Dalam bidang manufaktur dan dekorasi furnitur, proses pengeringan lapisan cat berbahan dasar air merupakan mata rantai utama. Ini bukan hanya prasyarat untuk memastikan bahwa kualitas hasil akhir memenuhi standar, tetapi juga merupakan proses penting yang sangat diperlukan di seluruh proses finishing. Dampaknya terhadap biaya produksi dan efisiensi kerja tidak boleh diremehkan.

Secara historis, pengabaian kondisi pengeringan lapisan pada proses finishing furnitur awal telah menyebabkan sejumlah besar masalah kualitas produk. Sebagai contoh, pada beberapa furnitur kayu yang dibuat khusus oleh bangsawan Eropa pada Abad Pertengahan, karena prinsip pengeringan cat berbahan dasar air yang tidak diketahui pada saat itu, banyak furnitur yang mengalami cacat seperti kilap yang buruk, permukaan yang kasar seperti kulit jeruk, dan lubang kecil tak lama setelah digunakan. Pada kasus yang parah, tekanan internal berkembang dalam lapisan cat, sehingga mengurangi daya rekatnya. Pada penggunaan berikutnya, perabot ini mengalami keretakan, kehilangan fungsi pelindung dan dekoratifnya, dan penampilan serta daya tahannya telah sangat berkurang. Hal ini sangat mencerminkan dampak yang sangat besar dari kondisi pengeringan lapisan pada kualitas produk akhir.

Pengeringan lapisan adalah proses yang tidak hanya sering diulang dalam produksi, tetapi juga sangat memakan waktu. Dalam konteks produksi massal industri modern, cara mempercepat proses ini telah menjadi kunci untuk memperpendek siklus produksi dan menghemat ruang produksi. Ini juga merupakan hambatan teknis yang harus diterobos untuk mencapai konstruksi dan otomatisasi yang berkelanjutan. Hal ini melibatkan prinsip-prinsip ilmiah yang kompleks dan optimalisasi proses produksi. Sebagai contoh, "teori optimalisasi proses" dalam manajemen produksi modern menekankan bahwa peningkatan efisiensi proses-proses utama seperti pengeringan lapisan memiliki efek berganda dalam meningkatkan efisiensi seluruh sistem produksi.

Hal ini menunjukkan bahwa penelitian mendalam tentang pengeringan lapisan cat berbasis air sangat penting untuk memastikan kualitas hasil akhir dan meningkatkan efisiensi hasil akhir. Ini adalah cara penting untuk meningkatkan efisiensi pengeringan dan topik penting untuk mempromosikan pengembangan industri manufaktur furnitur, dengan nilai aplikasi yang sangat tinggi. Secara khusus, cat berbahan dasar air untuk furnitur kayu menggunakan air sebagai media, dengan kandungan padatan yang sangat rendah, biasanya hanya 20% - 30%, dan kadar air yang tinggi sekitar 70%. Ini berarti bahwa proses pengeringan sebagian besar merupakan proses penguapan air. Di bawah ini, kita akan mencermati lebih dekat proses pembentukan film cat berbasis air dan proses penguapan air.

Proses pembentukan film cat berbasis air untuk furnitur

Proses pembentukan film cat berbasis air adalah fenomena halus kondensasi rantai molekul, yang secara kasar dapat dibagi ke dalam tiga langkah: penguapan air, deformasi partikel dan penggabungan partikel.

Setelah aplikasi selesai, tahap pertama adalah penguapan air. Menurut penelitian di bidang kimia cat, apabila volume partikel lateks dalam lapisan pelapis berair mencapai 74%, partikel-partikel tersebut bergerak saling mendekat dan memasuki kondisi yang padat dan penuh sesak. Ini seperti sekelompok partikel kecil yang disusun secara berdekatan, dengan jarak di antara partikel-partikel tersebut secara bertahap berkurang. Kemudian, saat air terus menguap, partikel polimer mulai berubah bentuk. Pada titik ini, tekanan kapiler melebihi ketahanan deformasi partikel polimer, dan tekanan menumpuk di antara partikel. Semakin banyak medium yang menguap, semakin besar tekanannya, dan partikel-partikelnya kemudian menyatu dan bergabung membentuk lapisan film yang kontinu. Proses ini seperti blok bangunan kecil yang secara bertahap disatukan di bawah tekanan. Akhirnya, saat air terus menguap, rantai polimer secara bertahap berdifusi satu sama lain, setingkat demi setingkat, ketika tekanannya cukup untuk menyebabkan rantai molekul di setiap partikel menyebar ke rantai molekul partikel lain. Proses ini seperti jala halus yang secara bertahap dijalin bersama, dengan setiap mata rantai yang saling terkait erat dan tak terpisahkan.

