環(huán)境條件對木家具底漆的水分揮發(fā)及封閉效果的影響

路則光，賈萬達，王 萌

（1.山東農業(yè)大學 林學院，山東 泰安 271018；2.山東農業(yè)大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

家具涂飾造成的環(huán)境污染已引起全社會的關注，是亟須治理的重大問題[1-2]，使用環(huán)境友好型水性涂料是解決該問題的有效途徑[3]。然而，在干燥過程中，水性涂料涂層中的一部分水分會向空氣中揮發(fā)，一部分水分向木材內滲透。其滲透性受涂料種類、著色物、固含量、黏度、干燥速度、木材的毛細管孔徑及所含的抽提物和表面砂磨效果、水分在細胞壁上的遷移率的共同影響，在針葉材內的滲透路線為先由縱向早材管胞流入交叉場，然后進入木射線[4-9]。向木材內滲透的水分會使木材產生膨脹，嚴重破壞家具表面平整度，影響漆膜光澤，因此，在應用水性涂料時應特別注意基材表面的封閉處理[10]。而封閉底漆的作用就是在木材表面形成一個隔離層，阻止上面涂層中的水分向木材滲透。本研究主要是探明水性封閉底漆在自然干燥條件下的水分揮發(fā)規(guī)律及封閉效果，研究結果將為干燥規(guī)程的制定提供依據，從而為涂層干燥技術的深入研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料 ①涂料：水性封閉底漆，固含量為252.3 g·L-1。②基材：楓木貼面裝飾板（裝飾板的基材為3mm膠合板），含水率為9.21%。

1.1.2 儀器與設備 ①精度為0.01 g的JA21002型電子天平。②50μmSZQ型刮涂器。③CENTER310型溫濕度電子測量儀。④EY3-2A型風速計。⑤滬00000112鉆石牌秒表。⑥JSM-6601LA掃描電鏡。

1.2 方法

1.2.1 干燥條件 ①干燥條件Ⅰ：溫度為17.2～17.9℃，濕度為47.1%～52.3%，風速為0.07～0.10 m·s-1。②干燥條件Ⅱ：溫度為12.3～13.5℃，濕度為23.1%～25.1%，風速為0.04～0.09 m·s-1。③干燥條件Ⅲ：溫度為11.2～13.2℃，濕度為21.1%～23.4%，風速為0.04～0.05 m·s-1。④干燥條件Ⅳ：溫度為12.9～13.3℃，濕度為28.7%～31.9%，風速為0.05～0.10 m·s-1。⑤干燥條件Ⅴ：溫度為18.9～19.1℃，濕度為54.1%～55.6%，風速為0.03～0.15 m·s-1。以上干燥條件皆為自然干燥條件，重復5次·種-1。

1.2.2 操作方法 ①用溫濕度電子測量儀測量大氣溫度和濕度，用風速計測量風速。②在天平上稱量楓木貼面裝飾板的質量。③將楓木貼面裝飾板放在平臺上，并予以固定。把厚度為50μm的濕膜刮涂器放在楓木貼面裝飾板的一端，刮涂器的長邊與楓木貼面裝飾板的短邊平行，然后在刮涂器的前面均勻地放上適量涂料，握住刮涂器，用一定的向下壓力，并以150 m·s-1的速度勻速滑過楓木貼面裝飾板，即涂布成需要厚度的濕膜[11]。④在大氣環(huán)境中，在天平上稱量涂漆楓木貼面裝飾板的質量，連續(xù)30 min隔2 min記錄1次楓木貼面裝飾板的質量。根據前后楓木貼面裝飾板的質量之差就可得出單位時間內水分的揮發(fā)速度和水分揮發(fā)量。

2 結果與分析

2.1 空氣干燥能力研究

水分的蒸發(fā)潛熱較大，水性涂料涂層的水分揮發(fā)需要吸收大量的熱量。水分的揮發(fā)受氣溫和濕度及風速的影響，揮發(fā)速度隨著溫度的升高而增加，隨著空氣濕度的增加而降低，隨著風速的增大而變大，這是因為溫度升高，分子熱運動更加劇烈，液體水分子更容易擺脫其它水分子的吸引而變成水蒸氣分子。但隨著空氣濕度的增加，空氣中的水蒸氣所占的比例增加，水蒸氣的分壓力增加，在單位時間內使更多的水蒸氣分子變成液體水分子，因此，水的揮發(fā)速度隨著空氣濕度的增加而減小。風速越大，單位時間內從揮發(fā)表面帶走的水分子越多，所以揮發(fā)速度越快。

