Im Bereich der Möbelherstellung und -dekoration ist der Trocknungsprozess von Wasserlacken ein wichtiges Bindeglied. Er ist nicht nur eine Voraussetzung dafür, dass die Qualität der Beschichtung den Normen entspricht, sondern auch ein wichtiger Prozess, der für den gesamten Veredelungsprozess unerlässlich ist. Sein Einfluss auf die Produktionskosten und die Arbeitseffizienz sollte nicht unterschätzt werden.
Historisch gesehen hat die Vernachlässigung der Trocknungsbedingungen für Anstriche in den frühen Prozessen der Möbelbearbeitung zu einer großen Anzahl von Problemen bei der Produktqualität geführt. Bei einigen Holzmöbeln, die von europäischen Aristokraten im Mittelalter nach Maß gefertigt wurden, traten beispielsweise aufgrund des damals unbekannten Trocknungsprinzips von Wasserlacken kurz nach dem Gebrauch bei vielen Möbeln Mängel wie schlechter Glanz, eine raue Oberfläche ähnlich wie Orangenhaut und Nadellöcher auf. In schweren Fällen entstanden innere Spannungen innerhalb des Lackfilms, die die Haftung stark beeinträchtigten. Bei späterem Gebrauch weisen diese Möbel Risse auf, verlieren ihre schützende und dekorative Funktion, und ihr Aussehen und ihre Haltbarkeit sind stark beeinträchtigt. Hier zeigt sich der enorme Einfluss der Trocknungsbedingungen der Beschichtung auf die Qualität des Endprodukts.
Die Beschichtungstrocknung ist ein Prozess, der sich in der Produktion nicht nur häufig wiederholt, sondern auch extrem zeitaufwändig ist. Im Rahmen der modernen industriellen Massenproduktion ist die Frage, wie dieser Prozess beschleunigt werden kann, der Schlüssel zur Verkürzung der Produktionszyklen und zur Einsparung von Produktionsfläche. Er ist auch ein technischer Engpass, der durchbrochen werden muss, um eine kontinuierliche Konstruktion und Automatisierung zu erreichen. Dabei geht es um komplexe wissenschaftliche Prinzipien und die Optimierung von Produktionsprozessen. So betont die "Prozessoptimierungstheorie" im modernen Produktionsmanagement, dass die Verbesserung der Effizienz von Schlüsselprozessen wie der Lacktrocknung einen Multiplikatoreffekt auf die Verbesserung der Effizienz des gesamten Produktionssystems hat.
Dies zeigt, dass eine gründliche Erforschung der Trocknung von Wasserlacken von großer Bedeutung ist, um die Qualität der Oberfläche zu gewährleisten und die Effizienz der Oberfläche zu verbessern. Dies ist ein wichtiger Weg zur Verbesserung der Trocknungseffizienz und ein wichtiges Thema zur Förderung der Entwicklung der Möbelherstellungsindustrie mit extrem hohem Anwendungswert. Insbesondere Farben auf Wasserbasis für Holzmöbel verwenden Wasser als Medium mit einem sehr niedrigen Feststoffgehalt, in der Regel nur 20% - 30%, und einem hohen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 70%. Das bedeutet, dass der Trocknungsprozess hauptsächlich ein Wasserverdampfungsprozess ist. Im Folgenden werden wir den Filmbildungsprozess von Farben auf Wasserbasis und den Prozess der Wasserverdunstung näher betrachten.
Verfahren zur Filmbildung von Wasserlacken für Möbel
Der Prozess der Filmbildung von Farben auf Wasserbasis ist ein subtiles Phänomen der Molekülkettenkondensation, das sich grob in drei Schritte unterteilen lässt: Wasserverdampfung, Partikelverformung und Partikelkoaleszenz.
