Op het gebied van meubelproductie en -decoratie is het droogproces van verflagen op waterbasis een belangrijke schakel. Het is niet alleen een voorwaarde om ervoor te zorgen dat de kwaliteit van de afwerking aan de normen voldoet, maar ook een belangrijk proces dat onmisbaar is tijdens het hele afwerkingsproces. De invloed ervan op de productiekosten en de werkefficiëntie mag niet worden onderschat.
Historisch gezien heeft de verwaarlozing van de droogomstandigheden van coatings in vroege meubelafwerkingsprocessen geleid tot een groot aantal problemen met de productkwaliteit. In sommige houten meubelen die in de Middeleeuwen door Europese aristocraten op maat werden gemaakt, ontwikkelden veel meubels kort na gebruik gebreken zoals een slechte glans, een ruw oppervlak dat leek op sinaasappelschil en gaatjes, vanwege het onbekende droogprincipe van verven op waterbasis in die tijd. In ernstige gevallen ontstond er interne spanning in de verflaag, waardoor de hechting sterk verminderde. Bij later gebruik vertoonden deze meubels scheuren, waardoor ze hun beschermende en decoratieve functie verloren en hun uiterlijk en duurzaamheid sterk verminderden. Dit weerspiegelt de enorme impact van de droogomstandigheden van de coating op de kwaliteit van het eindproduct.
Het drogen van coatings is een proces dat niet alleen vaak herhaald wordt in de productie, maar ook zeer tijdrovend is. In de context van moderne industriële massaproductie is het versnellen van dit proces de sleutel geworden tot het verkorten van productiecycli en het besparen van productieruimte. Het is ook een technisch knelpunt dat moet worden doorbroken om continue constructie en automatisering mogelijk te maken. Hiervoor zijn complexe wetenschappelijke principes en de optimalisatie van productieprocessen nodig. De "procesoptimalisatietheorie" in modern productiemanagement benadrukt bijvoorbeeld dat het verbeteren van de efficiëntie van sleutelprocessen zoals het drogen van coatings een multiplicatoreffect heeft op het verbeteren van de efficiëntie van het hele productiesysteem.
Dit toont aan dat diepgaand onderzoek naar het drogen van verflagen op waterbasis van groot belang is om de kwaliteit van de afwerking te waarborgen en de efficiëntie van de afwerking te verbeteren. Dit is een belangrijke manier om de droogefficiëntie te verbeteren en een belangrijk onderwerp voor het bevorderen van de ontwikkeling van de meubelindustrie, met een extreem hoge toepassingswaarde. Verven op waterbasis voor houten meubelen gebruiken water als medium, met een zeer laag vastestofgehalte, meestal slechts 20% - 30%, en een hoog vochtgehalte van ongeveer 70%. Dit betekent dat het droogproces voornamelijk een waterverdampingsproces is. Hieronder gaan we dieper in op het filmvormingsproces van verven op waterbasis en het waterverdampingsproces.
Filmvormingsproces van verven op waterbasis voor meubels
Het filmvormingsproces van verven op waterbasis is een subtiel fenomeen van moleculaire ketencondensatie, dat grofweg kan worden onderverdeeld in drie stappen: waterverdamping, deformatie van de deeltjes en de coalescentie van de deeltjes.
Zodra het aanbrengen is voltooid, is de eerste fase de verdamping van het water. Volgens onderzoek op het gebied van verfchemie bewegen de deeltjes, wanneer het volume van de latexdeeltjes in de waterige coatinglaag 74% bereikt, dichter naar elkaar toe en komen ze in een dichte, opeengepakte toestand terecht. Dit is als een groep kleine deeltjes die dicht op elkaar zitten, waarbij de afstand tussen de deeltjes geleidelijk afneemt. Als het water dan verder verdampt, beginnen de polymeerdeeltjes te vervormen. Op dat moment overstijgt de capillaire druk de vervormingsweerstand van de polymeerdeeltjes en wordt er druk opgebouwd tussen de deeltjes. Hoe meer het medium verdampt, hoe groter de druk wordt en de deeltjes smelten samen tot een continue coatinglaag. Dit proces is als kleine bouwstenen die geleidelijk onder druk worden samengevoegd. Tenslotte, terwijl het water blijft verdampen, diffunderen de polymeerketens geleidelijk in elkaar, niveau na niveau, wanneer de druk voldoende is om de moleculaire ketens in elk deeltje te laten overgaan in de moleculaire ketens van een ander deeltje. Dit proces is als een fijnmazig netwerk dat geleidelijk aan in elkaar wordt geweven, waarbij elke schakel nauw met elkaar verbonden en onmisbaar is.
