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燃?xì)獯呋紵t外固化粉末涂料的固化參數(shù)研究
摘要：使用燃?xì)獯呋紵t外固化聚酯+TGIC粉末涂料，分析固化時(shí)間以及固化溫度對(duì)粉末涂層的影響；
研究了不同固化參數(shù)下涂層的性能，由此確定催化紅外固化粉末涂料的最優(yōu)固化工藝。
研究表明：用催化紅外固化該種粉末涂料時(shí)，隨著固化溫度的提高，涂料完全固化所需時(shí)間減少，與熱風(fēng)固化一致，涂料最高紅外固化溫度為230℃，該溫度高于熱風(fēng)最高固化溫度（200℃）；
相同固化溫度下，催化紅外完全固化涂料時(shí)所需時(shí)間僅為熱風(fēng)固化時(shí)間的一半；綜合考慮固化時(shí)間及能耗，使用催化紅外固化粉末涂料時(shí)，粉末涂料230℃保持2min和220℃保持3min為最佳固化參數(shù)。
引言
隨著環(huán)境問題的日益突出，人們開始加大環(huán)境保護(hù)力度，許多國(guó)家相繼出臺(tái)了相應(yīng)的環(huán)保法規(guī)，特別是對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）排放量的法規(guī)限制。
因此不含有機(jī)溶劑的粉末涂料、高固體分涂料、輻射固化涂料和水性涂料等綠色涂料將是工業(yè)涂料行業(yè)未來的主要技術(shù)研發(fā)方向
。
。涂料出廠時(shí)，都附帶其產(chǎn)品說明書，指明了涂料的固化參數(shù)——固化溫度（底材溫度）對(duì)應(yīng)的固化時(shí)間，該參數(shù)是使用熱空氣以對(duì)流形式加熱確定的。
然而紅外以熱輻射形式固化涂料，其效率遠(yuǎn)高于熱風(fēng)對(duì)流加熱，固化參數(shù)必然與熱空氣固化參數(shù)不相同。隨著紅外固化工藝在涂裝市場(chǎng)中的普及，因此有必要清楚地掌握涂料紅外固化參數(shù)。
影響涂料涂層質(zhì)量的兩個(gè)重要條件是最高固化溫度和固化時(shí)間
，當(dāng)固化條件控制不當(dāng)時(shí)，一方面會(huì)導(dǎo)致涂層變“脆”，不能很好地附著在底材表面，不能起到保護(hù)底材的作用，另一方面會(huì)影響涂層美觀性。
，當(dāng)固化條件控制不當(dāng)時(shí)，一方面會(huì)導(dǎo)致涂層變“脆”，不能很好地附著在底材表面，不能起到保護(hù)底材的作用，另一方面會(huì)影響涂層美觀性。粉末涂料制造商給出的涂料固化工藝大多是180~200℃/10~20min，粉末涂料的固化溫度一般高于其他涂料，因此粉末涂料固化完全需要更多的熱量，當(dāng)用熱風(fēng)固化粉末涂料，其能耗也會(huì)比其他涂料高。
，粉末涂料的固化溫度一般高于其他涂料，因此粉末涂料固化完全需要更多的熱量，當(dāng)用熱風(fēng)固化粉末涂料，其能耗也會(huì)比其他涂料高。本文中以聚酯+TGIC粉末涂料為研究對(duì)象，以催化紅外為輻射源，通過試驗(yàn)確定該粉末涂料紅外固化參數(shù)。
1 研究背景
在我國(guó)涂料行業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)逐步推進(jìn)以及在“漆改粉”的趨勢(shì)下，粉末涂料因其優(yōu)越的性能越來越多地得到了應(yīng)用，包括一般工業(yè)、農(nóng)用工程機(jī)械及汽車、家具家電和建材等領(lǐng)域
。
。據(jù)中國(guó)化工學(xué)會(huì)涂料涂裝專業(yè)委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)熱固性粉末涂料銷量為192萬t，同比增長(zhǎng)9.1%，超過全國(guó)涂料總量增勢(shì)。
