Nel campo della produzione e della decorazione dei mobili, il processo di essiccazione delle vernici a base d'acqua è un anello fondamentale. Non è solo un prerequisito per garantire che la qualità della finitura sia conforme agli standard, ma anche un processo importante, indispensabile per l'intero processo di finitura. Il suo impatto sui costi di produzione e sull'efficienza del lavoro non deve essere sottovalutato.
Storicamente, la trascuratezza delle condizioni di essiccazione delle vernici nei primi processi di finitura dei mobili ha portato a un gran numero di problemi di qualità del prodotto. Ad esempio, in alcuni mobili in legno realizzati su misura dagli aristocratici europei nel Medioevo, a causa del principio di essiccazione sconosciuto all'epoca delle vernici a base d'acqua, molti mobili hanno sviluppato difetti quali scarsa brillantezza, superficie ruvida simile alla buccia d'arancia e fori di spillo poco dopo l'uso. Nei casi più gravi, si sviluppavano tensioni interne alla pellicola di vernice, riducendo notevolmente l'adesione. Nell'uso successivo, questi mobili si sono crepati, perdendo la loro funzione protettiva e decorativa, e il loro aspetto e la loro durata sono stati notevolmente ridotti. Ciò riflette profondamente l'enorme impatto delle condizioni di essiccazione del rivestimento sulla qualità del prodotto finale.
L'essiccazione del rivestimento è un processo che non solo si ripete spesso in produzione, ma che richiede anche molto tempo. Nel contesto della moderna produzione industriale di massa, la possibilità di accelerare questo processo è diventata la chiave per accorciare i cicli di produzione e risparmiare spazio produttivo. È anche un collo di bottiglia tecnico che deve essere superato per ottenere la costruzione continua e l'automazione. Ciò implica principi scientifici complessi e l'ottimizzazione dei processi produttivi. Ad esempio, la "teoria dell'ottimizzazione dei processi" nella moderna gestione della produzione sottolinea che il miglioramento dell'efficienza di processi chiave come l'essiccazione del rivestimento ha un effetto moltiplicatore sul miglioramento dell'efficienza dell'intero sistema produttivo.
Ciò dimostra che una ricerca approfondita sull'essiccazione dei rivestimenti a base d'acqua è di grande importanza per garantire la qualità della finitura e migliorarne l'efficienza. Si tratta di un modo importante per migliorare l'efficienza dell'essiccazione e di un tema importante per promuovere lo sviluppo dell'industria del mobile, con un valore applicativo estremamente elevato. In particolare, le vernici all'acqua per mobili in legno utilizzano l'acqua come mezzo, con un contenuto solido molto basso, di solito solo 20% - 30%, e un elevato contenuto di umidità di circa 70%. Ciò significa che il processo di essiccazione è principalmente un processo di evaporazione dell'acqua. Di seguito analizzeremo più da vicino il processo di formazione della pellicola delle vernici a base d'acqua e il processo di evaporazione dell'acqua.
Processo di formazione della pellicola di vernici all'acqua per mobili
Il processo di formazione della pellicola delle vernici a base d'acqua è un sottile fenomeno di condensazione della catena molecolare, che può essere suddiviso grossolanamente in tre fasi: evaporazione dell'acqua, deformazione delle particelle e coalescenza delle particelle.
Una volta completata l'applicazione, la prima fase è l'evaporazione dell'acqua. Secondo le ricerche nel campo della chimica delle vernici, quando il volume delle particelle di lattice nello strato di vernice acquosa raggiunge 74%, le particelle si avvicinano l'una all'altra ed entrano in uno stato denso e impacchettato. Si tratta di un gruppo di piccole particelle disposte a stretto contatto, la cui distanza tra loro diminuisce gradualmente. Poi, mentre l'acqua continua a evaporare, le particelle di polimero iniziano a deformarsi. A questo punto, la pressione capillare supera la resistenza alla deformazione delle particelle polimeriche e la pressione si accumula tra le particelle. Più il mezzo evapora, più la pressione aumenta e le particelle si fondono per formare un film di rivestimento continuo. Questo processo è come l'unione graduale di piccoli mattoni sotto pressione. Infine, mentre l'acqua continua a evaporare, le catene polimeriche si diffondono gradualmente l'una nell'altra, livello dopo livello, quando la pressione è sufficiente a far sì che le catene molecolari di ogni particella si diffondano nelle catene molecolari di un'altra particella. Questo processo è come una rete sottile che viene gradualmente tessuta, con ogni anello strettamente connesso e indispensabile.