Onderzoek naar het verdampingsproces van water
Diepgaande theoretische analyse toont aan dat het verdampingsproces van vocht bij verf op waterbasis de verticale droogtheorie volgt van het oppervlak naar binnen. Deze theorie stelt dat de verdamping van vocht tijdens de vorming van de film van verf op waterbasis kan worden onderverdeeld in drie fasen.
In de eerste fase ondergaan de harsdeeltjes een willekeurige Brownse beweging en verdampt het water met dezelfde snelheid als in zuiver water, langs het water-lucht grensvlak. Dit is als een levendige dansvloer, waar mensen (watermoleculen) vrij dansen (Brownse beweging) en zich geleidelijk verwijderen (verdamping). In de tweede fase neemt het medium waarin de harsdeeltjes gesuspendeerd zijn af en bewegen de harsdeeltjes dichter naar elkaar toe, hopen zich op en agglomereren, net zoals een menigte zich begint te verzamelen. Dit zorgt ervoor dat het water-lucht grensvlak krimpt, de totale oppervlakte afneemt en de snelheid van waterverdamping snel afneemt. In de laatste fase blijft de waterverdampingssnelheid afnemen en moet het resterende water via de haarvaten in het membraan naar het film-luchtoppervlak diffunderen om te verdampen. Het hele proces ontwikkelt zich van de oppervlaktelaag van de harsdeeltjes naar de binnenkant en de snelheid van vochtverdamping neemt af door de voortdurende vermindering van vocht en de verandering van de overdrachtsmodus van de ruimte tussen de deeltjes naar de overdracht door het polymeer. Deze reeks veranderingen is als een goed gechoreografeerde dans, waarbij elke beweging zijn eigen specifieke ritme en logica heeft.
Droogmethode
Het droogproces van hout is een proces van geleidelijke verwijdering van het interne vocht van het hout, en het drogen van meubels die gecoat zijn met verf op waterbasis is ook in grote mate een proces van geleidelijke verwijdering van het vocht uit de binnenkant van de coating. In zekere zin zijn er overeenkomsten tussen de twee. Analogie is een veelgebruikte onderzoeksmethode in de moderne materiaalkunde. Daarom kunnen we bij het onderzoek naar het drogen van verflagen op waterbasis op houten meubelen gebruik maken van de relatief volwassen methoden voor het drogen van hout. Op het gebied van houtdroging zijn methoden zoals natuurlijk drogen, hetelucht drogen, microgolf drogen, ultraviolet drogen, infrarood drogen, zongedroogd drogen, hoogfrequent drogen en gecombineerd drogen theoretisch allemaal toepasbaar op het drogen van verflagen op waterbasis. Elke droogmethode moet echter grondig worden bestudeerd op zijn specifieke technische parameters wanneer deze wordt toegepast op het drogen van coatings op waterbasis.
De belangrijkste factoren die de droogsnelheid van houten coatings op waterbasis beïnvloeden zijn de omgevingstemperatuur, de relatieve vochtigheid, de laagdikte en de luchtstroomsnelheid. Net zoals omgevingsfactoren de groei van levende wezens beïnvloeden, werken deze factoren op elkaar in om het droogproces te beïnvloeden. Wu Zhongyue en andere experts wezen er in hun onderzoek op dat het gebruik van houtcoatings op waterbasis voor het schilderen van lijnen niet alleen de droging versnelt, maar ook de filmhardheid verbetert, VOC's vermindert en effectief een reeks problemen voorkomt die worden veroorzaakt door "trage droging". Cai Jiabin en andere wetenschappers deden onderzoek naar de toepassing van microgolfdroging bij polyurethaan houtcoatings op waterbasis. De resultaten toonden aan dat na microgolfdroging het vochtverwijderingspercentage in de coatingfilm op waterbasis wel 90% bedraagt, terwijl ovendroging in dezelfde tijd slechts ongeveer 50% van het totale vocht kan verwijderen. Bovendien kan de coatingfolie na het drogen in de magnetron onmiddellijk een droge toestand bereiken en kan deze worden geschuurd, gestapeld en verpakt. Deze onderzoeksresultaten bieden ons een sterke basis om de juiste droogmethode te kiezen.
