声波的特征是由它们的频率(周期每秒)、波长(周期之间的距离)和振幅(波的高度)。根据波形的频率，声波可分为次声波、声波和超声波。声波的频率在20到2万赫兹之间，这与人类听觉的频率范围相一致。频率低于20赫兹的波被归类为次声波，而频率高于20,000赫兹的波被归类为超声波。”1

利用超声波及其对工业内联涂料的干燥和成膜性能的影响得到了广泛和不断增长的研究的支持。在过去的十年中，超声波声学辅助(USAA)热传质干燥的商业接受度在消费品内联转化应用中迅速增长，如印刷和胶粘剂层压。USAA干燥可节省能源成本，增加吞吐量和减少占地面积。它也被证明是一个独特的适合小众应用，如冷密封粘合剂，干燥完整性是关键的粘性。虽然USAA干燥已被成功评估为某些高自由水分含量木材的节能干燥方法，但水性涂料、木材基质和USAA干燥之间的关系仍不清楚。

根据最近一项针对全球辐射固化(UV/EB)产品行业的多客户市场研究，“到2017年，全球能源固化水性应用市场将以每年14%的速度增长。目前，木材涂层的应用占能量固化水性体量的85%，其次是乙烯基复合瓷砖。”2出于对环境的关注和日益严格的法规，许多木材转化公司正在尽可能地放弃溶剂、高挥发性有机化合物的涂料。挥发性有机化学物质在室温下蒸气压高，沸点比水低，这使它们很容易在空气中变成蒸汽或气体。3.采用水性能固化涂料是减少VOCs污染的首选方法。水性能量固化的外观类似于溶剂型涂料，消除了100%固体紫外线(UV)或电子束(EB)固化涂料的塑料外观，并提供了优越的溶剂和抗冲击性。此外，透明的WB能量固化涂料比100%固体固化涂料显示出更多的木纹。尽管微波干燥技术的进步使WB能量固化技术对终端用户更具吸引力，但热干燥敏感基板的需求仍然是WB UV/EB能量固化技术在木材转化应用中普及的一个限制因素。“高温对松木、冷杉、云杉和红木等树脂/油性木材来说是一个特别的挑战。当树脂木材变得太热时，树脂或沥青就会浮到表面或“渗出”，导致涂层粘附和变色。4

作为用传统直接加热方法干燥水性木材涂层系统的替代方法，本文讨论了USAA间接空气干燥。除了能够在接近室温的环境下干燥热敏性基材外，超声波声学干燥技术在木材涂层应用中的直接好处是降低能源消耗，减少总残留溶剂，增加产量和更小的生产足迹。此外，超声波声波干燥技术用途广泛，与水和混合溶剂系统兼容。随着与碳排放、能源消耗和化学品相关的立法变得更加严格，接近室温的干燥也有能力作为更有效地使用混合水性涂料系统的门户，将继续成为各种内联涂料应用的首选资本投资选项。

打破边界层和气泡

虽然USAA干燥已被评价为许多消费产品包装牛皮纸和薄膜塑料应用的替代节能干燥方法，但在工业干燥技术进展缓慢的相当长一段时间内，在木材转化应用中采用USAA干燥仍有很大的未知机会。

为了证明USAA干燥技术可以像在印刷和包装领域一样轻松地应用于水性木材涂层转换应用，热技术公司(HTI)在位于亚特兰大乔治亚电力公司工业资源中心的商业试点设施进行了一系列干燥测试。2022世界杯八强水位分析所有完成的干燥试验都使用了商业化的工业级USAA干燥设备和乔治亚电力资源中心提供的辅助设备资源。

在所有的测试工作中，HTI的USAA干燥设备设置在40 kHz的声充空气中，温度为120ºF或以下。5 - 6所有的湿膜都在1分钟内干燥，模拟一个5英尺长的纵向声波槽阵列，通过气动空气和电力产生超声波振荡波。相反，用于相同转换应用的典型的传统干燥箱将超过15英尺长，并以天然气为燃料。“在木材转换市场(在北美)，能量固化和常规水性聚氨酯分散体的干燥过程通常也包括104ºF(40ºC)的层流空气中3分钟，然后在122ºF(50ºC)的热风冲击干燥3分钟，然后使用集成UV汞蒸气灯进行固化。”7当加倍时，总干燥时间至少为10分钟。同样的干燥过程适用于底漆和封面漆。