粉末涂料固化工序長(zhǎng)期以來使用熱風(fēng)循環(huán)加熱方式，能耗較高，急需高效、節(jié)能、環(huán)保的新型加熱方式。
，能耗較高，急需高效、節(jié)能、環(huán)保的新型加熱方式。在生產(chǎn)過程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)用紅外技術(shù)可解決這一問題，因此紅外加熱技術(shù)逐漸被應(yīng)用到涂裝領(lǐng)域。
紅外加熱技術(shù)在我國(guó)有近50年的發(fā)展歷史，使用紅外固化涂料也有20余年，包括遠(yuǎn)紅外、高紅外[7-8]、中波紅外[9-10]以及燃?xì)饧t外[11-12]。
、高紅外[7-8]、中波紅外[9-10]以及燃?xì)饧t外[11-12]。前3種紅外是以電能為輸入能源，以電加熱絲、電阻絲或特殊材質(zhì)的發(fā)熱絲為發(fā)熱體，輻射出不同波長(zhǎng)的紅外線，如石英燈管，發(fā)熱體的溫度在400~2000℃間。
高紅外由于功率大，反應(yīng)時(shí)間快，因此使用時(shí)需嚴(yán)格把控，除此之外其使用壽命較短，不適用于大型涂裝線中，其他兩種電紅外也因成本、經(jīng)濟(jì)性、使用壽命等問題在涂裝領(lǐng)域沒有得到廣泛應(yīng)用。
燃?xì)饧t外分為燃?xì)庵苯尤紵t外和催化燃燒紅外，直接燃燒紅外是燃?xì)夂涂諝庠诜涓C陶瓷或金屬網(wǎng)內(nèi)混合燃燒，直接加熱陶瓷板或金屬網(wǎng)；
高溫的陶瓷板和金屬網(wǎng)即可輻射出能量，發(fā)熱體的溫度在900℃左右，屬于間接紅外發(fā)生器，效率低。
催化燃燒紅外是將燃燒反應(yīng)控制在催化劑的表面進(jìn)行，反應(yīng)溫度低于600℃，反應(yīng)時(shí)可達(dá)到完全無火焰的燃燒狀態(tài)。
催化紅外是近些年在國(guó)內(nèi)才逐漸被推廣和應(yīng)用的，目前涂裝設(shè)備中催化紅外大多被用來預(yù)熱工件，與熱風(fēng)烘道相結(jié)合實(shí)現(xiàn)涂料的完全固化。
然而隨著技術(shù)的發(fā)展以及設(shè)計(jì)的改善，完全使用催化紅外固化工件表面涂料成為可能，但是目前的研究中并沒有給出粉末涂料使用紅外加熱的固化參數(shù)，本文將通過試驗(yàn)確定這一參數(shù)，為催化紅外技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。
2 催化紅外快速固化涂料基理
能量以電磁波或光子的形式發(fā)射傳遞的方式為輻射，波長(zhǎng)從0.76至100μm的電磁波普稱為紅外線。
紅外輻射又分為長(zhǎng)波紅外輻射、中波紅外輻射與短波紅外輻射[13]，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電熱ICE60050-841紅外波段劃分如表1所列，其波長(zhǎng)特性如表2所列。
涂層的紅外吸收、反射或透射率取決于涂層的光譜特性，包括它的發(fā)射率以及其他表面特性。
當(dāng)輻射源的輻射光譜與工件表面涂層的吸收光譜相匹配時(shí)熱效率最高，涂料的成分中大都含有羥基和羧基，其固有震蕩頻率的波長(zhǎng)大都在2.0~3.5μm；
因此，當(dāng)紅外輻射源的發(fā)射率與涂料的吸收頻帶對(duì)應(yīng)時(shí)，該輻射能直接作用于化學(xué)鍵，形成減震狀態(tài)和引起鍵的斷裂，以達(dá)到快速干燥與固化的目的[11]。
催化紅外是天然氣、液化石油氣等與氧氣在觸媒催化層的作用下發(fā)生催化氧化反應(yīng)產(chǎn)生的一種3~7μm的中長(zhǎng)波紅外線[14]，該紅外線的波長(zhǎng)頻譜與涂料的吸收頻譜的匹配度較高。