De droogsnelheid en filmvormende kwaliteit van coatings op waterbasis variëren aanzienlijk afhankelijk van de droogmethode. Het volgende hoofdstuk geeft een gedetailleerde beschrijving van de verschillende droogmethoden voor coatings op waterbasis.
Natuurlijk drogen
De latente verdampingswarmte van water is maar liefst 2457,7KJ/Kg, en de verdamping van water in een coating op waterbasis vereist de absorptie van een grote hoeveelheid warmte. Deze eigenschap bepaalt dat de verdamping van water wordt beïnvloed door de atmosferische temperatuur, vochtigheid en windsnelheid. Vanuit fysisch oogpunt is het zo dat wanneer de temperatuur stijgt, de thermische beweging van moleculen intenser wordt en vloeibare watermoleculen meer kans hebben om aan de aantrekkingskracht van andere watermoleculen te ontsnappen en stoommoleculen te worden. Daarom neemt de verdampingssnelheid toe met de temperatuurstijging. Als de luchtvochtigheid daarentegen toeneemt, neemt het aandeel waterdamp in de lucht toe en neemt de partiële druk van waterdamp toe, waardoor meer waterdampmoleculen weer veranderen in vloeibare watermoleculen, waardoor de verdampingssnelheid van water afneemt. Het effect van de windsnelheid is dat hoe hoger de windsnelheid, hoe meer watermoleculen er per tijdseenheid van het oppervlak van de verdamper worden verwijderd en hoe sneller de verdampingssnelheid.
Hoewel natuurlijk drogen een eenvoudige en veelgebruikte methode is, is het duidelijke nadeel de trage droogsnelheid. In de natuurlijke omgeving veranderen de temperatuur, vochtigheid en windsnelheid voortdurend, wat leidt tot een onstabiele droogsnelheid en filmvormingskwaliteit. In omstandigheden met een hoge temperatuur en vochtigheid of een hoge luchtvochtigheid wordt de coating bijvoorbeeld snel wit en is de droogsnelheid aanzienlijk lager. In omgevingen met lage temperaturen is de droogsnelheid nog lager en bij 5°C in het bijzonder kunnen verven op waterbasis nauwelijks een film vormen. Deze problemen hebben de toepassing van verven op waterbasis grotendeels beperkt. Het is net als met het verbouwen van gewassen in wisselende weersomstandigheden, waarbij onstabiele omgevingsfactoren de oogst kunnen beïnvloeden. De instabiliteit van natuurlijke droging belemmert de toepassing van verven op waterbasis.
Hete lucht drogen
Heteluchtdroging is een verwarmende droogmethode die gebaseerd is op het principe van convectie. Hete lucht met een temperatuur van 40-60°C wordt gebruikt als warmtedrager om warmte-energie over te brengen naar de coating op het oppervlak van het werkstuk. De coating absorbeert de energie en hardt dan uit en vormt een film. Meestal wordt elektriciteit of stoom gebruikt als warmtebron om de lucht eerst te verwarmen, waarna de warmte door convectie wordt overgedragen aan het oppervlak van de coating, zodat de coating snel droogt.
In dit proces fungeert de hete lucht rondom de coating als verwarmingsmedium. Aangezien de coating een bepaalde dikte heeft, duurt het even voordat de warmte van het oppervlak van de coating naar de binnenrand is overgedragen. De snelheid van warmteoverdracht hangt af van de dikte van de coating en het warmtegeleidingsvermogen. Daarom wordt bij convectieverwarming altijd eerst het oppervlak van de coating verwarmd. Tijdens de eerste droogfase verdampt de oppervlaktelaag het meeste vocht en hardt de coating uit vanaf de oppervlaktelaag en verspreidt zich geleidelijk naar de onderliggende lagen, die als laatste drogen. Deze droogmethode kan het drogen van de coating aanzienlijk versnellen en is zeer aanpasbaar. Het is momenteel een van de meest gebruikte droogmethoden. In grote meubelfabrieken waren hete lucht drooglijnen oorspronkelijk de belangrijkste vorm van geforceerd drogen voor coatings op basis van oplosmiddelen. Wanneer het wordt toegepast op het drogen van coatings op waterbasis, moet vanwege de lange droogtijd van coatings op waterbasis enerzijds de droogapparatuur gericht worden bestudeerd en anderzijds het droogproces worden geoptimaliseerd. Factoren zoals de temperatuur, vochtigheid, snelheid van het werkstuk (droogtijd) en ventilatiecondities op verschillende punten langs de drooglijn zijn cruciaal voor het waarborgen van de droogkwaliteit en de uiteindelijke kwaliteit van de verffilm. Het is als een complex kookproces, waarbij de aanpassing van elke parameter de smaak (kwaliteit) van het uiteindelijke gerecht (kwaliteit van de verflaag) kan beïnvloeden.