Penelitian tentang proses penguapan air

Analisis teoritis yang mendalam menunjukkan bahwa proses penguapan air pada cat berbahan dasar air mengikuti teori pengeringan vertikal dari permukaan ke dalam. Teori ini menyatakan bahwa penguapan uap air selama pembentukan lapisan cat berbahan dasar air dapat dibagi menjadi tiga tahap.

Pada tahap pertama, partikel resin mengalami gerakan Brown secara acak, dan air menguap dengan kecepatan yang sama seperti pada air murni, di sepanjang antarmuka air-udara. Ini seperti lantai dansa yang meriah, di mana orang-orang (molekul air) menari dengan bebas (gerakan Brown) dan secara bertahap menjauh (penguapan). Pada tahap kedua, medium tempat partikel resin tersuspensi berkurang, dan partikel resin bergerak saling mendekat, menumpuk dan menggumpal, seperti kerumunan orang yang mulai berkumpul. Hal ini menyebabkan antarmuka air-udara menyusut, total area berkurang, dan laju penguapan air menurun secara cepat. Pada tahap akhir, laju penguapan air terus menurun, dan air yang tersisa perlu berdifusi melalui kapiler dalam membran ke permukaan film-udara untuk menguap. Seluruh proses berkembang dari lapisan permukaan partikel resin ke bagian dalam, dan laju penguapan kelembaban menurun karena pengurangan kelembaban yang terus menerus dan perubahan mode transfer dari celah antara partikel ke transfer melalui polimer. Rangkaian perubahan ini bagaikan tarian yang dikoreografikan dengan baik, dengan tiap gerakan memiliki ritme dan logikanya masing-masing.

Metode pengeringan

Proses pengeringan kayu adalah proses yang secara bertahap menghilangkan kelembapan internal kayu, dan pengeringan furnitur yang dilapisi dengan cat berbasis air, sebagian besar juga merupakan proses menghilangkan kelembapan dari bagian dalam lapisan secara bertahap. Dalam arti tertentu, ada kemiripan di antara keduanya. Analogi adalah metode penelitian yang umum dalam ilmu material modern. Oleh karena itu, ketika mengeksplorasi pengeringan lapisan cat berbasis air pada furnitur kayu, kita dapat memanfaatkan metode pengeringan kayu yang relatif matang. Di bidang pengeringan kayu, metode seperti pengeringan alami, pengeringan udara panas, pengeringan gelombang mikro, pengeringan ultraviolet, pengeringan inframerah, pengeringan matahari, pengeringan frekuensi tinggi, dan pengeringan gabungan secara teoritis dapat diterapkan pada pengeringan lapisan cat berbahan dasar air. Namun, setiap metode pengeringan perlu dipelajari secara mendalam untuk parameter teknis spesifiknya ketika diterapkan pada pengeringan lapisan berbasis air.

Faktanya, faktor utama yang mempengaruhi kecepatan pengeringan pelapis kayu berbahan dasar air meliputi suhu lingkungan, kelembaban relatif, ketebalan film, dan kecepatan aliran udara. Seperti halnya faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan makhluk hidup, faktor-faktor ini saling berinteraksi satu sama lain untuk mempengaruhi proses pengeringan. Wu Zhongyue dan para ahli lainnya menunjukkan dalam penelitian mereka bahwa penggunaan pelapis kayu berbasis air untuk pengecatan garis tidak hanya mempercepat pengeringan, tetapi juga meningkatkan kekerasan film, mengurangi VOC, dan secara efektif menghindari serangkaian masalah yang disebabkan oleh "pengeringan yang lambat". Cai Jiabin dan para sarjana lainnya melakukan penelitian tentang penerapan pengeringan gelombang mikro pada pelapis kayu berbahan dasar air poliuretan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa setelah pengeringan dengan microwave, laju penghilangan kelembaban pada film pelapis berbahan dasar air mencapai 90%, sedangkan pada saat yang sama, pengeringan dengan oven hanya dapat menghilangkan sekitar 50% dari total kelembaban. Selain itu, film pelapis setelah pengeringan dengan microwave dapat segera mencapai kondisi kering, dan dapat diampelas, ditumpuk, dan dikemas. Hasil penelitian ini memberikan dasar yang kuat bagi kami untuk memilih metode pengeringan yang sesuai.

Kecepatan pengeringan dan kualitas pembentukan film pelapis berbahan dasar air sangat bervariasi, tergantung pada metode pengeringan. Bagian berikut ini memberikan penjelasan rinci tentang berbagai metode pengeringan untuk pelapis berbahan dasar air.

