A bútorgyártás és -díszítés területén a vízbázisú festékbevonatok száradási folyamata kulcsfontosságú láncszem. Ez nemcsak előfeltétele annak, hogy a felületkezelés minősége megfeleljen a szabványoknak, hanem egy fontos folyamat, amely a teljes befejezési folyamat során nélkülözhetetlen. Nem szabad alábecsülni a gyártási költségekre és a munka hatékonyságára gyakorolt hatását.
Történelmileg a bevonatszárítási feltételek elhanyagolása a korai bútoripari befejezési folyamatokban számos termékminőségi problémához vezetett. Például a középkorban az európai arisztokraták által megrendelésre készített egyes fabútoroknál a vízbázisú festékek akkori ismeretlen száradási elve miatt sok bútoron röviddel a használat után olyan hibák keletkeztek, mint a gyenge fényesség, a narancsbőrhöz hasonló érdes felület és a tűszúrások. Súlyos esetekben a festékrétegen belül belső feszültségek alakultak ki, amelyek nagymértékben csökkentették a tapadást. A későbbi használat során ezek a bútorok megrepedtek, elvesztették védő és dekoratív funkciójukat, megjelenésük és tartósságuk pedig jelentősen csökkent. Ez mélyen tükrözi a bevonat száradási körülményeinek óriási hatását a végtermék minőségére.
A bevonatszárítás olyan folyamat, amely nemcsak gyakran ismétlődik a gyártás során, hanem rendkívül időigényes is. A modern ipari tömegtermelésben a gyártási ciklusok lerövidítésének és a gyártási hely megtakarításának kulcsa az, hogy hogyan lehet ezt a folyamatot felgyorsítani. Ez egyúttal egy olyan technikai szűk keresztmetszet is, amelyet a folyamatos gyártás és automatizálás megvalósításához át kell törni. Ez összetett tudományos elveket és a gyártási folyamatok optimalizálását foglalja magában. Például a modern termelésirányításban a "folyamatoptimalizálás elmélete" hangsúlyozza, hogy a kulcsfontosságú folyamatok, például a bevonatszárítás hatékonyságának javítása multiplikátorhatást gyakorol az egész termelési rendszer hatékonyságának javítására.
Ez azt mutatja, hogy a vízbázisú festékbevonatok száradásának alapos kutatása nagy jelentőséggel bír a kivitel minőségének biztosítása és a kivitel hatékonyságának javítása szempontjából. Ez egy fontos módja a szárítási hatékonyság javításának, és fontos téma a bútorgyártó ipar fejlődésének előmozdítása szempontjából, rendkívül magas alkalmazási értékkel. Különösen a fa bútorokhoz használt vízbázisú festékek vizet használnak közegként, nagyon alacsony szilárdanyag-tartalommal, általában csak 20% - 30%, és magas, körülbelül 70% nedvességtartalommal. Ez azt jelenti, hogy a szárítási folyamat főként vízpárolgásból áll. Az alábbiakban a vízbázisú festékek filmképződési folyamatát és a vízpárolgás folyamatát vesszük közelebbről szemügyre.
Vizes bázisú bútorfestékek filmképzési eljárása
A vízbázisú festékek filmképzési folyamata a molekulaláncok kondenzációjának finom jelensége, amely nagyjából három lépésre osztható: vízpárolgás, részecske deformáció és részecske koaleszcencia.
A felhordás befejezése után az első lépés a víz elpárolgása. A festékkémiai kutatások szerint, amikor a vizes bevonatrétegben lévő latexrészecskék térfogata eléri a 74% értéket, a részecskék közelebb kerülnek egymáshoz, és sűrű, tömött állapotba kerülnek. Ez olyan, mintha kis részecskék csoportja szorosan egymás mellé rendeződne, és a köztük lévő távolság fokozatosan csökkenne. Ezután, ahogy a víz tovább párolog, a polimer részecskék deformálódni kezdenek. Ekkor a kapilláris nyomás meghaladja a polimerrészecskék deformációs ellenállását, és a részecskék között nyomás alakul ki. Minél inkább elpárolog a közeg, annál nagyobb lesz a nyomás, és a részecskék ekkor összeolvadnak és egybeolvadnak, hogy folyamatos bevonófilmet képezzenek. Ez a folyamat olyan, mintha apró építőkockák fokozatosan összeilleszkednének a nyomás hatására. Végül, ahogy a víz tovább párolog, a polimerláncok fokozatosan, szintről szintre diffundálnak egymásba, amikor a nyomás már elegendő ahhoz, hogy az egyes részecskék molekulaláncai egy másik részecske molekulaláncaiba terjedjenek. Ez a folyamat olyan, mintha egy finom hálót szőnének fokozatosan össze, amelynek minden egyes láncszeme szorosan kapcsolódik egymáshoz és nélkülözhetetlen.