在HTI的测试中使用的所有木材基材都是非型材胶合板。在使用密封涂层之前和之后，用200粒砂纸打磨它们，然后对基础和面漆进行能量固化。所有使用的面板是254 x 254 x 5毫米，水平干燥，同时在声场下以每分钟15至30英尺(fpm)的速度传输。测试期间的环境条件是相对湿度为69%，室温为76ºF至86ºF。众所周知，在涂装过程中，相对湿度低于20%的条件会加剧水性喷雾中的微泡沫(起泡)。虽然USAA在一定强度下的干燥已知对液体有消泡作用，但在测试过程中，在较低的环境湿度水平下没有评估这一现象。然而，在HTI收集的测试研究支持超声波处理确实提供了“去泡和平整湿涂层的好处”。8特别提到了“使用超声波干燥的聚合物涂层应用”。9

在HTI的测试中，许多木器涂料配方商表示，他们担心USAA干燥与接近室温和非常短的干燥时间有关。大多数人说，在较短的干燥期，高度轮廓的形状(例如，凹进去的橱柜门)有锁住水分的倾向，有可能产生白色条纹。剖面和凹形都不是测试工作的一部分。然而，考虑到声学干燥设备用于此测试工作的自定义形状、振荡范围和空气速度的能力，通常在厨房橱柜、门和成型转换应用中发现的三维形状和轮廓不应该成为这种干燥方法的障碍。利用超声技术对三维多孔物的脱水进行了深入的研究10也支持这一说法。

除了通常在木材转化应用中发现的三维形状和剖面外，干燥水性涂料系统在任何环境中都具有挑战性，因为需要延长的共振时间。这在低固相条件下尤其正确，如污点，或当应用较高的湿密厚度薄膜系统。Heat 2022世界杯八强水位分析Technologies, Inc.的总裁Gene Plavnik经常评论说:“在许多情况下，涂层表面形成的空气边界会抑制湿膜干燥并促进剥皮。它是空气的边界层，位于薄膜的湿表面，它就像一个看不见的盾牌，不允许空气渗透到湿薄膜的表面，以开始它的蒸发过程。虽然增加的热量和空气会加速薄膜的蒸发，但一旦发生剥皮，干燥速度的回报就会递减。”11可取的是，湿膜的顶部表面没有以一种在干燥该膜的全厚度之前导致过早剥皮的方式进行干燥。以带热的超声波的形式向湿膜增加振荡压力，可提供更大的水分溶解效率，从而破坏边界层。USAA干燥过程的振荡压力波效应在边界处没有停止。声波干燥产生的压力波“传播到涂层湿膜和基材中，产生微通道，并产生水分子和气泡的局部位移”。在声波带电空气强度增加时，这些波对水分子和夹带的气泡产生热和空化效应。”12这样可以使薄膜更快干燥，更好地平整。

不管涂料的主要化学成分是什么，高速喷涂的水性涂料通常含有气泡(即起泡)，在混合和应用过程中会产生一定程度的泡沫。由于各种机械剪切、化学和基材的原因，经常会发生鼓泡和起泡。添加剂，如表面活性剂和消泡剂，经常用于去泡/消泡涂层，并提供良好的表面平整和光泽。当气泡干燥和破裂时，如果不能有效解决去泡问题，就会留下小而圆的凹凹(即火山口)，造成明显的表面缺陷，降低光泽。较低的衬底光泽度会降低光的反射率。高光泽涂料往往丰富和提亮基材的颜色。

USAA干燥试验工作

在最近由HTI在乔治亚电力公司资源中心进行的干燥性能测试中，评估了几种声干燥和能量固化透明脂族聚氨酯分散体(pud)的基本特性。虽然能源固化WB pud从几个供应商进行了评估，但一个特定的UV-PUD, Ucecoat®选择Allnex的7788是基于其在工业木材涂层应用中的已知用途和整体水释放性能。Ucecoat 7788含有40%的固体，pH值为7.5-8.5。采用巴斯夫的Irgacure 500作为光引发剂，PUD的总配方重量为3%。尽管道琼斯Acrysol®使用RM 8W为UV-PUD提供本体和增稠，不使用消泡剂或调平剂来修改膜特性。干燥的薄膜样品被送到两个测试设备进行独立的光泽度和交叉附着分析。所有样品都使用现场提供的Heraeus Noblelight Fusion UV F450 120 W/cm (300 W/英寸)h球UV固化系统进行固化，其辐射测量条件如表1所示。表2显示了干燥时间和UV固化测试数据。

