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中密度纤维板(MDF)粉末涂料喷涂

  MDF(中密度纤维板)和其他木质材料的粉末喷涂吸引了越来越多的木材加工行业的注意。他们想要改变传统的MDF涂料系统,如将聚氯乙烯贴面或者液体油漆转变为粉末涂料喷涂。
  
  过去的十几年里,MDF表面粉末涂料喷涂的优势几乎和金属表面粉末涂料喷涂一样得到了高度的认可。粉末涂料喷涂能提供具有很好的抗划伤和抗污性,同时可提供各种颜色和不同表面效果的选择。另外,粉末涂料喷涂是环保的生产过程,不使用溶剂、重金属和卤代化合物。在自动喷涂和粉末回收设备的帮助下粉末的利用率几乎能达到100%。另外,当粉末喷涂完成后不需进行危险性废物的处理。粉末喷涂的高效率不仅取得了环保优势而且还带来了有效的成本优势。
  
  粉末喷涂除了它一些众所周知的优势外,木材加工行业也很欣赏MDF粉末喷涂所带来的一些新的机遇。举例来说,家具设计者和室内建筑师已经开始充分地利用粉末喷涂给他们提供的设计上的新的自由。在各种各样的家具贸易展会上,在那些用粉末喷涂的现代时尚的家具样品和成品上,很明显地体现出粉末涂料均匀喷涂的MDF给设计师们带来的设计上的新自由。现在的技术发展到可以在中密度纤维板的前面、后面,包括边缘上用同一种粉末涂料去喷涂。因此包边处理已没有必要。而且粉末喷涂固化后能够马上包装和运输到客户那里。在粉末喷涂的帮助下,MDF板和边缘的设计几乎没有限制:圆弧、各种生动造型、表面雕刻和一些其他的形状都能够用相同的方法喷涂。请看图1-图4。
  
  MDF粉末涂料喷涂的挑战
  
  中国的纤维板年产超过1亿立方米。其中MDF(中密度纤维板)年产量在3千万立方左右,若按16mm 规格算,光MDF就有18亿平方米左右。随着技术发展以后除MDF之外的纤维板如爆花板等也可以进行粉末喷涂。预计有几十万吨用粉量的潜在市场。也就是说木头板粉末喷涂具有十分广阔的前景。
  
  既然MDF粉末涂料喷涂有上面提到的这么多明显优势和很大的市场,为什么在中国还没有形成大规模的商业化运作。原因在于MDF粉末涂料喷涂具有很高的技术含量,需要一定规模的前期投资和具有挑战性的难题。不是一般的喷涂厂用现有的喷涂设备和工艺就能操作的。要达到高的质量,特别是能保证边缘长期不开裂,需要掌握中密度木头板的质量控制、喷涂线的设计和控制、粉末涂料的性能设计和最后的质量测试和保证四个方面的技术。
  
  在这里就最重要的中密度纤维板、粉末涂料、粉末涂料喷涂线和质量认证做一简单介绍。
  
  MDF:在MDF粉末涂料喷涂之前,喷涂者应该充分地了解MDF的性能。
  
  粉末涂料喷涂工艺在金属表面的喷涂已经非常成熟,也十分稳定而且有良好的控制水平。为了了解为什么MDF粉末喷涂与金属表面粉末喷涂有很大的区别,我们就必须知道MDF的固有特性。人们通常认为金属与MDF之间最主要的不同就是导电性。对于绝对导电值来讲这可能是正确的;但是,那不是MDF粉末喷涂最重要的因素。
  
  通常,一个1010Ω—1011Ω的表面电阻能够为MDF粉末涂料喷涂提供足够的电导率。一个在室温下的标准MDF具有1012Ω左右的表面电阻。通过在MDF中加少量的添加剂,或者预热MDF,或者是两种方法都使用,这些都能够很容易地将MDF的电导率调整到所要求的范围。
  
  然而,金属与MDF之间一个更大的不同点就是热导率。表1展示了各种材料的热导率。MDF的热导率只有0.07[W/(m•K)]。这比铝的热导率低得多,铝是粉末涂料喷涂最常用到的基材。这种在MDF基材内的温度分布给粉末喷涂带来了许多困难。
  
  从表1中可看到,MDF的热导率与石棉毯一样低,而石棉毯正是消防设备和高耐热手套的制作材料。因此,MDF需要花费很长的时间去加热和冷却。在加热和冷却过程中,MDF的表面温度和他的中心温度会不一样。如果MDF表面某一部分的加热比其他部分多,那么表面温度和边缘温度将会有很大的不同,这一现象在铝材喷涂中则不明显。
  
  此外,为了得到高质量的粉末喷涂,我们必须小心地控制MDF各种性能,譬如表面平整性、可打磨性、排气性、一定温度下的开裂性以及一些其他性能。MDF规格中的关键性能之一,也很容易受到MDF制造过程的影响,就是MDF的内部粘结强度。这个内粘结强度应该处于一个合理的较高的水平。
  