在干燥過程中，涂飾板涂層和空氣之間不斷進行熱質交換。在微元時間dτ前后，涂層與空氣的參數變化如圖1所示。涂層和空氣中的水分進行質量交換時，起主要作用的動力是涂層表面和空氣之間的水蒸氣濃度差[12]。這與空氣中的含濕量和水蒸氣質量濃度有密切關系，而空氣的含濕量和水蒸氣質量則與空氣的溫度、壓力等因素有關。所以，根據不同干燥條件下空氣的含濕量和水蒸氣質量濃度，可以判斷空氣的干燥能力。空氣含濕量和水蒸氣質量濃度越大，說明干燥能力越弱；空氣含濕量和水蒸氣質量濃度越小，說明干燥能力越強。

圖1 涂層垂直截面微元時間dτ前后參數變化Figure1 Parameters of coating vertical section before and after the infinitesimal time dτ

含濕量可以用濕空氣的焓濕圖[13]查得，根據公式（1）可計算出水蒸氣在干燥室內空氣中的質量濃度：

式（1）中：Cfv為水蒸氣在干燥室內空氣中的質量濃度，kg·m-3；B為當地空氣大氣壓，Pa；d為干燥室內空氣的含濕量，g·kg-1；Rv為水蒸氣的氣體常數，kJ·（kg·K）-1； Tf為干燥環(huán)境空氣的熱力學溫度，K。

根據含濕量和水蒸氣在干燥室內空氣中的質量濃度的不同，對5種干燥條件下的空氣干燥能力進行了分析，如圖2所示。圖2中，就5種干燥環(huán)境的干燥能力而言，干燥條件Ⅲ的含濕量和水蒸氣質量濃度是最小的，表示干燥能力最強。干燥條件Ⅴ的含濕量和水蒸氣質量濃度是最大的，表示干燥能力最弱。與此相類似，可以得到空氣的干燥能力由強至弱的干燥條件為 Ⅲ-Ⅱ-Ⅳ-Ⅰ-Ⅴ。

圖2 干燥能力分析圖Figure2 Drying ability of different drying conditions

2.2 水性封閉底漆的封閉狀態(tài)研究

涂層在上述5種干燥條件下干燥到全干狀態(tài)后，在電子掃描電鏡下，觀察其成膜狀態(tài)。如圖3～4所示。楓木的結構由導管、木纖維、木射線、軸向薄壁組織構成，因此，木材表面經過砂光后，顯現導管槽和木纖維的縱切面，其大小和形態(tài)取決于被加工木材細胞的大小和它們與切削表面的相互位置[14-16]，當水性封閉底漆涂飾在這些孔隙中時，封閉底漆中的成膜物質在水分子的帶動下，進入木材內。干燥后，水性封閉底漆在木家具表面形成一個隔離層，阻止上面涂層中的水分進入木材；另一方面，填充木材表面的微小的孔隙，為上面的涂層準備一個相對平整的表面。

封閉狀態(tài)的好壞影響上面涂層中的水分是否會進入木材內，直接影響木材的含水率和尺寸穩(wěn)定性，進而影響家具質量。圖4和圖3相比，經過涂飾一遍封閉底漆后，木材表面的導管槽部分被填充和封閉，尚有一部分未被封閉。封閉效果的差異除了與涂布量和涂飾方法有關外，還與干燥條件有關系。這是因為在相同的涂料、涂布量和涂飾方法前提下，干燥條件會影響涂料的流平性、涂層干燥速度和涂層的內應力。

圖4中：方案Ⅲ的漆膜表面相對平整，方案Ⅴ的封閉狀態(tài)較差。這主要是因為方案Ⅲ的干燥能力較強，水分揮發(fā)速度較快，涂層之間的內應力較小，形成相對完整、連續(xù)的漆膜，封閉效果好；方案Ⅴ的干燥能力較弱，水分的揮發(fā)速度較慢，涂層干燥速度慢，涂層之間的內應力較大，不能形成比較完整、連續(xù)的漆膜，封閉效果差。由于干燥條件會影響封閉底漆的封閉狀態(tài)，因此，應選擇合適的干燥條件干燥涂層，以獲得良好的成膜效果。