测试数据和结果

在表2中，用于干燥的声空气温度为105华氏度和120华氏度(40.5℃至49℃)。所有木板和Leneta 1A图表在声学辅助下干燥，在持续充能的声学气流作用下，表面最高温度达到90华氏度或100华氏度(32.2℃至37.7℃)。一根#35梅耶杆被用于覆盖所有Leneta 1A测试图表。一台40psi的哈士奇重力进料HVLP喷枪型号#H4840GHVSG用于所有木板喷涂工作。在实验中，在Leneta 1A、白栎和桦木板上成功地使用了3到6种湿密尔厚度，并以30 fpm的线速度进行干燥。所有Mayer棒对照样品在Vulcan热风对流烘箱中以150°F干燥10分钟。在流水线13到20中，桦树和白栎板在不到一分钟的时间内在室温下以高达30 fpm的流水线速度成功干燥。内联温度从25到27，加入小于120°F(48.9°C)的最小声电荷热量，将uv前固化干燥时间缩短到小于30秒。

测量光泽

测量光泽度的方法是将一束光以固定的角度照射到涂有涂料的基板表面，然后测定在相反角度反射的光的百分比。完美光滑的涂层表面应该在入射角反射一切，应该有光泽值100。相反，带有粗糙度或其他缺陷(如弹坑)的涂覆表面将导致光束的一定比例散射，减少捕获的光量，从而降低光泽值。光泽度角是指光束照射到表面的角度(相对于垂直方向)。最常见的光泽角度是20度，60度和85度(图1)。13

在表3中，Leneta图表以及桦木和白橡木面板被国家认可的木器涂层研究实验室选择进行光泽测量。上述脂肪族PUD系统应用于1A Leneta图表和#35 Mayer杆。图表在Vulcan热空气对流烘箱中以150ºF干燥10分钟，并在室温下使用HTI的声场在40 kHz下大约15秒。

同样在表3中，桦木面板16号被喷上4密尔湿密封剂和4密尔湿面漆，然后用40 kHz的声学空气以15 fpm的线速度干燥。26号白橡木面板样品在面板的一侧喷上3mil的基础和面漆。然后用40千赫的声学充电空气以30 fpm的线速度干燥面板。使用表1中提供的辐射计对所有基材进行固化，并使用表3中提供的光泽测量。

表3中的基本光泽度测量工作表明，超声声干燥对光泽度性能没有负面影响。事实上，USAA干燥可能有助于建立光泽通过破裂和微水平滞留气泡通过超声波化湿涂层膜作为超声波干燥过程的副产物。由Leneta图表制造商对涂覆1A Leneta图表和木板进行的光泽测量和观察表明，在干燥过程中，声学辅助干燥提供了更好的流平。Leneta图表的供应商评论道:“烤箱干燥的Leneta图表清楚地显示了来自绕线涂抹器(#35 Mayer棒)的条纹，而在声学干燥的图表上很难发现条纹。”此外，供应商表示:“用60°光泽度计测量的结果表明，整个声干图的光泽度变化较小。”事实上，在HTI测试完成之前的一些研究报告证实了超声在去泡中的作用。事实上，使用超声振荡波去泡涂层系统的影响已经在消费品印刷和转换行业中使用了十多年。超声波有助于去除气泡，因为形成的驻波驱动气泡到达声波的节点，在那里它们结合形成更大的气泡，然后更快地上升到表面。超声波还有助于脱气，因为超声波能量作用于气泡成核，降低任何溶解空气的过饱和。”14