Ricerca sul processo di evaporazione dell'acqua
Un'analisi teorica approfondita dimostra che il processo di evaporazione dell'umidità della vernice a base d'acqua segue la teoria dell'essiccazione verticale dalla superficie all'interno. Secondo questa teoria, l'evaporazione dell'umidità durante la formazione del film di vernice a base d'acqua può essere suddivisa in tre fasi.
Nella prima fase, le particelle di resina subiscono un moto browniano casuale e l'acqua evapora alla stessa velocità dell'acqua pura, lungo l'interfaccia acqua-aria. È come una vivace pista da ballo, dove le persone (molecole d'acqua) ballano liberamente (moto browniano) e si allontanano gradualmente (evaporazione). Nella seconda fase, il mezzo in cui sono sospese le particelle di resina diminuisce e le particelle di resina si avvicinano, si accumulano e si agglomerano, proprio come una folla che inizia a riunirsi. L'interfaccia acqua-aria si restringe, l'area totale diminuisce e il tasso di evaporazione dell'acqua diminuisce rapidamente. Nella fase finale, il tasso di evaporazione dell'acqua continua a diminuire e l'acqua rimanente deve diffondersi attraverso i capillari della membrana fino alla superficie del film-aria per evaporare. L'intero processo si sviluppa dallo strato superficiale delle particelle di resina verso l'interno e il tasso di evaporazione dell'umidità diminuisce a causa della continua riduzione dell'umidità e del cambiamento della modalità di trasferimento dallo spazio tra le particelle al trasferimento attraverso il polimero. Questa serie di cambiamenti è come una danza ben coreografata, in cui ogni movimento ha un ritmo e una logica specifici.
Metodo di asciugatura
Il processo di essiccazione del legno è un processo di graduale rimozione dell'umidità interna del legno, e anche l'essiccazione dei mobili rivestiti con vernice a base d'acqua è, in larga misura, un processo di graduale rimozione dell'umidità dall'interno del rivestimento. In un certo senso, ci sono delle analogie tra le due cose. L'analogia è un metodo di ricerca comune nella moderna scienza dei materiali. Pertanto, nell'esaminare l'essiccazione delle vernici a base d'acqua sui mobili in legno, possiamo attingere ai metodi di essiccazione del legno relativamente maturi. Nel campo dell'essiccazione del legno, metodi come l'essiccazione naturale, l'essiccazione ad aria calda, l'essiccazione a microonde, l'essiccazione a raggi ultravioletti, l'essiccazione a infrarossi, l'essiccazione solare, l'essiccazione ad alta frequenza e l'essiccazione combinata sono tutti teoricamente applicabili all'essiccazione delle vernici a base d'acqua. Tuttavia, ogni metodo di essiccazione deve essere studiato a fondo per i suoi parametri tecnici specifici quando viene applicato all'essiccazione di rivestimenti a base d'acqua.
Infatti, i principali fattori che influenzano la velocità di essiccazione delle vernici per legno a base d'acqua sono la temperatura ambiente, l'umidità relativa, lo spessore del film e la velocità del flusso d'aria. Proprio come i fattori ambientali influenzano la crescita degli esseri viventi, questi fattori interagiscono tra loro per influenzare il processo di essiccazione. Wu Zhongyue e altri esperti hanno sottolineato nella loro ricerca che l'uso di vernici per legno a base d'acqua per la verniciatura di linee non solo accelera l'essiccazione, ma migliora anche la durezza del film, riduce i VOC ed evita efficacemente una serie di problemi causati dalla "lenta essiccazione". Cai Jiabin e altri studiosi hanno condotto una ricerca sull'applicazione dell'essiccazione a microonde alle vernici poliuretaniche per legno a base d'acqua. I risultati hanno mostrato che dopo l'essiccazione a microonde, il tasso di rimozione dell'umidità nel film di rivestimento a base d'acqua raggiunge i 90%, mentre nello stesso periodo l'essiccazione in forno può rimuovere solo circa 50% dell'umidità totale. Inoltre, il film di rivestimento dopo l'essiccazione a microonde può raggiungere immediatamente uno stato asciutto e può essere levigato, impilato e confezionato. Questi risultati della ricerca forniscono una solida base per la scelta del metodo di essiccazione più appropriato.
La velocità di essiccazione e la qualità di formazione del film dei rivestimenti a base d'acqua variano notevolmente a seconda del metodo di essiccazione. La sezione seguente fornisce una descrizione dettagliata dei vari metodi di essiccazione dei rivestimenti a base d'acqua.