Nach Abschluss des Auftragens ist die erste Phase die Verdunstung des Wassers. Forschungen auf dem Gebiet der Lackchemie haben ergeben, dass sich die Latexpartikel in der wässrigen Beschichtungsschicht bei einem Volumen von 74% enger zusammenschließen und in einen dichten, gepackten Zustand übergehen. Das ist wie eine Gruppe von kleinen Teilchen, die eng beieinander liegen, wobei der Abstand zwischen ihnen allmählich abnimmt. Wenn das Wasser weiter verdunstet, beginnen sich die Polymerteilchen zu verformen. An diesem Punkt übersteigt der Kapillardruck den Verformungswiderstand der Polymerteilchen, und zwischen den Teilchen baut sich ein Druck auf. Je mehr das Medium verdunstet, desto größer wird der Druck, und die Partikel verschmelzen zu einem kontinuierlichen Beschichtungsfilm. Dieser Prozess ist vergleichbar mit dem allmählichen Zusammenfügen winziger Bausteine unter Druck. Während das Wasser weiter verdunstet, diffundieren die Polymerketten schließlich Stufe für Stufe ineinander, wenn der Druck ausreicht, um die Molekülketten jedes Teilchens in die Molekülketten eines anderen Teilchens zu spreizen. Dieser Prozess ist wie ein feines Netz, das allmählich gewebt wird, wobei jedes Glied eng miteinander verbunden und unverzichtbar ist.
Forschung über den Prozess der Wasserverdunstung
Eine eingehende theoretische Analyse zeigt, dass der Prozess der Feuchtigkeitsverdunstung von Wasserlacken der Theorie der vertikalen Trocknung von der Oberfläche nach innen folgt. Diese Theorie besagt, dass die Verdunstung von Feuchtigkeit während der Filmbildung von Wasserlacken in drei Phasen unterteilt werden kann.
In der ersten Phase machen die Harzpartikel eine zufällige Brownsche Bewegung durch, und das Wasser verdunstet mit der gleichen Geschwindigkeit wie in reinem Wasser entlang der Wasser-Luft-Grenzfläche. Dies ist wie eine lebhafte Tanzfläche, auf der die Menschen (Wassermoleküle) frei tanzen (Brownsche Bewegung) und sich allmählich entfernen (Verdunstung). In der zweiten Phase nimmt das Medium, in dem die Harzpartikel suspendiert sind, ab, und die Harzpartikel rücken näher zusammen, sammeln sich an und agglomerieren, so wie sich eine Menschenmenge zu sammeln beginnt. Dies führt dazu, dass die Wasser-Luft-Grenzfläche schrumpft, die Gesamtfläche abnimmt und die Wasserverdampfungsrate rasch sinkt. In der letzten Phase nimmt die Wasserverdampfungsrate weiter ab, und das verbleibende Wasser muss durch die Kapillaren in der Membran zur Film-Luft-Oberfläche diffundieren, um zu verdampfen. Der gesamte Prozess entwickelt sich von der Oberflächenschicht der Harzpartikel nach innen, und die Verdunstungsrate nimmt aufgrund der kontinuierlichen Verringerung der Feuchtigkeit und des Wechsels der Übertragungsart vom Spalt zwischen den Partikeln zur Übertragung durch das Polymer ab. Diese Reihe von Veränderungen ist wie ein gut choreografierter Tanz, wobei jede Bewegung ihren eigenen Rhythmus und ihre eigene Logik hat.
Verfahren zur Trocknung
Der Trocknungsprozess von Holz ist ein Prozess, bei dem dem Holz allmählich die innere Feuchtigkeit entzogen wird, und auch das Trocknen von Möbeln, die mit Farben auf Wasserbasis beschichtet sind, ist zu einem großen Teil ein Prozess, bei dem die Feuchtigkeit allmählich aus dem Inneren der Beschichtung entfernt wird. In gewisser Weise gibt es Ähnlichkeiten zwischen den beiden Prozessen. Die Analogie ist eine gängige Forschungsmethode in der modernen Materialwissenschaft. Daher können wir bei der Erforschung der Trocknung von Wasserlacken auf Holzmöbeln auf die relativ ausgereiften Holztrocknungsmethoden zurückgreifen. Auf dem Gebiet der Holztrocknung sind Methoden wie natürliche Trocknung, Heißlufttrocknung, Mikrowellentrocknung, Ultraviolett-Trocknung, Infrarot-Trocknung, Solartrocknung, Hochfrequenztrocknung und kombinierte Trocknung theoretisch für die Trocknung von Wasserlacken geeignet. Jede Trocknungsmethode muss jedoch im Hinblick auf ihre spezifischen technischen Parameter eingehend untersucht werden, wenn sie für die Trocknung von Lacken auf Wasserbasis eingesetzt wird.
