood-based product finishing industrial, and the requirement of coating quality performance and corresponding standards is put forward for the purpose of better promotion and development of powder coatings in wood-based products. It also advances the perspective development and application for wood coatings for further approach to green, eco-friendly manufacturing of wood-based products finishing.

Keyword: Wood-based product, Medium density fiberboard, Conductive treatment, Powder coating, Infrared curing, coating performance

1.引言

近年来我国木材及其制品行业发展迅速，尤其是人造板行业，2016年全国产量首次突破3亿m3，2017年高达3.15亿m3，其中纤维板年产约0.67亿m3，中密度纤维板（MDF）用量最大，被广泛应用于生活、办公家具制造^[1]。在人造板产业迅猛发展的背后仍然面临着木质资源供给压力大、环保与安全生产问题严重、结构不合理与同质化竞争等问题。2018年5月1日，新修订出台的强制性国家标准GB 18580-2017（室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量）正式实施，对MDF人造板市场产生了巨大的冲击，新标准对甲醛释放量限量提出了更严要求，对当前板材市场格局产生巨大的冲击，促使业内不断提升和改进生产技术、工艺，保护环境和健康方面起到重要影响^[2]。

2.MDF板材特性及涂装

中密度纤维板（MDF）是一种极为重要的木质材料，它是以木质纤维或其它植物纤维为原料，经纤维制备，施加合成树脂，在加热加压条件下压制而成板材，其密度在0.65～0.80g/cm³。MDF板是匀质多孔材质，具有成本低廉、加工简单，木材综合利用率高，具有优良的力学和机械加工性能，广泛用于家具制造业、建筑业、室内装修业，是天然木材的替代材料，符合木材的可持续发展^[3]。

MDF人造板采用三聚氰胺装饰贴面、木皮、胶纸薄膜虽能提供较好的装饰效果，但无法彻底对人造板基材进行封闭，无法解决游离甲醛会持续释放问题，对使用环境产生不良影响，且其防潮性能不加，在使用过程中仍可能变形开裂，为解决该问题，可对人造板及其制品进行有机涂料涂装，涂饰用涂料主要有油性涂料、水性涂料和粉末涂料，油性涂料挥发会产生VOC污染环境，涂装工序复杂、耗能。政府已出台政策全面限制使用有机溶剂型涂料。水性涂料是用水来代替溶剂稀释剂，降低了VOC，其对基材表面清洁度、涂装环境温度、湿度要求高，涂膜耐水性和饱满度较差，涂装过程中也会有污水、废渣产生，目前为止使用量也仅有5%左右^[4]。粉末涂料在欧洲初步应用于中密度纤维板，对基材的品质、预处理方法、喷涂固化工艺等要求很高^[5，6]。粉末涂料是一种新型无溶剂，100%固体份涂料，无VOC排放、节能环保、可回收，可在任意几何形状表面快速喷涂成型，且施工方便、效率高、一次施工及可达设计要求，优异涂膜性能等特点，符合木制品涂装未来发展趋势[7]。粉末涂料已广泛应用于汽车、家电、建筑铝型材等金属表面涂装，已形成较成熟的涂装工程技术^[8，9]。木制品表面导电性差、不耐高温、含水率分布不均等特性不利于粉末静电喷涂、熔平、高温固化^[10]。在静电喷涂和涂装过程中木制品材料表面着粉率低、流平性差、熔融固化效果不理想，涂层易产生橘皮、针孔和鼓泡等关键技术问题^[11]，这一技术尚未得到广泛推广应用，仍需进一步基础理论研究。

3.木制品粉末涂装前处理技术

木制品由于基材多孔性需对板材表面进行预封闭，以避免基材空隙中的游离水分和空气在涂层固化时挥发释放，从而影响涂层成膜外观和质量。因此在涂装前需要对木质基材进行封闭，通常的方法是采用粉末涂料、油漆、水性漆或UV光固化漆进行封闭。

目前较多的是采用的预热导电法对已封闭的木制品基材进行预热，使基材受热将内部水分外逸至表面，而使其表面具有暂时导电性而获得静电吸附能力^[11-13]，但预热法也不能很好地适应多种规格木制品共线喷涂生产，因为既获得表面导电性又不破坏其含水率的平衡，给预热工艺控制带来难度，容易诱发产品涂层质量问题，往往造成产品一次喷涂合格率低（<40%），返工数量大，劳动强度高，成本高昂，实现工业化规模生产仍有一定的难度。此外，该方法通常配合有UV漆封底工艺，UV固化漆所使用的活性稀释剂也会产生相应的环境影响，此外，该工艺较多地使用低温固化粉末涂料（固化温度≤130℃，存储温度<25℃，有效期短），对粉末涂料生产制造、运输、存储等阶段均有较高的要求，对产品的普及带来了挑战，因此该工艺技术仍需进一步提升改进。

