优化赤杨木的加工工艺,提升其利用率

优化赤杨木的砂光与喷涂工艺可以提升木材在家具制造领域中的利用率,发挥它的价值。在进行砂光工艺的过程中,样品的表面粗糙度和能量消耗值很大程度上取决于磨料粒度,因此,展开调查找到适用于赤杨木的加工磨料粒度十分有必要。——Emilia-Adela Salca, 布拉索夫特兰西瓦尼亚大学,Tomasz Krystofiak和Barbara Lis,波兹南生命科学大学

 

家具行业发展迅速且产品多样化。这有力地推动了基于传统商业模式的战略方案转向以价值创造为目标的市场策略。

产品的质量竞争优势、创新度和生态性也促使战略方案向价值创造方向转变,这类产品与其他同类产品相比较而言更能受到特殊认可。

以人造板为原料制造的家具在市场上很常见,但是实木家具仍然受欢迎。相比复合材料,实木材料更享有可靠性、环境友好型、外观华美、价值高等美名。

每一块木材都需要经过长期的加工过程,直到达到最佳状态、可以应用于室内设计为止。相比喷涂工艺,砂光在家具制造的过程中更加重要。

产品的质量受到一些特殊制造工艺的影响,而且这些制造技术应该是合理的、最优的。为了实现最优化,必须同时达到两种特定的标准:表面质量最佳、切削性能最优。

木工机床的一些因素——工具零件的作用会影响砂光设备加工而成的产品表面质量,这些因素包括材种的特性、密度、含水量、以及切削参数如压力、砂带速度、进给速度、切削深度、加工方向、研磨工具、切削力和设备的能量消耗值。

 

为木制品进行涂层

通常一开始进行砂光处理的时候使用的磨料比较粗糙,为了提高打磨的速度和深度,接着会使用粒度较细的磨料,再将产品输送至最后的喷涂工序。这样能够让底材的材制变得均匀,有利于后续的涂层应用。

基材的准备阶段比清漆的应用更加重要,通过涂层产品可以发现底材处理影响了最终产品的性能。在浸湿、打磨木材时,可能会产生木纹,或者变得扭曲,又或者增加木纹,使用合适的砂光工艺可以减少木纹。

粗糙的表面增加了涂层和木材之间的机械集中联锁面积,而在木材的表面粘附上清漆之后,随着木材的平衡含水率增加,机械集中联锁的面积减少了。

光泽度是评价产品最终质量的参数之一;它主要受涂料的化学成分的影响,而且也受底材处理的影响。

清漆呈现出来的光泽度会有所不同,这取决于清漆的类型和应用的环境。结果表明,聚亚安酯和聚丙烯酸的合成树脂即使在热应力的环境下也能保持较高的光泽度,而一般的粉末涂料光泽度较低。

当前木材涂装行业面临着环保法规的影响。因此,家具行业高度关注水性漆、高固体份(涂料)、UV固化涂层和粉末涂料。在室内可以应用哪些涂料应当遵循VOC(挥发性有机化合物)的相关规定,需要同时保证产品的耐磨性和耐化学性,以及高光泽度。

应用于室外木制品的涂料,其关键点在于涂料的耐久性,防止因潮湿、日照和微生物侵害所带来的不利影响。根据研究表明,对涂料或底材进行改性可以大幅度提高室外透明涂层的性能。

对于涂层性质的研究在过去主要集中在纤维素清漆、溶剂型涂料或水性涂料这几个方面,这些涂料用于不同的木质材料中。

此外,这些涂料应用于室内家具是最为常见的。像厨房、浴室柜等潮湿的地方,使用了乙烯基涂料,但是将来水性漆和UV清漆有望替代它。水性涂料和UV固化技术是木工涂装行业有效的解决方案,具有环保性能。 

 