A vízpárolgás folyamatának kutatása
A mélyreható elméleti elemzés azt mutatja, hogy a vízbázisú festék nedvességpárolgási folyamata a függőleges száradási elméletet követi a felülettől a belső tér felé. Ez az elmélet szerint a nedvesség elpárolgása a vízbázisú festék filmjének kialakulása során három szakaszra osztható.
Az első szakaszban a gyantarészecskék véletlenszerű Brown-mozgást végeznek, és a víz a tiszta vízzel megegyező sebességgel párolog el a víz-levegő határfelület mentén. Ez olyan, mint egy élénk táncparkett, ahol az emberek (vízmolekulák) szabadon táncolnak (Brown-mozgás) és fokozatosan távolodnak (párolgás). A második szakaszban a közeg, amelyben a gyantarészecskék szuszpendálódnak, csökken, és a gyantarészecskék közelebb kerülnek egymáshoz, felhalmozódnak és agglomerálódnak, mintha egy tömeg kezdene összegyűlni. Ennek hatására a víz-levegő határfelület összezsugorodik, a teljes felület csökken, és a vízpárolgás sebessége gyorsan csökken. A végső szakaszban a vízpárolgás sebessége tovább csökken, és a maradék víznek a membránban lévő kapillárisokon keresztül kell a film-levegő felületre diffundálnia, hogy elpárologjon. Az egész folyamat a gyantarészecskék felületi rétegétől a belseje felé fejlődik, és a nedvesség párolgási sebessége csökken a nedvesség folyamatos csökkenése és a részecskék közötti résről a polimeren keresztül történő átvitelre történő átvitel módjának megváltozása miatt. Ez a változássorozat olyan, mint egy jól koreografált tánc, amelynek minden egyes mozdulatnak megvan a maga sajátos ritmusa és logikája.
Szárítási módszer
A fa szárítási folyamata a fa belső nedvességének fokozatos eltávolítása, és a vízalapú festékkel bevont bútorok szárítása is nagyrészt a nedvesség fokozatos eltávolítása a bevonat belsejéből. Bizonyos értelemben hasonlóságok vannak a kettő között. Az analógia gyakori kutatási módszer a modern anyagtudományban. Ezért a fa bútorokon lévő vízbázisú festékbevonatok száradásának vizsgálatakor támaszkodhatunk a viszonylag kiforrott faanyagszárítási módszerekre. A faanyagszárítás területén az olyan módszerek, mint a természetes szárítás, a forrólevegős szárítás, a mikrohullámú szárítás, az ultraibolya szárítás, az infravörös szárítás, a napszárítás, a nagyfrekvenciás szárítás és a kombinált szárítás elméletileg mind alkalmazhatóak a vízalapú festékbevonatok szárítására. Azonban minden egyes szárítási módszert alaposan meg kell vizsgálni a vízbázisú bevonatok szárításánál alkalmazott sajátos műszaki paramétereik tekintetében.
Valójában a vízalapú fa bevonatok száradási sebességét befolyásoló fő tényezők közé tartozik a környezeti hőmérséklet, a relatív páratartalom, a filmvastagság és a légáramlási sebesség. Ahogyan a környezeti tényezők befolyásolják az élőlények növekedését, ezek a tényezők egymással kölcsönhatásban befolyásolják a szárítási folyamatot. Wu Zhongyue és más szakértők kutatásukban rámutattak, hogy a vízbázisú fa bevonatok használata a vonalfestéshez nemcsak felgyorsítja a száradást, hanem javítja a filmkeménységet, csökkenti a VOC-kibocsátást, és hatékonyan elkerüli a "lassú száradás" okozta problémák sorát. Cai Jiabin és más tudósok kutatást végeztek a mikrohullámú szárítás alkalmazásáról a poliuretán vízbázisú fa bevonatoknál. Az eredmények azt mutatták, hogy a mikrohullámú szárítás után a nedvesség eltávolításának mértéke a vízalapú bevonófilmben elérte a 90%-t, míg ugyanebben az időben a kemencében történő szárítás csak körülbelül 50% teljes nedvességet tud eltávolítani. Ráadásul a mikrohullámú szárítás után a bevonófilm azonnal száraz állapotba kerülhet, és csiszolható, egymásra rakható és csomagolható. Ezek a kutatási eredmények erős alapot nyújtanak számunkra a megfelelő szárítási módszer kiválasztásához.