Pengeringan alami

Panas laten penguapan air mencapai 2457,7KJ/Kg, dan penguapan air pada lapisan berbasis air memerlukan penyerapan panas dalam jumlah besar. Karakteristik ini menentukan bahwa penguapan air dipengaruhi oleh suhu atmosfer, kelembapan dan kecepatan angin. Dari sudut pandang fisik, ketika suhu naik, gerakan termal molekul meningkat, dan molekul air cair lebih mungkin untuk melepaskan diri dari tarikan molekul air lainnya dan menjadi molekul uap. Oleh karena itu, laju penguapan meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Sebaliknya, ketika kelembaban udara meningkat, proporsi uap air di udara meningkat, dan tekanan parsial uap air meningkat, yang akan membuat lebih banyak molekul uap air berubah kembali menjadi molekul air cair, sehingga mengurangi laju penguapan air. Pengaruh kecepatan angin adalah semakin besar kecepatan angin, semakin banyak molekul air yang dikeluarkan dari permukaan evaporator per satuan waktu, dan semakin cepat laju penguapan.

Walaupun pengeringan alami adalah metode yang sederhana dan banyak digunakan, namun kelemahannya yang jelas adalah kecepatan pengeringannya yang lambat. Di lingkungan alami, suhu, kelembapan dan kecepatan angin terus berubah, yang menyebabkan kecepatan pengeringan dan kualitas pembentukan film tidak stabil. Misalnya, dalam suhu dan kelembapan tinggi atau kondisi kelembapan tinggi, lapisan rentan terhadap pemutihan dan kecepatan pengeringan berkurang secara signifikan. Dalam lingkungan bersuhu rendah, kecepatan pengeringan bahkan lebih lambat, dan pada suhu 5°C khususnya, cat berbahan dasar air nyaris tidak dapat membentuk film sama sekali. Masalah-masalah ini sebagian besar telah membatasi penerapan cat berbasis air. Ini seperti menanam tanaman dalam kondisi cuaca yang berubah-ubah, di mana faktor lingkungan yang tidak stabil dapat mempengaruhi panen. Ketidakstabilan pengeringan alami menghalangi aplikasi cat berbasis air.

Pengeringan udara panas

Pengeringan udara panas adalah metode pengeringan pemanasan yang mengandalkan prinsip konveksi. Udara panas pada suhu 40-60°C digunakan sebagai pembawa panas untuk mentransfer energi panas ke lapisan pada permukaan benda kerja. Lapisan tersebut menyerap energi dan kemudian mengeras dan membentuk film. Biasanya listrik atau uap digunakan sebagai sumber panas untuk memanaskan udara terlebih dahulu, dan kemudian panas ditransfer ke permukaan lapisan secara konveksi, sehingga lapisan cepat kering.

Dalam proses ini, udara panas di sekeliling lapisan bertindak sebagai media pemanas. Karena lapisan memiliki ketebalan tertentu, maka diperlukan waktu bagi panas untuk berpindah dari permukaan lapisan ke batas bagian dalam. Laju perpindahan panas bergantung pada ketebalan lapisan dan konduktivitas termalnya. Oleh karena itu, ketika pemanasan konveksi, permukaan lapisan selalu dipanaskan terlebih dahulu. Selama fase pengeringan awal, lapisan permukaan menguapkan paling banyak uap air, dan lapisan mengering dari lapisan permukaan, secara bertahap menyebar ke lapisan di bawahnya, yang mengering terakhir. Metode pengeringan ini secara signifikan dapat mempercepat pengeringan lapisan dan sangat mudah beradaptasi. Saat ini merupakan salah satu metode pengeringan yang paling banyak digunakan. Di pabrik-pabrik mebel besar, jalur pengeringan udara panas pada awalnya merupakan bentuk utama pengeringan paksa untuk pelapis berbasis pelarut. Ketika diterapkan pada pengeringan pelapis berbahan dasar air, karena waktu pengeringan yang lama pada pelapis berbahan dasar air, di satu sisi, peralatan pengeringan perlu dipelajari dengan cara yang ditargetkan, dan di sisi lain, proses pengeringan perlu dioptimalkan. Faktor-faktor seperti suhu, kelembapan, kecepatan benda kerja (waktu pengeringan) dan kondisi ventilasi di berbagai titik di sepanjang garis pengeringan sangat penting untuk memastikan kualitas pengeringan dan kualitas akhir film cat. Ini seperti proses memasak yang rumit, di mana penyesuaian setiap parameter dapat memengaruhi rasa (kualitas) hidangan akhir (kualitas film cat).