催化劑的作用是降低燃?xì)獾姆磻?yīng)活化能，加快反應(yīng)速率，本身不會(huì)被消耗，整個(gè)過程是一種比普通燃燒劇烈數(shù)千倍的無火焰燃燒反應(yīng)，將燃?xì)庵械奶細(xì)浠衔镏苯愚D(zhuǎn)化為水和二氧化碳，不產(chǎn)生有害性氣體。
3 催化紅外設(shè)備特點(diǎn)
催化紅外具有電紅外固化涂料的所有優(yōu)點(diǎn)，包括固化時(shí)間短、涂膜質(zhì)量高、安全系數(shù)高、操作簡(jiǎn)單等[15]。
除此之外，催化紅外因通過燃?xì)庵苯愚D(zhuǎn)換為紅外輻射能量，屬于直接式紅外線發(fā)生器，避免轉(zhuǎn)換過程中能量損失。催化紅外設(shè)備相對(duì)于電紅外使用壽命長(zhǎng)，單塊輻射板正�？墒褂�10年以上。
雖然催化紅外技術(shù)有較多的優(yōu)勢(shì)，但由于其以輻射形式加熱工件，雖可以快速固化直接暴露在紅外輻射下的涂層表面，但不完全暴露的區(qū)域可能不會(huì)均勻固化。
在紅外爐的設(shè)計(jì)中，有幾種常用的方法來解決這個(gè)問題。其中一種方法是使用可變控制器，調(diào)節(jié)單個(gè)紅外發(fā)射器的輻射強(qiáng)度。
第二種方法是在烘箱內(nèi)根據(jù)高能量、低能量或無能量的要求，將熱量施加到零件的各個(gè)區(qū)域，通過使用反射鏡和擋板對(duì)紅外進(jìn)行聚焦，在不同的區(qū)域獲得均勻的強(qiáng)度和覆蓋度，因此在實(shí)際過程中需要根據(jù)工件的形狀設(shè)計(jì)紅外烘道。
除此之外，我們一般需在設(shè)備入口處加大輻射量，使涂層溫度快速升至固化溫度，之后需要根據(jù)工件傳熱量適當(dāng)降低輻射量，確保涂層溫度不再升高，因此催化紅外烘道設(shè)計(jì)時(shí)需考慮“加熱段”和“保溫段”。
4 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果分析
燃?xì)獯呋t外烘箱主要由輻射板系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)以及設(shè)備框架組裝成。
烘箱為半封閉空間，兩側(cè)為不銹鋼反光板，頂部為兩塊催化燃燒紅外輻射板，底部為由隔熱材料保溫，輻射板尺寸為750mm×400mm×20mm。
試驗(yàn)中催化層是以纖維狀氧化鋁為載體，以鉑及其他微量金屬元素為助劑，經(jīng)高溫焙燒而成。纖維載體比表面積可達(dá)100~200m2/g，填充密度為0.2~0.3g/m3。
每一塊輻射板的最大功率為6kW，該紅外烘箱的最大功率為12kW。試驗(yàn)所用的燃?xì)鉃楣扪b液化石油氣，出氣壓力較高，通過調(diào)壓閥調(diào)到適合的壓力。
燃?xì)獾乃矔r(shí)體積流量可通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制并讀出，輻射板進(jìn)氣壓力可通過燃?xì)夤苈飞系膲毫Ρ碜x出。
在紅外烤箱固化過程中，樣本的溫度通過K型熱電偶測(cè)量并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)記錄，熱點(diǎn)偶的測(cè)溫范圍-200~500℃。同時(shí)，便攜式測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)量輻射板表面溫度。
本研究選擇的粉末涂料是一種應(yīng)用廣泛的熱固性粉末涂料——三縮水甘油基異氰脲酸酯（TGIC）的聚酯體系，由聚酯樹脂、TGIC、丙烯酸助劑、硫酸鋇、鈦白粉和其他色料組成，其特性如表3所列。