Zu den wichtigsten Faktoren, die die Trocknungsgeschwindigkeit von Holzbeschichtungen auf Wasserbasis beeinflussen, gehören die Umgebungstemperatur, die relative Luftfeuchtigkeit, die Schichtdicke und die Luftströmungsgeschwindigkeit. Genauso wie Umweltfaktoren das Wachstum von Lebewesen beeinflussen, wirken sich diese Faktoren in Wechselwirkung miteinander auf den Trocknungsprozess aus. Wu Zhongyue und andere Experten wiesen in ihren Untersuchungen darauf hin, dass die Verwendung von Holzlacken auf Wasserbasis für Linienanstriche nicht nur die Trocknung beschleunigt, sondern auch die Filmhärte verbessert, die VOC-Emissionen reduziert und eine Reihe von Problemen, die durch "langsames Trocknen" verursacht werden, wirksam vermeidet. Cai Jiabin und andere Wissenschaftler untersuchten die Anwendung der Mikrowellentrocknung bei Polyurethan-Holzlacken auf Wasserbasis. Die Ergebnisse zeigten, dass nach der Mikrowellentrocknung die Feuchtigkeitsentzugsrate im wasserbasierten Beschichtungsfilm bis zu 90% beträgt, während die Trocknung im Ofen in der gleichen Zeit nur etwa 50% der Gesamtfeuchtigkeit entfernen kann. Darüber hinaus kann der Beschichtungsfilm nach der Mikrowellentrocknung sofort einen trockenen Zustand erreichen und kann geschliffen, gestapelt und verpackt werden. Diese Forschungsergebnisse bieten uns eine solide Grundlage für die Wahl der geeigneten Trocknungsmethode.
Die Trocknungsgeschwindigkeit und die Filmbildungsqualität von Beschichtungen auf Wasserbasis variieren je nach Trocknungsmethode erheblich. Im folgenden Abschnitt werden die verschiedenen Trocknungsmethoden für Wasserlacke ausführlich beschrieben.
Natürliche Trocknung
Die latente Verdunstungswärme von Wasser beträgt bis zu 2457,7 KJ/Kg, und die Verdunstung von Wasser in einer Beschichtung auf Wasserbasis erfordert die Aufnahme einer großen Wärmemenge. Diese Eigenschaft bestimmt, dass die Verdunstung von Wasser von der atmosphärischen Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Windgeschwindigkeit beeinflusst wird. Physikalisch gesehen verstärkt sich bei einem Temperaturanstieg die thermische Bewegung der Moleküle, und es ist wahrscheinlicher, dass flüssige Wassermoleküle der Anziehungskraft anderer Wassermoleküle entkommen und zu Dampfmolekülen werden. Daher steigt die Verdunstungsrate mit zunehmender Temperatur. Im Gegensatz dazu steigt mit zunehmender Luftfeuchtigkeit der Anteil des Wasserdampfs in der Luft und der Partialdruck des Wasserdampfs nimmt zu, wodurch sich mehr Wasserdampfmoleküle wieder in flüssige Wassermoleküle umwandeln und die Verdunstungsrate des Wassers sinkt. Die Wirkung der Windgeschwindigkeit besteht darin, dass je größer die Windgeschwindigkeit ist, desto mehr Wassermoleküle werden pro Zeiteinheit von der Oberfläche des Verdampfers entfernt und desto schneller ist die Verdunstungsrate.