A vízbázisú bevonatok száradási sebessége és filmképzési minősége a szárítási módszertől függően jelentősen eltér. A következő szakasz a vízbázisú bevonatok különböző szárítási módszereinek részletes leírását tartalmazza.
Természetes szárítás
A víz látens párolgási hője 2457,7 KJ/Kg, és a víz párolgása a vízalapú bevonatokban nagy mennyiségű hő elnyelését igényli. Ez a tulajdonság határozza meg, hogy a víz párolgását befolyásolja a légköri hőmérséklet, a páratartalom és a szélsebesség. Fizikai szempontból a hőmérséklet emelkedésével a molekulák hőmozgása felerősödik, és a folyékony vízmolekulák nagyobb valószínűséggel szabadulnak ki a többi vízmolekula vonzása alól, és gőzmolekulákká alakulnak. Ezért a párolgás sebessége a hőmérséklet emelkedésével nő. Ezzel szemben a levegő páratartalmának növekedésével nő a levegőben lévő vízgőz aránya, és a vízgőz parciális nyomása is megnő, ami miatt több vízgőzmolekula alakul vissza folyékony vízmolekulává, így csökken a víz párolgási sebessége. A szélsebesség hatása az, hogy minél nagyobb a szélsebesség, annál több vízmolekula távolodik el a párologtató felületéről időegységenként, és annál gyorsabb a párolgási sebesség.
Bár a természetes szárítás egyszerű és széles körben alkalmazott módszer, nyilvánvaló hátránya a lassú száradási sebesség. A természetes környezetben a hőmérséklet, a páratartalom és a szélsebesség folyamatosan változik, ami a szárítási sebesség és a filmképződés minőségének instabilitásához vezet. Például magas hőmérséklet és páratartalom vagy magas páratartalom mellett a bevonat hajlamos a kifehéredésre, és a száradási sebesség jelentősen csökken. Alacsony hőmérsékletű környezetben a száradási sebesség még lassabb, és különösen 5°C-on a vízbázisú festékek alig tudnak filmet képezni. Ezek a problémák nagymértékben korlátozták a vízbázisú festékek alkalmazását. Olyan ez, mint a növénytermesztés változó időjárási körülmények között, ahol a bizonytalan környezeti tényezők befolyásolhatják a termést. A természetes száradás instabilitása akadályozza a vízbázisú festékek alkalmazását.
Meleglevegős szárítás
A meleglevegős szárítás a konvekció elvén alapuló fűtőszárítási módszer. A 40-60 °C hőmérsékletű forró levegőt hőhordozóként használják, hogy a hőenergiát a munkadarab felületén lévő bevonathoz juttassák. A bevonat elnyeli az energiát, majd megszilárdul és filmet képez. Általában elektromosságot vagy gőzt használnak hőforrásként, hogy először a levegőt melegítsék fel, majd a hőt konvekcióval adják át a bevonat felületének, így a bevonat gyorsan megszárad.
Ebben az eljárásban a bevonatot körülvevő forró levegő a fűtőközeg. Mivel a bevonat bizonyos vastagságú, időbe telik, amíg a hő a bevonat felületéről a belső határfelületre jut. A hőátadási sebesség a bevonat vastagságától és hővezető képességétől függ. Ezért konvekciós fűtéskor mindig a bevonat felülete melegszik fel először. A kezdeti száradási fázisban a felületi réteg párologtatja el a legtöbb nedvességet, és a bevonat a felületi rétegből szárad ki, fokozatosan átterjedve az alatta lévő rétegekre, amelyek utoljára száradnak. Ez a szárítási módszer jelentősen felgyorsíthatja a bevonat száradását, és rendkívül jól adaptálható. Jelenleg ez az egyik legszélesebb körben alkalmazott szárítási módszer. A nagy bútorgyárakban eredetileg a forrólevegős szárítósorok voltak az oldószeres bevonatok kényszerített szárításának fő formája. A vízbázisú bevonatok szárítására alkalmazva, a vízbázisú bevonatok hosszú száradási ideje miatt egyrészt a szárítóberendezést célzottan kell tanulmányozni, másrészt a szárítási folyamatot optimalizálni kell. Az olyan tényezők, mint a hőmérséklet, a páratartalom, a munkadarab sebessége (száradási idő) és a szellőzési körülmények a szárítási vonal különböző pontjain döntő fontosságúak a szárítás minőségének és a festékfilm végső minőségének biztosítása szempontjából. Olyan ez, mint egy összetett főzési folyamat, ahol az egyes paraméterek beállítása befolyásolhatja a végső étel (festékfilm minősége) ízét (minőségét).