圖3 涂飾前的木家具表面狀態(tài)Figure3 Surface state of uncoated furniture

圖4 涂飾后的木家具表面狀態(tài)Figure4 Surface state of coated furniture

2.3 水分揮發(fā)規(guī)律研究

水分揮發(fā)量是用水分揮發(fā)率來表示的，所謂水分揮發(fā)率是指在重涂期間涂層已揮發(fā)的水分絕對量與濕膜中最大含水量的百分比。水分揮發(fā)速度是用單位時間內揮發(fā)的水分相對量來表示的。

水性封閉底漆的重涂時間間隔一般是30 min。由圖5知：在重涂間隔過程中，水分揮發(fā)率隨干燥時間的延長是逐漸增多的。但是，干燥30 min后，不同干燥條件下涂層的水分揮發(fā)率相差很大。干燥條件Ⅲ時，水分揮發(fā)率為16.48%；干燥條件Ⅴ時，水分揮發(fā)率為2.23%；干燥條件Ⅲ的水分揮發(fā)率是干燥條件Ⅴ時的7.4倍。同樣可以得出：干燥條件Ⅱ的水分揮發(fā)率是干燥條件Ⅴ時的6.5倍，干燥條件Ⅳ的水分揮發(fā)率是干燥條件Ⅴ時的5.0倍，干燥條件Ⅰ的水分揮發(fā)率是干燥條件Ⅴ時的4.5倍。這是因為在不同的干燥條件下，空氣的干燥能力是不同的。相比較而言，干燥條件Ⅲ時，空氣的含濕量和空氣的水蒸氣濃度最低，干燥能力最強，水分揮發(fā)率最大；相反，干燥條件Ⅴ時，空氣的含濕量和空氣的水蒸氣濃度最大，干燥能力最弱，水分揮發(fā)率最小。其他干燥條件表現出相同的規(guī)律：空氣的干燥能力越強，干燥速度越快。另外，這也說明水性涂料涂層的干燥受干燥條件的影響非常明顯，即干燥條件對涂層干燥速度的影響顯著。

圖5 水分揮發(fā)率Figure5 Moisture votilization percentage with time of different drying conditions

圖6 水分揮發(fā)速度Figure6 Moisture votilization speed with time of different drying conditions

由圖6知：水分揮發(fā)速度隨干燥時間的延長是逐漸降低的，并出現了一定的波動。在干燥初期，涂飾板上的涂層處于開放狀態(tài)，水分一方面向木材中滲透，另一方面向空氣中揮發(fā)，樹脂顆粒進行著無規(guī)則的布朗運動，水分與在純水中一樣沿著水—空氣界面以相同的揮發(fā)速率揮發(fā)，用來揮發(fā)的水分量也多，所以單位時間內向空氣揮發(fā)的水分多，水分揮發(fā)速度大。在干燥后期，貼面板上涂層水分揮發(fā)速度逐漸降低，主要是因為在最初的時間內，涂層內的水分進行了大量揮發(fā)，可繼續(xù)用來揮發(fā)的水分較少，樹脂顆粒賴以懸浮的介質減少，使得樹脂粒子之間相互靠近、堆積和聚結，引起水—空氣界面收縮，使得水—空氣界面的總面積減小、水分的揮發(fā)速率快速下降；隨著水分的揮發(fā)速率不斷降低，剩余的水分通過膜中的毛細管道擴散到涂膜—空氣表面揮發(fā)出來。整個過程由樹脂顆粒的表層逐漸向內部發(fā)展，水分的揮發(fā)速率因水分的不斷減少、水分由粒子之間的間隙傳遞轉變?yōu)橥ㄟ^聚合物傳遞而降低[17-19]。

3 結論與建議

水性封閉底漆的成膜狀態(tài)受干燥條件的影響，在溫度為11.2～13.2℃，濕度21.1%～23.4%，風速0.04～0.05 m·s-1環(huán)境下干燥的涂層封閉效果好。

水性封閉底漆涂層水分揮發(fā)率及速度受自然干燥條件的影響顯著。溫度為11.2～13.2℃，濕度21.1%～3.4%，風速0.04～0.05 m·s-1干燥條件的水分揮發(fā)率是溫度18.9～19.1℃，濕度54.1%～5.6%，風速0.03～0.15 m·s-1干燥條件的7.4倍。

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