赤杨木

大多数中小型家具制造企业在生产线上使用人造板木制材料,但是除了其他普通的硬木材种之外,他们还使用了很多当地的材种,如橡树、白蜡树和樱桃木。

赤杨木(Alnusglutinosa L.)是罗马尼亚的土著材种,用作家具制造企业的原材料很有潜力。

而罗马尼亚的木制家具行业也具有极大的发展潜力,该国生产的家具出口比率从2008年的57.6%上升至2016年的86%。

现在市场成熟了,消费者也已经了解情况开始向西方国家效仿。住宅市场曾推动了家具的生产,形成了目前家具市场的发展现状,通过建设大型区域,住宅市场得以复兴,从而促进了家具消费。

赤杨木这种材种使用率不足,但是凭借其良好的可加工性和性能,它仍有很大的潜力应用于家具制造领域。而且因为它的外表美观,在许多艺术修复工程中可以完美地替代一些珍贵的材种。

因此,此次研究目的就是要优化赤杨木的砂光和涂层工艺,提高它在家具制造行业中的利用率。

 

对赤杨木进行砂光和涂层试验

使用赤杨木作为实验材料,它是一种散孔材,在罗马尼亚的家具产品中并不多见。计划让当地的锯木厂提供20块赤杨木弦切板,之后进行锯切,使其尺寸为300毫米×6毫米×95毫米。

样品的平均基本密度为520 kg/m3 ,含水率为8%。在制备样品表面之前,样品被分为四组,每组有五个样品,实验环境的温度为20 ± 2 °C,相对湿度50%± 5%。

对样品进行砂光处理时,使用的是工业上用的宽砂带磨削机床。首先将样品的磨料粒度校准至60。接着,采用了由刚玉颗粒制成、磨料粒度多样的磨料,然后应用于四种相似的砂光系统。校准的步骤和每一次砂光顺序都是在相同的切削参数下进行的。

使用产品型号为MicroProf FRT的纳米表面测量仪测量物体表面质量,并且计算出一系列粗糙度参数。同时,还需要计算所有样品在进行涂层之前的每一次打磨阶段中的粗糙度。

通过砂光工艺制备样品的表面之后,使用两种类型的清漆(UV清漆和水性清漆)在样品上进行涂层。

所有的样品都会被涂上两层清漆,在两次喷涂工序之间,将磨料粒度调整为220进行轻度打磨,这样可以让样品的表面更加光滑。每个砂光系统组里有两个样品,然后用两种清漆进行涂层。每一组中留有一个样本作为参照物。

根据清漆的类型分别固化样品。此外,通过专业文献,我们发现过去的研究只测定了两种清漆的干膜厚度。

在室温条件下,根据 ISO 4624标准,使用PosiTest AT附着力测试仪进行拉拔试验来测量涂层的附着力。

在过去,把胶王690.00型双组分硅烷环氧树脂涂在直径为20毫米的不锈钢小车的薄膜表面上,使这些小车互相胶合起来。经过一周时间的固化,在小车的周围留下切口,为了防止会造成故障的因素进入测试区域。

使用PosiTest设备记录黏合强度。做记录时,圆状物(车轮)以恒定的后退速度沿着垂直方向撤退。对每一个涂层样品测量五次,通过目测评估每种涂层样品的脱层现象。

 

确定出合适的磨料粒度

每经过一道工序和最后的打磨阶段,都会确定机械设备的能量消耗值和样品表面的粗糙度。这些数据用于评估和选择出在涂层应用之前哪些表面制备系统是最佳的。

结果表明,木工行业的工业能量消耗值并不是最高的,但是在所有木材加工工序中,砂光工艺所消耗的能量是最多的。

研究结果还表明,打磨木材时消耗的能量随着砂带旋转速度与进给速度的提高而上升,而切削深度的增加没有让能量消耗值产生很大的变化。

切削深度低有时候会减少打磨面积,而切削深度过高可能会引起砂带损坏,加大了能量消耗值,还会降低材料的表面质量。

在此次研究中,切削时间是恒定的,能量消耗值的变化是根据每一道工序和最终打磨阶段使用的磨料粒度进行计算的,因此,我们可以确定,把设备的功率校准到1.23至1.4千瓦之后,使用的磨料粒度为80和100,能量消耗值有所增加。