  总而言之,,MDF应该具有耐热性,轻微的导电性以及具有良好的可打磨性。值得庆幸的是,如今MDF制造厂已经能生产出这些种类的板材。事实上,一些MDF制造商已经开始将可用于粉末涂料喷涂的MDF推向市场。
  
  粉末涂料:初一看,粉末涂料本身被认为是在MDF粉末喷涂过程中最重要的因素。然而,就如前面指出的一样,提供给MDF的粉末涂料只是几个因素之一,这一因素必须与其他因素组合在一起,才能生产出高质量的粉末喷涂的MDF。
  
  当我们分析粉末涂料化学时,我们发现有两种固化方法可作为MDF粉末喷涂的固化方法。首先一个是传统的加热固化。第二个是紫外线(UV)固化,粉末先被加热到熔融状态,然后在紫外线光照下光固化。这两种技术都有利弊。哪种固化技术对MDF粉末喷涂是最成功的方法这一问题已有激烈的讨论。
  
  不论哪种固化方法,第一步是粉末的熔化。一种特定的粉末涂料需要在一个特定的温度范围内熔化。为了达到相同的最终表面特性,如表面纹理、光泽范围、抗刮性、抗化学性等等,熔化温度和固化温度,都必须控制在最小的范围。
  
  MDF喷涂的粉末熔化和固化温度在所有表面都必须一样。这就意味着边缘的固化温度应该与前面和后面的温度一样。不幸的是,至今为止大多数固化线,不管使用何种固化方法,固化炉里的温度没有达到这个要求。这就是在大多数情况下导致MDF粉末喷涂失败的重要原因。下面会进行更详细的讨论。
  
  只有粉末达到一定的温度时,它才会开始熔化、流动从而形成粉末特有的表面效果。当熔融温度太低时,就会产生一个粗糙的砂纸般的表面结构;当熔融温度太高时,颜色就会发生变化。不论哪种粉末化学体系,紫外线固化粉末和热固化粉末都会产生相同的效果。
  
  对于热固化粉末来说,不仅仅要控制好适当的熔化温度,而且还要控制好固化温度-时间窗口,这个窗口是特定的粉末的反应速度决定的。最近,已有能在4-5分钟的短时间内在130°C 到 140°C这样的低温下就能充分固化的粉末被开发出来。固化炉中的温度越低,就需要用越多的时间来充分固化,反之亦然。
  
  进行粉末喷涂时,最关键的部分就是找出粉末充分固化的时间点。只有充分固化的粉末才能在耐化学性、耐划伤性、耐磨性、柔韧性以及更多的特性方面得到最佳的表现。你无法通过肉眼观察出紫外线固化粉末和热固化粉末是否已经充分固化。当我们看到外观很漂亮,你可能认为粉末已经得到了充分固化。然后进行破坏性测试时发现它不合格的质量。因此,在每一家粉末涂料公司都必须建立一个严格的过程和质量控制,以此来确保粉末自身要求的固化参数在严格的范围内受到控制。这就包括监视和调整熔化和固化炉的烘烤温度,如果是紫外线固化炉则在紫外线区调整紫外线的强度和剂量。
  
  尽管这些看上去应是任何一家粉末喷涂厂家进行粉末喷涂的标准程序,令人惊讶的是大多数MDF粉末喷涂公司不知道在烘炉内究竟发生着什么事情,也没有测量过精确的温度分布和紫外线分布。如果涂料生产线能够确保粉末得到它熔化和充分固化所需的条件,那么最终客户将会得到一个优质的表面。
  
  喷涂线。粉末喷涂线技术已被证实是获得高质量MDF粉末喷涂最重要的因素。遗憾的是,对于那些小型的金属表面粉末喷涂公司来说,若想通过旧的金属粉末喷涂生产线来获得高品质的MDF粉末喷涂是不可能的。
  
  喷涂生产线中最重要的部分就是烘烤炉技术,烘烤炉是涂料熔化的地方。若是热固化粉末则也是化学固化的地方。要记住的是MDF的热导率很低。因此,烘炉的设计需要使得其温度能够平均地分配;否则,热度不会像铝一样分布在整个基材表面。然而,在MDF上加热,必须确保表面温度的均匀分布,示意图如图5。
  
  由于MDF的热导率低,我们正好利用这个优势。就如之前讨论的那样,粉末需要在一个适当的温度下熔化和固化。这个温度往往比MDF所能承受的要高。然而,当粉末被红外线加热时,粉末和板的表面迅速达到可以融化和固化的温度。由于板的热传导慢,板中心的温度仍然比较低,比在整个粉末熔化和固化完成过程中的温度要低得多。因此,在MDF板上的热应力被最小化了,以致不会受到损伤。
  