研究中使用的底材是鍍鋅鋼板，基板的尺寸為150mm×70mm×1mm，用高壓靜電噴槍實(shí)現(xiàn)粉末的噴涂，噴涂前進(jìn)行鉻化處理。
把噴有粉末涂料的樣板放在輻射板下方，通過控制進(jìn)入輻射器的燃?xì)饬髁坎⒔Y(jié)合傳熱學(xué)知識(shí)，使其溫度在2min內(nèi)分別升到180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃，在以上7種不同溫度下，以1min間隔遞增分別保持1~5min（總固化時(shí)間為3~7min），之后取出樣板冷卻至室溫。
試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)3組試驗(yàn)樣本有明顯色差，沒有做進(jìn)一步性能測(cè)試。將上述固化條件得到的樣本分別根據(jù)表4的要求進(jìn)行性能測(cè)試。
文中給出了其中5個(gè)具有代表性參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，包括附著力、耐沖擊性、光澤、顏色、鉛筆硬度，如表5所列。
由表5可知，隨著固化溫度的提高，涂料固化完全所需時(shí)間減少，這一點(diǎn)與熱風(fēng)固化相同，可能是由于涂層溫度提高，反應(yīng)速度加快的原因。
用催化紅外加熱涂層時(shí)，最高固化溫度（230℃）高于熱風(fēng)溫度（200℃），所對(duì)應(yīng)的固化時(shí)間僅為2min，是該涂料產(chǎn)品說明書上最短固化時(shí)間的1/5。
當(dāng)固化溫度較低時(shí)，隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層性能變化較小，當(dāng)固化溫度為180℃時(shí)，涂層的光澤均＞90%，附著力檢測(cè)均大于0級(jí)；
且其他參數(shù)也不合格，因此目前的試驗(yàn)并沒有獲得在該溫度下涂層固化完全所需的最短時(shí)間，接下來需要繼續(xù)試驗(yàn)并結(jié)合傳熱學(xué)理論進(jìn)行探索，固化溫度190℃同樣需要增加試驗(yàn)。
當(dāng)固化溫度為200℃時(shí)，只有一組涂層檢測(cè)結(jié)果合格及固化時(shí)間為5min，該時(shí)間是傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥時(shí)間的一半。
可以得出結(jié)論，當(dāng)用熱風(fēng)和催化紅外固化同一種粉末涂料時(shí)，在粉末涂料固化完全的前提下，紅外固化用時(shí)至少是熱風(fēng)用時(shí)的一半。
當(dāng)固化溫度為210℃、固化時(shí)間為5min時(shí)，除光澤外，其他幾個(gè)參數(shù)均合格，可以認(rèn)為固化時(shí)間5min為該溫度下的最長(zhǎng)固化時(shí)間。
為獲得該溫度下最佳固化時(shí)間，接下來我們需要在4min和5min中間取一個(gè)時(shí)間做進(jìn)一步試驗(yàn)。
固化參數(shù)為220℃×3min和230℃×2min時(shí)，涂層的各項(xiàng)性能檢測(cè)均符合要求，考慮固化時(shí)間以及能耗問題，可認(rèn)為這兩個(gè)參數(shù)為催化紅外固化該類粉末涂料的最佳固化參數(shù)。
固化溫度為240℃時(shí)，無符合要求的測(cè)試結(jié)果，因此可認(rèn)為該種粉末涂料使用催化紅外固化時(shí)其最高固化溫度位于230℃與240℃之間，具體溫度需要進(jìn)一步試驗(yàn)。、
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