Drogen met de magnetron
Microgolven zijn doordringende elektromagnetische golven met golflengten van 1 mm tot 1 m en frequenties van 300 MHz tot 300 GHz. De meest gebruikte microgolffrequenties zijn 915 MHz tot 2450 MHz. Microgolfverwarming maakt gebruik van het diëlektrische verliesprincipe. De diëlektrische constante van water is veel hoger dan die van droge stof, dus de meeste energie die vrijkomt door het elektromagnetische veld wordt geabsorbeerd door het water in de verf.
Het microgolfveld verandert periodiek de richting van het toegepaste elektrische veld met een hoge snelheid van enkele honderden miljoenen keren per seconde, waardoor de watermoleculen snel gaan schommelen en er een aanzienlijk thermisch effect ontstaat, waardoor de temperatuur binnenin en op het oppervlak van de coating tegelijkertijd snel stijgt. De voordelen van microgolfverwarming zijn uitstekend: extreem snelle droogsnelheid, selectieve absorptie van microgolven door verschillende stoffen, geen vormvereisten voor het te drogen object, zeer gelijkmatige verwarming van de coatinglaag, geen temperatuurgradiënt en de mogelijkheid om dikke films te drogen. Microgolven met een frequentie van 2450 MHz hebben de beste energieomzetting en verliesbalans voor watermoleculen. Microgolven met deze frequentie kunnen een 30 mm dikke laag water doordringen en kunnen worden gebruikt om verflagen op waterbasis van verschillende diktes te drogen. Het is alsof er talloze miniatuurverwarmingselementen in de verf zijn geïnstalleerd die het droogproces gelijkmatig en efficiënt voltooien.
UV-droging
Voor UV-houtcoatings op waterbasis kan UV-uitharding worden gebruikt, d.w.z. de UV-houtcoating op waterbasis wordt uitgehard door ultraviolet licht met een golflengte van 300-400 nm. UV-coatings op waterbasis bevatten een kleine hoeveelheid fotosensibilisator. Bij blootstelling aan ultraviolet licht ontbindt de fotosensibilisator na absorptie van ultraviolet licht van een specifieke golflengte, waarbij actieve radicalen worden geproduceerd die de polymerisatiereactie van het filmvormende materiaal starten om een netwerkstructuur te vormen, waardoor de coating uithardt. UV-uitharding heeft de voordelen van snelle uitharding en een goede coatingkwaliteit. Deze methode heeft echter zijn beperkingen: het kan alleen worden gebruikt om UV-coatings op waterbasis te drogen en alleen vlakke meubelpanelen kunnen worden gedroogd. Het is als een speciale sleutel die alleen een specifiek slot kan openen (drogen van een specifiek type coating en vorm van object).
Infrarood drogen
Infrarood uitharding kan worden gebruikt om houten coatings op waterbasis te drogen. De gecoate meubelpanelen en hun coatings worden blootgesteld aan infrarood licht, dat stralingsenergie absorbeert en omzet in warmte, waardoor de coating uithardt. Infrarood is een onzichtbare straal tussen zichtbaar licht en microgolven met een golflengte van 0,72 - 1000um. Het kan worden onderverdeeld in "nabij", "gemiddeld" en "ver" infrarood op basis van het golflengtebereik. Ver infrarood wordt vaak gebruikt om coatings te drogen.
Infrarood uitharding heeft de voordelen van een snelle uithardingssnelheid, snelle temperatuurstijging en goede uithardingskwaliteit. Bij gebruik van infraroodverwarming voor het drogen van coatings is er echter een aanzienlijke temperatuurgradiënt in de coating en het drogen strekt zich uit van het oppervlak naar de binnenkant, waardoor het ongeschikt is voor het drogen van dikkere gecoate films. Bovendien kan infrarooddroging alleen het gebied verwarmen dat kan worden bestraald door infraroodstralen en kan het niet worden gebruikt om driedimensionale objecten te drogen. Dit is vergelijkbaar met zonlicht dat op een voorwerp schijnt, dat alleen het oppervlak verlicht en geen effect heeft op de binnenkant en schaduwdelen. Infrarood drogen heeft ook vergelijkbare beperkingen.