喷涂导电液(剂)可改善木制品基材表面的导电性能^[14]，实现在常温下进行静电吸附，但由于木制品基材表面粗糙，存在大量的细微空隙凹坑，导电液可能会扩散、渗透进入基材表面，且由于自身特点无法实现对基材孔隙的完全封闭，处理后的基材表面电阻一般为106-109Ω，喷涂的粉末涂料容易导致上粉率低、涂膜厚度不均匀等问题，而且在粉末涂料固化时，粉末涂层也由于基材未封闭容易出现鼓泡等现象。

功能导电涂料处理木制品可以在其基材表面形成一层均匀、致密的涂层，获得稳定的导电性能，表面电阻介于103~107Ω，该涂层可以实现封闭木质基材表面孔隙的目的，基材静电吸附粉末性能趋向均一、厚度更均匀，从而避免粉末涂层在固化过程中出现的针孔、气泡缺陷，以及板材弯曲、开裂等现象，提高了人造板表面粉末涂料静电喷涂成膜质量^[15]。

4.木制品粉末涂层的红外辐射快速固化

由于木制品受热容易变形、开裂，为热敏性材料，而粉末涂料的固化温度通常>120℃，基材不能长时间受热否则易诱发各种质量弊端。因此，木制品进行粉末喷涂后通常采用红外辐射固化方式进行。

一般地，木制品表面粉末涂层固化过程分为三个阶段，即熔平阶段、交联阶段与固化阶段。交联阶段是红外辐射能量被涂层吸收后熔平交联阶段，主要是木材基体与涂层之间的预热升温，挥发份的扩散逸出，而固化阶段是化学动力学过程，由于红外辐射能量作用于涂层低分子，转化交联成高分子，分子链长增加的阶段，这一阶段波长与能量匹配及化学反应，随着红外辐射效应涂层吸收的能量，反应速度加快，涂层表面温度提高10℃，化学反应速度增加1-3倍。由于粉末涂料的成膜聚合物分子中含有羟基和羧基，其固有震荡频率相应的吸收波长在2.8-3μm，因此当该波数（或波长）的红外辐射光能量与吸收波长相匹配时，各基团将吸收红外辐射能，转化为振动能，使整个分子发生共振，分子的共振使分子内能迅速聚集，特别是环氧树脂分子中的环氧官能团和聚酯树脂中的羧基和羟基，对红外辐射吸收较强，能使化学键迅速断裂，并产生交联反应，加速粉末聚合物固化进程^[15]。

以某聚酯-环氧粉末涂料为例，其傅立叶红外光谱（FT-IR）如图1：

图1：某环氧-聚酯粉末涂料的FT-IR红外光谱图

对图5-17解析可知，波数3433 cm^-1（波长λ=2.92μm，波长和波数互为倒数）处是羟基伸缩振动吸收峰，2968 cm^-1（λ=3.37μm）、2877 cm^-1（λ=3.48μm）是甲基伸缩振动吸收峰，1723 cm^-1（λ=5.80μm）是酯基C=O键伸缩振动吸收峰，1407 cm^-1（λ=7.11μm）、1374 cm^-1（λ=7.28μm）是相邻两个甲基弯曲振动吸收峰。根据能量匹配原理，并结合维恩定律（T=2898/λmax—273.2），计算可得到红外辐射源的发射温度分别为：720~587/560℃~227℃~135/125℃。通过红外光谱解析官能团波长，结合红外辐射发射源进行直接的能量转换关系。

可见粉末涂料通过FT-IR红外光谱图解析后，获得特征吸收波长后，由吸收波长与红外辐射源能量进行匹配^[16]，通过维恩定律进行相关计算，可为红外辐射热源的温度和输入功率提供设计依据，实现红外辐射加热固化的自动化调控，提高粉末涂料的固化成膜质量。图2显示了某MDF办公桌面板粉末喷涂生产。 

图2：MDF板办公桌面板粉末喷涂生产线

5.木制品表面涂装技术经济分析

根据MDF人造板及其制品生产线对油性漆/水性涂料/粉末涂装技术经济对比分析，见表1.