Mikrohullámú szárítás
A mikrohullámok 1 mm és 1 m közötti hullámhosszú, 300 MHz és 300 GHz közötti frekvenciájú, átható elektromágneses hullámok. A leggyakrabban használt mikrohullámú frekvenciák a 915 MHz és 2450 MHz közötti frekvenciák. A mikrohullámú fűtés a dielektromos veszteség elvét használja. A víz dielektromos állandója sokkal nagyobb, mint a száraz anyagé, ezért az elektromágneses mező által felszabaduló energia nagy részét a festékben lévő víz nyeli el.
A mikrohullámú mező periodikusan, nagy sebességgel, másodpercenként több százmilliószor változtatja meg az alkalmazott elektromos mező irányát, ami a vízmolekulák gyors kilengését okozza, és jelentős hőhatást vált ki, ezáltal a bevonat belsejében és felületén egyszerre gyorsan megemeli a hőmérsékletet. A mikrohullámú fűtés előnyei kiemelkedőek: rendkívül gyors szárítási sebesség, a mikrohullámok szelektív elnyelése a különböző anyagok által, a szárítandó tárgy alakjára vonatkozó követelmények hiánya, a bevonófilm nagyon egyenletes felmelegedése, hőmérséklet-gradiens hiánya, és a vastag filmek szárításának képessége. A 2450 MHz-es frekvenciájú mikrohullámok rendelkeznek a legjobb energiaátalakítási és veszteségmérleggel a vízmolekulák számára. Az ilyen frekvenciájú mikrohullámok képesek áthatolni egy 30 mm vastag vízrétegen, és különböző vastagságú vízalapú festékbevonatok szárítására használhatók. Olyan, mintha számtalan miniatűr fűtőtestet telepítettek volna a festék belsejébe, amelyek egyenletesen és hatékonyan végzik el a szárítási folyamatot.
UV szárítás
A vízbázisú UV-fa bevonatok esetében UV-keményítés alkalmazható, azaz a vízbázisú UV-fa bevonatot 300-400 nm hullámhosszúságú ultraibolya fénnyel keményítik. A vízbázisú UV-bevonatok kis mennyiségű fényérzékenyítőt tartalmaznak. Ultraibolya fénynek kitéve a fényérzékenyítő egy meghatározott hullámhosszúságú ultraibolya fény elnyelése után lebomlik, és aktív gyökök keletkeznek, amelyek a filmképző anyag polimerizációs reakcióját indítják el, hogy hálózati szerkezetet képezzenek, és ezáltal a bevonatot kikeményítsék. Az UV-keményítés előnye a gyors keményedés és a jó bevonatminőség. Ennek a módszernek azonban vannak korlátai: csak vízalapú UV-bevonatok szárítására használható, és csak sík bútorlapok száríthatók vele. Olyan, mint egy speciális kulcs, amely csak egy adott zárat tud kinyitni (egy adott típusú bevonat és tárgyforma szárítása).
Infravörös szárítás
Az infravörös pácolás vízbázisú fa bevonatok szárítására használható. Konkrétan, a bevont bútorlapokat és bevonataikat infravörös fénynek teszik ki, amely elnyeli a sugárzási energiát, és hővé alakítja, ezáltal a bevonatot megszilárdítja. Az infravörös egy láthatatlan sugárzás a látható fény és a mikrohullámok között, hullámhossza 0,72-1000um. A hullámhossz-tartomány szerint "közeli", "közepes" és "távoli" infravörösre osztható. A távoli infravörös sugárzást általában bevonatok szárítására használják.
Az infravörös gyógyítás előnye a gyors gyógyítási sebesség, a gyors hőmérséklet-emelkedés és a jó gyógyítási minőség. Az infravörös fűtés bevonatok szárításakor azonban jelentős hőmérséklet-gradiens van a bevonatban, és a szárítás a felületről a belső részre terjed, ami alkalmatlanná teszi a vastagabb bevonatú filmek szárítására. Ezenkívül az infravörös szárítás csak az infravörös sugarak által besugárzott területet képes felmelegíteni, és nem használható háromdimenziós tárgyak szárítására. Ez hasonló ahhoz, mintha a napfény egy tárgyra sütne, amely csak a felületet világítja meg, és nincs hatása a belső és árnyékos részekre. Az infravörös szárításnak is hasonló korlátai vannak.