水性木器涂料在户外门窗的应用

木艺海

1　研究目的和背景
  户外门窗并不是传统意义上的普通平板门，而是和型材，如塑钢、铝合金镶嵌而成的，俗称铝包木门窗的产品(见图1)。目前国内多家专业生产门窗的厂家许多已经在应用水性涂料涂装，有些会遇到由于工艺不当造成产品的涂层脱落、颜色褪色、产品上色不均等情况，而本研究的目的就是通过一些特殊的工艺使水性涂料更容易渗到木材里层从而保护木材不会因长期泡水造成霉变而脱落，通过工艺和颜色体系使产品不再褪色，光亮如新。同时它只是个框架，传统操作手法会浪费很多涂料，而传统产品则会增加操作时间，从而增加人力、时间财力等诸多费用。我们也将通过特殊的方式对这个领域的产品进行涂装，从而节能降耗。
  
  2　应用素材
  应用素材：松木、橡木、柞木等纯实木，见图2。
  
  3　传统工艺涂装方法及工艺缺点
  传统的水性涂料涂装方法中橡木、柞木等在门窗中多为半开放涂装，通常工艺方式为封闭→擦底色→上底漆→修面色→上面漆。而像松木基本上只有封闭涂装，通常工艺为喷底色→上底漆→修面色→上面漆。
  然而传统的方法有以下几方面的缺点：
  (1)浪费。因为大框架喷涂时，涂料的实际利用不到20%，从而造成浪费。
  (2)户外耐候性欠佳。普通修色采用的都是色精修色，而色精通常耐晒持久性比较低，从而褪色。
  (3)松木等软材质涨筋严重。在喷涂底色时效果可以，但一旦上底漆则木纹突起，打磨磨平则肯定会造成木筋掉色，那么产品就会发花。传统水性涂料膜厚度都普遍偏低，而用于户外要达到湿膜240 μm以上。
  4　综合各项需求解决的问题
  木材在室外的破坏及腐败包括细菌、虫蚁、真菌、病毒对木材的侵害，故而木材在拥有某一方面的使用价值之时，可以通过人工的努力弥补其缺陷，正确的使用及防护是木材在室外使用的关键所在。还有自然条件下的损坏，主要包括紫外线、风霜雨雪等的侵害。其中水分的破坏体现在纤维吸收水分后物理性能的改变及为虫、病菌等提供更好的滋生环境。而紫外线的破坏最为严重，主要是分解木材天然色泽及破坏木纤维细胞分子结构。这种情况下水性户外涂料就以它的户外耐久性而被广泛应用。而应用水性涂料则必须解决木材涨筋问题，而用在户外门窗的同时必须考虑木材着色、涂膜厚度以及颜色耐候性。
  5　问题解决方案
  5.1　乳　液
  5.1.1　底漆用乳液
  底漆虽然固含量可以达到较低，但乳液在粒径以及打磨性上也必须综合考虑，经过反复摸索，最后在主要集中在以下两方面研究。实验选用渗透能力强且Tg适合(Tg通常在45 ℃左右)乳液，并且，承载色浆的能力要强。
  5.1.2　面漆用乳液
  由于用于户外，且根据传统中国人的喜好以及涂膜厚度的特殊性，并经过大量筛选和实验，最后选用Tg在25 ℃左右并且是核壳结构、水分散性非常好，即通透性非常好的乳液。当然耐候、耐粉化性也都要在做实验时进行针对性地曝晒、老化喷淋等，反复比较。
  5.2　助剂、色浆选择
  5.2.1　消泡润湿
  消泡主要考虑高黏度、高剪切力体系的消泡能力；润湿，则须考虑不能有稳泡性，渗透性要强，抗疏孔性强。
  5.2.2　增稠体系
  主要是面漆高黏度问题。首先喷涂黏度高，就得考虑做成假性增稠的效果，并且抗流挂性强。其次，由于湿膜厚度问题，则须选用不影响到通透性的增稠剂，即和树脂的相溶性好、合适的聚氨酯增稠剂。
  5.2.3　色浆的筛选
  选用无机的氧化铁系颜料制备色浆，并且要研磨到几乎像色精一样通透性强的水平。而有机颜料相对耐晒性要差很多，并且还会容易浮色和太艳等。另外要综合考虑色浆和乳液的相溶性。
  5.2.4　防霉剂
  由于所应用的产品经常经历日晒雨淋，而局部可能会浸在水中，虽然目前生产的水性乳液都有防腐防霉能力，但制备这款涂料时必须得添加能力强的防腐防霉助剂。
  6　生产工艺的制定
  6.1　底漆的研究方向
  由于要做成渗透性好、承载色浆好的产品，因此在生产时消泡剂和润湿剂一定要预先加到乳液中直接分散至无疏孔，再添加水和部分溶剂。要渗透性则无需增稠。另外要浸涂所以黏度和树脂含量不能过高。
  6.2　面漆的研究方向
  面漆黏度体系和正常装修水性涂料完全不同，并且许多大的工厂选用高压喷涂，因此消泡性很重要。所以生产时，每一步都要监控刮板不能有疏孔出现，并且最后增稠前最好隔夜，这样保证高黏度面漆无泡。
  7　施工工艺
  通过结合产品特性以及多种方法测试后总结出如下最适合的工艺组合：素材打磨平整→浸涂底漆→底漆上色→面漆喷涂→第二遍面漆喷涂。具体施工工艺如下：
  7.1　底漆工艺
  第一遍浸涂是为了使乳液颗粒进入棕眼和木筋鼓胀，待干后打磨平整，因此此遍选用浸涂操作。第二遍选用同样的底漆加上调好的透明色浆，浸涂或擦涂即可。
  浸涂底漆因其极小的分子结构，为所含的树脂及油性物质提供了特殊的渗透效果。
  如图3所示，一般的底漆不能将木料中的缝隙或小孔连接起来。而使用浸涂底漆通过两步渗入到木料深处。这个渗入使得后面的涂层附着力更好从而保护框扇边角不被过度打磨，使得面漆在框扇边角的附着性能更好。
  
  户外门窗专用面漆慢慢流入小孔，空气挤开面漆涂膜散出，使得面漆出现不平整缝隙，涂膜表层已凝结，不可流动空气散出时所产生的裂缝会保留下来，避免涂膜中的气泡及不平整痕迹的出现。
  
  解决方法：使用带有浸渍料的水性浸涂底漆。
  结果：浸涂底漆渗入小孔，小孔的孔壁被浸渍料覆盖，同时小孔中的空气直接排出，从而门窗面漆立刻流入小孔，同时残余的空气也立刻排出，避免了气泡和缝隙的形成，见图5。
  
  7.2　面漆施工
  面漆由于喷涂厚度的要求，所以在操作时，只能添加5%左右的水，并且要选用大口径的喷枪喷涂。为了层次感更强，可以在面漆中加入少量的透明色漆，喷涂两遍，每遍湿膜厚度达到240 μm左右。浸涂底漆在端面型材和V-槽中有极佳的浸渍效果。尽管如此，面漆可能还会被木料过多地吸纳，由于涂膜过薄而产生裂纹。第二层面漆在“不再被吸纳的区域”中，如果面漆弹性好，它会封住裂纹，见图6。
  
  8　结　语
  目前国内户外门窗涂装年用漆量在1亿L甚至以上，但国外品牌的水性涂料占了70%以上。而且户外门窗是国内最先水性化的行业，希望通过我们的研究能帮到同行们共同进入这一领域，使我们水性涂料快速成长，跟上甚至赶超国际水性涂料行业步伐。