Pengeringan dengan microwave

Gelombang mikro adalah gelombang elektromagnetik yang dapat menembus dengan panjang gelombang 1 mm hingga 1 m dan frekuensi 300 MHz hingga 300 GHz. Frekuensi gelombang mikro yang paling umum digunakan adalah 915 MHz hingga 2450 MHz. Pemanasan gelombang mikro menggunakan prinsip kehilangan dielektrik. Konstanta dielektrik air jauh lebih tinggi daripada bahan kering, sehingga sebagian besar energi yang dilepaskan oleh medan elektromagnetik diserap oleh air dalam cat.

Medan gelombang mikro secara berkala mengubah arah medan listrik yang diterapkan dengan kecepatan tinggi beberapa ratus juta kali per detik, menyebabkan molekul air berayun dengan cepat dan menghasilkan efek termal yang signifikan, sehingga dengan cepat meningkatkan suhu di dalam dan di permukaan lapisan pada saat yang bersamaan. Keuntungan dari pemanasan gelombang mikro luar biasa: kecepatan pengeringan yang sangat cepat, penyerapan gelombang mikro secara selektif oleh zat yang berbeda, tidak ada persyaratan bentuk untuk objek yang dikeringkan, pemanasan film pelapis yang sangat merata, tidak ada gradien suhu, dan kemampuan untuk mengeringkan film yang tebal. Gelombang mikro dengan frekuensi 2450 MHz memiliki konversi energi dan keseimbangan kehilangan terbaik untuk molekul air. Gelombang mikro pada frekuensi ini dapat menembus lapisan air setebal 30 mm dan dapat digunakan untuk mengeringkan lapisan cat berbahan dasar air dengan berbagai ketebalan. Seolah-olah pemanas miniatur yang tak terhitung jumlahnya telah dipasang di dalam cat, secara merata dan efisien menyelesaikan proses pengeringan.

Pengeringan UV

Untuk pelapis kayu UV berbahan dasar air, UV curing dapat digunakan, yaitu pelapis kayu UV berbahan dasar air diawetkan dengan sinar ultraviolet dengan panjang gelombang 300 - 400 nm. Pelapis UV berbahan dasar air mengandung sedikit fotosensitizer. Ketika terkena sinar ultraviolet, fotosensitizer terurai setelah menyerap sinar ultraviolet dengan panjang gelombang tertentu, menghasilkan radikal aktif yang memulai reaksi polimerisasi bahan pembentuk film untuk membentuk struktur jaringan, sehingga mengawetkan lapisan. UV curing memiliki keunggulan dalam hal pengawetan yang cepat dan kualitas lapisan yang baik. Namun, metode ini memiliki keterbatasan: metode ini hanya dapat digunakan untuk mengeringkan pelapis UV berbasis air dan hanya panel furnitur datar yang dapat dikeringkan. Ini seperti kunci khusus yang hanya dapat membuka kunci tertentu (mengeringkan jenis lapisan dan bentuk objek tertentu).

Pengeringan inframerah

Pengawetan inframerah dapat digunakan untuk mengeringkan pelapis kayu berbahan dasar air. Secara khusus, panel furnitur yang dilapisi dan pelapisnya terpapar sinar inframerah, yang menyerap energi radiasi dan mengubahnya menjadi panas, sehingga mengawetkan lapisannya. Inframerah adalah sinar tak kasat mata antara cahaya tampak dan gelombang mikro dengan panjang gelombang 0,72 - 1000um. Inframerah dapat dibagi menjadi inframerah "dekat", "sedang" dan "jauh" menurut rentang panjang gelombangnya. Inframerah jauh pada umumnya digunakan untuk mengeringkan pelapis.

Pengeringan inframerah memiliki keunggulan kecepatan pengeringan yang cepat, kenaikan suhu yang cepat, dan kualitas pengeringan yang baik. Namun demikian, apabila menggunakan pemanasan inframerah untuk mengeringkan lapisan, terdapat gradien suhu yang signifikan pada lapisan, dan pengeringan meluas dari permukaan ke bagian dalam, sehingga tidak cocok untuk mengeringkan film yang dilapisi lebih tebal. Selain itu, pengeringan inframerah hanya dapat memanaskan area yang dapat disinari oleh sinar inframerah, dan tidak dapat digunakan untuk mengeringkan benda tiga dimensi. Hal ini serupa dengan sinar matahari yang menyinari suatu benda, yang hanya menyinari permukaannya, dan tidak berpengaruh pada bagian dalam dan bagian yang berbayang. Pengeringan inframerah juga memiliki keterbatasan yang serupa.