Obwohl die natürliche Trocknung eine einfache und weit verbreitete Methode ist, besteht ihr offensichtlicher Nachteil in der langsamen Trocknungsgeschwindigkeit. In der natürlichen Umgebung ändern sich Temperatur, Feuchtigkeit und Windgeschwindigkeit ständig, was zu einer instabilen Trocknungsgeschwindigkeit und Filmbildungsqualität führt. So neigt die Beschichtung bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit zum Beispiel zum Ausbleichen und die Trocknungsgeschwindigkeit ist deutlich geringer. In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen ist die Trocknungsgeschwindigkeit noch langsamer, und insbesondere bei 5 °C können Wasserlacke kaum einen Film bilden. Diese Probleme haben die Anwendung von Farben auf Wasserbasis weitgehend eingeschränkt. Es ist wie beim Anbau von Feldfrüchten unter wechselnden Witterungsbedingungen, wo instabile Umweltfaktoren die Ernte beeinträchtigen können. Die Instabilität der natürlichen Trocknung behindert die Anwendung von Farben auf Wasserbasis.
Heißlufttrocknung
Die Heißlufttrocknung ist eine Wärmetrocknungsmethode, die auf dem Prinzip der Konvektion beruht. Heiße Luft mit einer Temperatur von 40-60 °C wird als Wärmeträger verwendet, um Wärmeenergie auf die Beschichtung an der Oberfläche des Werkstücks zu übertragen. Die Beschichtung absorbiert die Energie und härtet dann aus und bildet einen Film. In der Regel wird Strom oder Dampf als Wärmequelle verwendet, um zunächst die Luft zu erhitzen, und dann wird die Wärme durch Konvektion auf die Oberfläche der Beschichtung übertragen, so dass die Beschichtung schnell trocknet.
Bei diesem Verfahren dient die heiße Luft, die die Beschichtung umgibt, als Heizmedium. Da die Beschichtung eine bestimmte Dicke hat, dauert es eine gewisse Zeit, bis die Wärme von der Oberfläche der Beschichtung auf die innere Begrenzung übertragen ist. Die Wärmeübertragungsrate hängt von der Dicke der Beschichtung und ihrer Wärmeleitfähigkeit ab. Daher wird bei der Konvektionserwärmung immer zuerst die Oberfläche der Beschichtung erwärmt. Während der anfänglichen Trocknungsphase verdampft die Oberflächenschicht die meiste Feuchtigkeit, und die Beschichtung härtet von der Oberflächenschicht aus und breitet sich allmählich auf die darunter liegenden Schichten aus, die zuletzt trocknen. Diese Trocknungsmethode kann die Trocknung der Beschichtung erheblich beschleunigen und ist sehr anpassungsfähig. Sie ist derzeit eine der am häufigsten angewandten Trocknungsmethoden. In großen Möbelfabriken waren Heißlufttrocknungsanlagen ursprünglich die Hauptform der forcierten Trocknung von Lacken auf Lösungsmittelbasis. Bei der Anwendung auf die Trocknung von Lacken auf Wasserbasis muss aufgrund der langen Trocknungszeit von Lacken auf Wasserbasis zum einen die Trocknungsanlage gezielt untersucht und zum anderen der Trocknungsprozess optimiert werden. Faktoren wie die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Geschwindigkeit des Werkstücks (Trocknungszeit) und die Belüftungsbedingungen an verschiedenen Stellen der Trocknungslinie sind entscheidend für die Trocknungsqualität und die Endqualität des Lackfilms. Es ist wie ein komplexer Kochprozess, bei dem die Einstellung jedes einzelnen Parameters den Geschmack (die Qualität) des Endgerichts (Lackfilmqualität) beeinflussen kann.
Trocknen in der Mikrowelle
Mikrowellen sind durchdringende elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen von 1 mm bis 1 m und Frequenzen von 300 MHz bis 300 GHz. Die am häufigsten verwendeten Mikrowellenfrequenzen sind 915 MHz bis 2450 MHz. Die Mikrowellenerwärmung beruht auf dem Prinzip des dielektrischen Verlusts. Die Dielektrizitätskonstante von Wasser ist viel höher als die von trockener Materie, so dass der größte Teil der vom elektromagnetischen Feld abgegebenen Energie vom Wasser in der Farbe absorbiert wird.