木板的自由水分损失

在HTI和为该项目咨询的木漆化学家中，对于水性木漆应用使用USAA干燥技术及其在性能测试之前和期间对基材自由水分流失的影响，存在一些担忧。使用高功率超声波作为干燥新磨木材的方法是有文献记载的，有一些参考文献表明用最小的热量显著缩短新切木材的干燥时间。在撰写本文期间审阅的研究报告表明，“超声波干燥过程中的水扩散率是由于空化和木材细胞间组织中微观通道的产生”。15考虑到超声声场下的任何共振时间都可能破坏或负面影响干燥膜的性能，我们测量了几种木材基材在声学干燥和紫外线固化前后的自由水分含量。在销售点，用于测试的白橡木板的自由水分含量从7.4%到8.6%不等。在40 kHz的共振时间26秒后，涂有8湿密耳UV水性聚氨酯分散密封剂和面漆的基材的自由水分含量下降了1.7%(从7.4%下降到5.7%)，空气温度恒定为120华氏度(48.8℃)，基材表面最高温度为100华氏度(37.7℃)。在第二次测试中，在40 kHz的共振时间为20秒后，在相同的气流和衬底温度下，整体自由水分从8.6%下降了0.2%至8.4%。HTI的免费水分测试的关键结论是，在暴露时间小于1分钟的情况下，在40 kHz的超声波声干燥条件下，空气温度不低于120华氏度(48.8摄氏度)，对白栎或桦木等多孔木材基材似乎没有负面影响。事实上，有关该主题的文献科学研究表明，USAA在40千赫干燥的脱水效果需要持续暴露30分钟以上，才能达到显著的自由水分损失结果。

表4显示，选择桦木测试板#14和白栎测试板#27进行染色测试。此图表还显示了测试面板的干燥和固化条件。法国的®芥末,温柔地®使用浓缩剂和碘碘染色剂。1小时后，用湿润的纸巾去除污渍。一种非常轻微的芥末染色水印仍然保留在白橡木上，但两周后完全消失。24小时后，明显的kol - aid, French 's Mustard和Betadine污渍仍然可以在涂覆的白橡木基质上看到。桦木衬底呈现出浅水印法氏芥末染色。在使用相同的染色剂对白栎和桦木板材进行对流加热干燥和紫外线固化后，没有发现耐污性差异。

结论

在过去的十年中，超声波声学辅助干燥已经从几个明显的和一些新的应用中获得了越来越多的兴趣和商业采用。在欧洲联盟，包装转换行业对这种干燥方法表达了最大的兴趣，主要是因为它节省能源成本和减少碳足迹。虽然在北美，廉价的能源成本可能不能成为USAA辅助干燥的一个令人信服的理由，但该方法能够提高和最大化现有生产线的产量，同时使用最小或没有额外的足迹，这一能力正在获得声誉和一些早期采用者。对于寻求整体性能提高和符合新兴监管要求的木材转换器，有一些例子来自USAA干燥包装转换应用的既定使用，使USAA飞跃到木材的封口剂和面漆是合乎逻辑的下一步。这篇文章报告了USAA干燥对木材水性涂层系统的效果的初步结果，并作为进一步评估其他热敏性基板应用的起点。在本报告中所揭示的薄膜光泽、平整度和基材附着力的改进还有待于基于性能和成本效益的充分理解、审查或仔细审查。此外，一些整理大气和剖面条件还有待评估。因此，本文和相关后续研究的目的是提高水性木器涂料价值链内采用USAA干燥技术作为多功能节能选择和水性能源固化技术的促进剂的兴趣、意识和合作。n

参考文献

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5由Heat Technologies, Inc.生产的Spectra HE超声干燥系统位于乔治亚州邓伍迪的乔治亚电力客户资源中2022世界杯八强水位分析心，用于完成本文的所有辅助干燥数据。

6在这些设置下，光谱HE Ultra耗电量低于每小时10千瓦。

7与Alberdingk Boley公司高级应用化学家Jim Bohannon的对话

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15他,z;赵,z;杨,f;咦,S . .真空干燥前超声波预处理对木材的影响。马德拉,Cienc。tecnol。(在线)。2014, vol.16, n.4, pp. 395-402。Epub 21 - 8月- 2014。 ISSN 0718-221X.

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确认

作者要感谢Gene Plavnik, Heat Technologies, Inc.， Ronald Obie, Wood涂料研究所，J2022世界杯八强水位分析oe Peters, Leneta Company, Inc.， Gabe Moore, Tandus-Centiva, Warren Daniel, Stahl USA, Inc.， Brian Otte, Bertram Raabe, Heraeus Noblelight Fusion UV Inc.，和Wayne Pettyjohn, Georgia Power CRC的工作。