Asciugatura naturale
Il calore latente di evaporazione dell'acqua raggiunge i 2457,7 KJ/Kg e l'evaporazione dell'acqua in un rivestimento a base di acqua richiede l'assorbimento di una grande quantità di calore. Questa caratteristica fa sì che l'evaporazione dell'acqua sia influenzata dalla temperatura atmosferica, dall'umidità e dalla velocità del vento. Da un punto di vista fisico, quando la temperatura aumenta, il movimento termico delle molecole si intensifica e le molecole di acqua liquida hanno maggiori probabilità di sfuggire all'attrazione di altre molecole d'acqua e diventare molecole di vapore. Pertanto, il tasso di evaporazione aumenta con l'aumento della temperatura. Al contrario, con l'aumento dell'umidità dell'aria, la percentuale di vapore acqueo nell'aria aumenta e la pressione parziale del vapore acqueo aumenta, facendo sì che un maggior numero di molecole di vapore acqueo si trasformi in molecole di acqua liquida, riducendo così il tasso di evaporazione dell'acqua. L'effetto della velocità del vento è che maggiore è la velocità del vento, più molecole d'acqua vengono rimosse dalla superficie dell'evaporatore per unità di tempo e più veloce è il tasso di evaporazione.
Sebbene l'essiccazione naturale sia un metodo semplice e ampiamente utilizzato, il suo evidente svantaggio è la lentezza dell'essiccazione. Nell'ambiente naturale, la temperatura, l'umidità e la velocità del vento cambiano continuamente, il che rende instabile la velocità di essiccazione e la qualità della formazione del film. Ad esempio, in condizioni di temperatura e umidità elevate o di elevata umidità, il rivestimento tende a sbiancare e la velocità di essiccazione si riduce notevolmente. In ambienti a bassa temperatura, la velocità di essiccazione è ancora più lenta e, in particolare a 5°C, le vernici a base d'acqua non riescono quasi mai a formare una pellicola. Questi problemi hanno ampiamente limitato l'applicazione delle vernici a base d'acqua. È come coltivare in condizioni climatiche mutevoli, dove fattori ambientali instabili possono influenzare il raccolto. L'instabilità dell'essiccazione naturale ostacola l'applicazione delle vernici all'acqua.
Essiccazione ad aria calda
L'essiccazione ad aria calda è un metodo di essiccazione a caldo che si basa sul principio della convezione. L'aria calda a una temperatura di 40-60°C viene utilizzata come vettore di calore per trasferire l'energia termica al rivestimento sulla superficie del pezzo. Il rivestimento assorbe l'energia e poi polimerizza formando una pellicola. Di solito si utilizza l'elettricità o il vapore come fonte di calore per riscaldare prima l'aria e poi il calore viene trasferito alla superficie del rivestimento per convezione, in modo che il rivestimento si asciughi rapidamente.
In questo processo, l'aria calda che circonda il rivestimento funge da mezzo di riscaldamento. Poiché il rivestimento ha un certo spessore, è necessario un certo tempo perché il calore si trasferisca dalla superficie del rivestimento al confine interno. La velocità di trasferimento del calore dipende dallo spessore del rivestimento e dalla sua conducibilità termica. Pertanto, quando si riscalda per convezione, la superficie del rivestimento viene sempre riscaldata per prima. Durante la fase iniziale di essiccazione, lo strato superficiale evapora la maggior parte dell'umidità e il rivestimento polimerizza dallo strato superficiale, diffondendosi gradualmente agli strati sottostanti, che si essiccano per ultimi. Questo metodo di essiccazione può accelerare notevolmente l'essiccazione del rivestimento ed è altamente adattabile. Attualmente è uno dei metodi di essiccazione più utilizzati. Nelle grandi fabbriche di mobili, le linee di essiccazione ad aria calda erano in origine la forma principale di essiccazione forzata per i rivestimenti a base di solventi. Quando viene applicata all'essiccazione dei rivestimenti a base d'acqua, a causa dei lunghi tempi di essiccazione dei rivestimenti a base d'acqua, da un lato è necessario studiare in modo mirato le apparecchiature di essiccazione e dall'altro ottimizzare il processo di essiccazione. Fattori come la temperatura, l'umidità, la velocità del pezzo (tempo di essiccazione) e le condizioni di ventilazione nei vari punti della linea di essiccazione sono fondamentali per garantire la qualità dell'essiccazione e la qualità finale della pellicola di vernice. È come un processo di cottura complesso, in cui la regolazione di ogni parametro può influire sul gusto (qualità) del piatto finale (qualità del film di vernice).