表1：木制品粉末涂装和常规液体涂料的技术经济分析

项目名称	油性漆	水性涂料	粉末涂料
涂膜性能	多道涂膜提升涂膜厚度，封闭底材不彻底，不同品类漆膜涂膜机械、化学耐性差异大，涂膜厚度	多道涂膜提升涂膜厚度，封闭底材不佳，漆膜饱满度差，不同品类漆膜机械、化学耐性差异大	一次成膜厚度可控，有效封闭底材，无醛释放、VOCs排放，涂膜机械、化学耐性好
工艺限制	涂料有效利用率低，对异形工件适应性低，工艺复杂(多道喷涂及其过渡需砂光处理)，对操作工要求高	涂料有效利用率低，对异形工件适应性低，工艺复杂(多道喷涂及其过渡需砂光处理)，对操作工要求高	涂料利用率>98%，对异形工件适应性高，工艺简化，按常规粉末涂装操作工要求实施
涂装效率	涂膜固化较慢(自干2-6h不等，工期长)，涂装效率较低，流转慢，需较大仓储面积	水性涂膜固化慢(自干24h，工期长)，涂装效率较低，流转慢，需较大仓储面积	涂膜固化快，涂装效率高，流转快，一般产品涂装完成时间2-3h，低仓储面积
环保特点	施工环境污染大，有VOCs、漆渣固废需处理	施工环境略有异味，少量VOCs、渣需处理，废水处理困难	施工环境零VOCs排放，零甲醛释放，无三废
综合成本,元/㎡	55~60	80~120	50~80
材料成本	15~20	30~40	40~55
能耗成本	自干	10~20	10~15
三废处理	10~20	10~50	—
人工成本	~30(油漆工) @10㎡成品/d	~30(油漆工) @10㎡成品/d	~10(涂装工) @500㎡成品/d

溶剂型涂料的涂装生产时的健康、环境安全隐患大，采用环保无VOCs排放的粉末涂料效率高，可有效封闭人造板底材，避免甲醛危害，涂膜性能优越，延长了木制品的使用寿命。采用常规液体涂料（油漆或水性漆）对油漆工有一定的技术经验要求，而粉末涂装工艺需要的辅助涂装人员不必经过长期训练和技术积累，自动化涂装操作。木制品粉末涂装技术可带来巨大的社会经济效益，可作为常规液体涂料的替代升级技术应用于木制品表面涂饰制造，达到零甲醛/零VOCs排放的环保涂装要求。

6.木制品粉末涂层质量检验

由于木制品的粉末涂装技术尚处于起步阶段，未有规模化的涂装生产，因此暂无系统化的木制品粉末涂装质量检验标准与方法，更多地是参考或采用人造板及其制品或表面处理行业中的相关漆膜技术标准，如GBT 17657人造板及饰面人造板理化性能试验方法、GB/T 4893.1~9家具表面漆膜理化性能试验等系列标准，主要的检验指标有：外观、厚度、附着力、光泽度、耐冷液、耐湿热、耐干热、耐冷热温差、耐磨性、抗冲击、含水率、防潮性、24h吸水率、吸水厚度膨胀率、甲醛释放量、挥发性有机化合物等，系列指标需在研究和实践中不断制定完善，以促进木制品粉末涂装技术的持续发展和应用。

7.结语

木制品粉末静电涂装的关键工序应控制涂装前基材表面导电性能，通过预热、导电液或功能导电底漆可以使其获得一定的导电性能，为粉末涂料静电喷涂提供前提条件；通过分析粉末涂料的红外光谱图，结合红外辐射能量匹配原则，则可以实现粉末涂料的快速固化而不影响木制品基材。

粉末涂料长期应用于金属基材涂装，通过行业不断努力，降低固化温度，改进喷涂技术，更加绿色、环保的粉末涂料逐渐受到市场认可，粉末喷涂可以使木制品最大限度地保持木制品含水率及产品尺寸稳定性，同时赋予木制品更优越的涂饰效果和使用性能，更加符合当今市场的消费升级理念。在“油改粉”的技术发展趋势和转型升级中，静电喷涂的粉末涂料较多地集中在砂纹粉，或低光、哑光粉末涂料，在高光泽粉末涂料、透明粉末涂料、功能导电粉末涂料、实木家具及木塑制品等粉末涂装技术开发与应用是木制品涂装的发展方向与趋势，实现各种涂饰效果的粉末涂料在木制品表面的涂装应用，满足市场的消费需求，促进零VOCs、无甲醛的绿色环保木制品智能家居制造发展。

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