  我们可以看出前面介绍的两种烘炉熔融固化即热固化和紫外线固化,目前都不适合于MDF粉末喷涂。因为传统的热固化对整个粉末和MDF加热,由于MDF的低热导率,要达到150-160度需要比较长的时间。结果粉末还没有完全固化,MDF已受到损伤。另一个是紫外线固化,至今为止要想达到紫外线强度和剂量的均匀分布非常困难,同时不同颜色,不同喷粉厚度固化程度都不同。因而紫外线固化目前还没有成功用于MDF粉末喷涂的例子。但紫外线可以用于MDF粉末喷涂后的透明粉照光层的固化(这里不做具体描述)。
  
  目前能成功用于MDF粉末喷涂的熔融固化是红外线烘烤炉。面临的挑战就是提供能够在MDF表面(包括边缘)均匀照射的红外线。可庆幸的是,现代红外线烘炉在均匀照射方面已有很高的水平。图6是一张温度分布图,显示了通过温度传感器在红外线烘炉里测量到的MDF的顶部、中间和底部的表面温度。在MDF表面分布的温度发生着非常小的变化,温度变化范围小于15°F。
  
  一个设计良好的红外线固化炉显示了MDF底材的顶部到底部低于15°F的温度变化
  
  为了获得很好的的粉末喷涂,在开始粉末喷涂之前必须对烘炉内温度分布进行测量。测量和监测不仅仅要在一个表面位置进行,而且要在MDF表面四周进行,包括它的边缘。烘炉的温度应该进行调整,避免其不同位置的温度差温度超过限定值,例如,低于15°F。图7是两张温度分布图a和图b。图7a是在一个调整得很好的红外线烘炉中进行的;传感器被固定在MDF表面的各种位置上,包括边缘。我们能看到在MDF表面温度的分布十分均匀。图7b显示了在适当调整之前,在烘炉内类似的测量。
  
  烘箱温度曲线,包含了在MDF四个边缘上的测量
  
  温度分布范围小,控制良好的烘箱。
  
  温度分布范围太大,控制不佳的烘箱
  
  很显然,图7b中温度分布图证明了,在MDF表面使用烘炉温度设置变化大于75°F时,无法得到性能均匀的粉末喷涂。在一些情况下,由于烘炉的技术缺陷,甚至连温度的均匀分布都不能实现。在其他情况下,一个设计完好的烘炉在不适合的温度设置下运作。这些情况都会导致生产出不宜采用的粉末喷涂,在许多情况下会导致MDF粉末喷涂的失败。
  
  在给定基材尺寸(包括边缘)上,熔融—固化烘炉的最大温度变化需要在作出任何决定之前与生产制造商进行很好的讨论以及严格规定。烘炉一旦安装好,生产线设置必须通过在生产过程在的温度分布测量和连续的温度分布监测来进行优化。这将确保粉末喷涂的质量符合规格。
  
  质量认证:。MDF粉末喷涂需要怎样的质量水平最终是客户决定的。客户的各种各样的要求对于MDF粉末喷涂来说是很重要的。用于生产电视柜、显示器、浴室家具或者橱柜门的MDF涂层是有很大不同的。在决定使用何种粉末、使用何种质量的MDF以及进行喷涂线设计前,必须先弄清客户的质量要求。
  
  当要求达到高质量的MDF粉末喷涂时,我们要使用最具有活性的高性能的粉末,选用质量非常好的MDF和固化条件最齐全的情况下,才能完成这项工作。在这种情况下不能接受任何妥协,如果粉末喷涂公司严格遵守这些原则的话,MDF粉末喷涂就会很成功。
  
  在有些情况下,涂料的性能和MDF边缘的质量并没有生产率和成本重要。在这些情况下,低反应率的粉末、低质量的MDF和固化条件不齐全的喷涂生产线可能依旧能生产出可以接受的粉末喷涂产品。
  
  显然,客户的产品规格可能决定着粉末喷涂的成功与否。所以,在作出任何将MDF粉末喷涂推向商业的决定之前,尽可能详细地讨论相关方面所需的质量水平,是十分重要的。
  
  质量保证对MDF粉末喷涂起着至关重要的作用。MDF粉末喷涂最困难的问题是保证喷涂好的MDF的边缘不开裂。但我们不能从刚喷涂好的MDF看上去就能判定它不会开裂或过一段时间会开裂。老虎粉末涂料公司经过十几年的研究开发,总结出一整套质量认证体系。通过对MDF本身的质量控制、对喷涂线的设计要求、对红外烘烤炉的设计要求、对粉末涂料本身的性能要求,以及对整个喷涂线的评估,同时对喷涂好的MDF做测试评估,然后给出整个体系的认证。老虎粉末涂料已在欧洲和几家喷涂公司合作成功进行MDF粉末喷涂的商业化运作。在MDF粉末喷涂这个具有广阔前景的市场上,希望在中国有一个高起点,大家一起合作包括MDF制造厂家、喷涂设备供应商、红外炉供应商、粉末涂料生产公司,使MDF粉末喷涂的质量达到并稳定在一个较高的水平。
  

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