Essiccazione a microonde
Le microonde sono onde elettromagnetiche penetranti con lunghezze d'onda da 1 mm a 1 m e frequenze da 300 MHz a 300 GHz. Le frequenze a microonde più comunemente utilizzate vanno da 915 MHz a 2450 MHz. Il riscaldamento a microonde sfrutta il principio della perdita dielettrica. La costante dielettrica dell'acqua è molto più alta di quella della materia secca, quindi la maggior parte dell'energia rilasciata dal campo elettromagnetico viene assorbita dall'acqua nella vernice.
Il campo di microonde cambia periodicamente la direzione del campo elettrico applicato a una velocità di diverse centinaia di milioni di volte al secondo, provocando una rapida oscillazione delle molecole d'acqua e producendo un significativo effetto termico, con conseguente rapido aumento della temperatura all'interno e sulla superficie del rivestimento allo stesso tempo. I vantaggi del riscaldamento a microonde sono straordinari: velocità di asciugatura estremamente rapida, assorbimento selettivo delle microonde da parte di sostanze diverse, nessun requisito di forma dell'oggetto da asciugare, riscaldamento molto uniforme del film di rivestimento, assenza di gradiente di temperatura e capacità di asciugare film spessi. Le microonde con una frequenza di 2450 MHz presentano il miglior bilancio di conversione e perdita di energia per le molecole d'acqua. Le microonde a questa frequenza possono penetrare in uno strato d'acqua di 30 mm di spessore e possono essere utilizzate per asciugare vernici a base d'acqua di vari spessori. È come se all'interno della vernice fossero stati installati innumerevoli riscaldatori in miniatura, che completano il processo di essiccazione in modo uniforme ed efficiente.
Essiccazione UV
Per le vernici UV per legno a base d'acqua si può utilizzare la polimerizzazione UV, cioè la vernice UV per legno a base d'acqua viene polimerizzata dalla luce ultravioletta con una lunghezza d'onda di 300 - 400 nm. I rivestimenti UV a base d'acqua contengono una piccola quantità di fotosensibilizzante. Quando viene esposto alla luce ultravioletta, il fotosensibilizzatore si decompone dopo aver assorbito la luce ultravioletta di una specifica lunghezza d'onda, producendo radicali attivi che avviano la reazione di polimerizzazione del materiale filmogeno per formare una struttura a rete, polimerizzando così il rivestimento. La polimerizzazione UV presenta i vantaggi di una polimerizzazione rapida e di una buona qualità del rivestimento. Tuttavia, questo metodo ha i suoi limiti: può essere utilizzato solo per essiccare rivestimenti UV a base d'acqua e si possono essiccare solo pannelli di mobili piatti. È come una chiave speciale che può aprire solo una specifica serratura (essiccazione di uno specifico tipo di rivestimento e forma di oggetto).
Asciugatura a infrarossi
La polimerizzazione a infrarossi può essere utilizzata per asciugare i rivestimenti in legno a base d'acqua. Nello specifico, i pannelli dei mobili rivestiti e i relativi rivestimenti vengono esposti alla luce infrarossa, che assorbe l'energia radiante e la converte in calore, indurendo così il rivestimento. L'infrarosso è un raggio invisibile tra la luce visibile e le microonde con una lunghezza d'onda di 0,72-1000um. Può essere suddiviso in infrarosso "vicino", "medio" e "lontano" in base alla gamma di lunghezze d'onda. L'infrarosso lontano è comunemente usato per asciugare i rivestimenti.
La polimerizzazione a infrarossi presenta i vantaggi di una rapida velocità di polimerizzazione, di un rapido aumento della temperatura e di una buona qualità di polimerizzazione. Tuttavia, quando si utilizza il riscaldamento a infrarossi per essiccare i rivestimenti, si verifica un gradiente di temperatura significativo nel rivestimento e l'essiccazione si estende dalla superficie all'interno, il che lo rende inadatto all'essiccazione di film rivestiti più spessi. Inoltre, l'essiccazione a infrarossi può riscaldare solo l'area che può essere irradiata dai raggi infrarossi e non può essere utilizzata per essiccare oggetti tridimensionali. Ciò è simile alla luce del sole che illumina un oggetto solo in superficie e non ha effetto sulle parti interne e in ombra. Anche l'essiccazione a infrarossi presenta limitazioni simili.