Das Mikrowellenfeld ändert periodisch die Richtung des angelegten elektrischen Feldes mit einer hohen Geschwindigkeit von mehreren hundert Millionen Mal pro Sekunde, wodurch die Wassermoleküle schnell in Schwingung versetzt werden und ein erheblicher thermischer Effekt entsteht, wodurch die Temperatur im Inneren und an der Oberfläche der Beschichtung gleichzeitig schnell ansteigt. Die Vorteile der Mikrowellenerwärmung sind herausragend: extrem schnelle Trocknungsgeschwindigkeit, selektive Absorption der Mikrowellen durch verschiedene Substanzen, keine Formvorgaben für das zu trocknende Objekt, sehr gleichmäßige Erwärmung des Beschichtungsfilms, kein Temperaturgefälle und die Möglichkeit, dicke Filme zu trocknen. Mikrowellen mit einer Frequenz von 2450 MHz haben die beste Energieumwandlung und Verlustbilanz für Wassermoleküle. Mikrowellen mit dieser Frequenz können eine 30 mm dicke Wasserschicht durchdringen und zum Trocknen von Wasserlacken unterschiedlicher Dicke verwendet werden. Es ist, als ob unzählige Miniaturheizungen im Inneren der Farbe installiert wären, die den Trocknungsprozess gleichmäßig und effizient abschließen.
UV-Trocknung
Für UV-Holzlacke auf Wasserbasis kann die UV-Härtung verwendet werden, d. h. der UV-Holzlack auf Wasserbasis wird durch ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 300 - 400 nm gehärtet. UV-Lacke auf Wasserbasis enthalten eine geringe Menge eines Photosensibilisators. Bei der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht zersetzt sich der Photosensibilisator nach der Absorption von ultraviolettem Licht einer bestimmten Wellenlänge und erzeugt aktive Radikale, die die Polymerisationsreaktion des filmbildenden Materials einleiten, um eine Netzwerkstruktur zu bilden und so den Lack zu härten. Die UV-Härtung hat die Vorteile einer schnellen Aushärtung und einer guten Beschichtungsqualität. Dieses Verfahren hat jedoch seine Grenzen: Es kann nur zur Trocknung von UV-Lacken auf Wasserbasis verwendet werden, und es können nur flache Möbelplatten getrocknet werden. Es ist wie ein spezieller Schlüssel, der nur ein bestimmtes Schloss öffnen kann (Trocknung einer bestimmten Art von Beschichtung und einer bestimmten Form des Objekts).
Infrarot-Trocknung
Die Infrarot-Härtung kann zur Trocknung von Holzbeschichtungen auf Wasserbasis verwendet werden. Konkret werden die beschichteten Möbelplatten und ihre Beschichtungen mit Infrarotlicht bestrahlt, das Strahlungsenergie absorbiert und in Wärme umwandelt, wodurch die Beschichtung aushärtet. Infrarot ist eine unsichtbare Strahlung zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellen mit einer Wellenlänge von 0,72 bis 1000 um. Je nach Wellenlängenbereich kann es in "nahes", "mittleres" und "fernes" Infrarot unterteilt werden. Ferninfrarot wird üblicherweise zum Trocknen von Beschichtungen verwendet.
Die Vorteile der Infrarot-Trocknung liegen in der hohen Trocknungsgeschwindigkeit, dem schnellen Temperaturanstieg und der guten Trocknungsqualität. Beim Trocknen von Beschichtungen mit Infrarotheizung entsteht jedoch ein erheblicher Temperaturgradient in der Beschichtung, und die Trocknung erstreckt sich von der Oberfläche bis ins Innere, was sie für die Trocknung dickerer beschichteter Folien ungeeignet macht. Außerdem kann die Infrarot-Trocknung nur den Bereich erwärmen, der von den Infrarotstrahlen bestrahlt werden kann, und kann nicht zum Trocknen dreidimensionaler Objekte verwendet werden. Dies ist vergleichbar mit dem Sonnenlicht, das auf ein Objekt scheint und nur die Oberfläche beleuchtet, während die Innenseite und die schattigen Teile unberührt bleiben. Auch die Infrarot-Trocknung hat ähnliche Einschränkungen.