分别使用两种方法,如单独调整磨料粒度和在最后进行打磨工序,都可以发现能量消耗总值会随着磨料粒度直径的增大而下降。

随着磨料粒度的增加,所有粗糙度参数值也呈下降趋势。

使用60和80的磨料粒度进行打磨后,得到的粗糙度参数最大值与使用60磨料粒度打磨橡木(长度为40.5微米)得到的数值很相似。相比密度较高的材种,密度较低的材种其表面的模糊性更高。

此外,在一个木材的弦切面中可能含有早材(木本植物春天所生的木质部)和晚材(亦称秋材,是在生长季后期所形成的次生木质部)的部分区域,面积或大或小,所以这就是为什么迅速磨料时所得到的粗糙度参数变化较大。

磨料粒度相同的时候,硬木相比软木能够呈现出更高质量的表面。也就是说,事实上木材表面的粗糙度与木材的密度成反比,比起植物解剖学,这条理论在研究中能够发挥更大的作用。

另有其他研究表明,磨料粒度为60、80和100的时候,木材的纹理方向不会造成很大的影响,而当磨料粒度大于120的时候,纹理方向开始产生重大的影响。

当磨料粒度为60和80的时候,木材的表面会产生一层碎木;因此,这就导致木材组织会进入材料的孔内而造成阻塞。

所以,当砂光设备的进给速度较低时,木质细胞不会被切开,它停留在迟钝的状态,而且是弯曲的,这样可以让粗糙度变得更好,而砂光设备的进给速度较高,粗糙度会达到一定的峰值,但是这也表明进给速度只要稍微低一些,粗糙度就会减少,得到的磨料粒度也会更好。

在实际操作过程中,想要获得粗糙度较好的表面,对材料进行打磨时所使用的磨料粒度应当是循序渐进的,磨料粒度分别为100、120、150或180,这取决于材料最终的使用目的和后续的涂层应用系统。

过去的研究表明,水性清漆对材料表面的光滑度会产生不利的影响,所以会减少产品的光泽度。

实际上,有些暴露在外的家具部件,其光泽度的要求比其他部件更高,对这些部件进行砂光需要在工业环境下,把磨料粒度调整为60、120和150进行打磨。因此,我们建议能在最后使用UV固化漆对赤杨木的表面进行涂层,这样可以提高产品在家具制造领域中的附加值。

 

研究结果

经过砂光工艺的样品,其表面的粗糙度和设备的能量消耗值在很大程度上取决于使用的磨料粒度。

随着磨料粒度的直径缩短,能量消耗总值会上升,研究发现所有粗糙度参数值的变化与磨料粒度的大小紧密相关。为了让产品的光泽度更高,最好使用UV固化清漆来对木制品进行涂层,尽管从漆料的附着力来看,两种清漆(UV清漆和水性清漆)的差别不大。

产品最终的涂层效果在很大程度上受清漆类型的影响。研究发现,按照磨料粒度为60、120和150的顺序对赤杨木进行砂光,能够加工出最优质的表面,在木材的表面上使用UV固化清漆可以进一步优化木材表面,从而得到高质量的家具产品。

此外,在这项研究中使用的材料是赤杨木,这种材料目前没有得到充分的利用,通过实验也证明了将其用作家具制造的原材料有着很大的潜力,能够提升家具产品的价值。

 

亚洲木工业杂志(FDM China)是中国木工专业人士的首选刊物,本刊为包括工艺技术、家具设计与制造、板材制造、原材料处理以及可持续发展等在内的广受关注的产业话题提供了最新资讯和专业见解。

FDM China在大中华地区单期的纸质和电子发行总量为53,534本。同时,我刊也推出了一套综合性的网络营销方案,旨在满足客户日益提升的业务需求,并且帮助深化您的品牌效应。