燃气催化燃烧红外固化粉末涂料的固化参数研究

摘要：使用燃气催化燃烧红外固化聚酯+TGIC粉末涂料，分析固化时间以及固化温度对粉末涂层的影响；
研究了不同固化参数下涂层的性能，由此确定催化红外固化粉末涂料的最优固化工艺。
研究表明：用催化红外固化该种粉末涂料时，随着固化温度的提高，涂料完全固化所需时间减少，与热风固化一致，涂料最高红外固化温度为230℃，该温度高于热风最高固化温度（200℃）；
相同固化温度下，催化红外完全固化涂料时所需时间仅为热风固化时间的一半；综合考虑固化时间及能耗，使用催化红外固化粉末涂料时，粉末涂料230℃保持2min和220℃保持3min为最佳固化参数。

引言

随着环境问题的日益突出，人们开始加大环境保护力度，许多国家相继出台了相应的环保法规，特别是对挥发性有机物（VOC）排放量的法规限制。
因此不含有机溶剂的粉末涂料、高固体分涂料、辐射固化涂料和水性涂料等绿色涂料将是工业涂料行业未来的主要技术研发方向[1]。
涂料出厂时，都附带其产品说明书，指明了涂料的固化参数——固化温度（底材温度）对应的固化时间，该参数是使用热空气以对流形式加热确定的。
然而红外以热辐射形式固化涂料，其效率远高于热风对流加热，固化参数必然与热空气固化参数不相同。随着红外固化工艺在涂装市场中的普及，因此有必要清楚地掌握涂料红外固化参数。

影响涂料涂层质量的两个重要条件是最高固化温度和固化时间[2]，当固化条件控制不当时，一方面会导致涂层变“脆”，不能很好地附着在底材表面，不能起到保护底材的作用，另一方面会影响涂层美观性。
粉末涂料制造商给出的涂料固化工艺大多是180~200℃/10~20min[3]，粉末涂料的固化温度一般高于其他涂料，因此粉末涂料固化完全需要更多的热量，当用热风固化粉末涂料，其能耗也会比其他涂料高。
本文中以聚酯+TGIC粉末涂料为研究对象，以催化红外为辐射源，通过试验确定该粉末涂料红外固化参数。 1 研究背景

在我国涂料行业精细化生产逐步推进以及在“漆改粉”的趋势下，粉末涂料因其优越的性能越来越多地得到了应用，包括一般工业、农用工程机械及汽车、家具家电和建材等领域[4]。
据中国化工学会涂料涂装专业委员会统计，2019年我国热固性粉末涂料销量为192万t，同比增长9.1%，超过全国涂料总量增势。
粉末涂料固化工序长期以来使用热风循环加热方式[5]，能耗较高，急需高效、节能、环保的新型加热方式。
在生产过程中，人们逐渐发现用红外技术可解决这一问题，因此红外加热技术逐渐被应用到涂装领域。
红外加热技术在我国有近50年的发展历史，使用红外固化涂料也有20余年，包括远红外[6]、高红外[7-8]、中波红外[9-10]以及燃气红外[11-12]。
前3种红外是以电能为输入能源，以电加热丝、电阻丝或特殊材质的发热丝为发热体，辐射出不同波长的红外线，如石英灯管，发热体的温度在400~2000℃间。
高红外由于功率大，反应时间快，因此使用时需严格把控，除此之外其使用寿命较短，不适用于大型涂装线中，其他两种电红外也因成本、经济性、使用寿命等问题在涂装领域没有得到广泛应用。
燃气红外分为燃气直接燃烧红外和催化燃烧红外，直接燃烧红外是燃气和空气在蜂窝陶瓷或金属网内混合燃烧，直接加热陶瓷板或金属网；
高温的陶瓷板和金属网即可辐射出能量，发热体的温度在900℃左右，属于间接红外发生器，效率低。
催化燃烧红外是将燃烧反应控制在催化剂的表面进行，反应温度低于600℃，反应时可达到完全无火焰的燃烧状态。
催化红外是近些年在国内才逐渐被推广和应用的，目前涂装设备中催化红外大多被用来预热工件，与热风烘道相结合实现涂料的完全固化。
然而随着技术的发展以及设计的改善，完全使用催化红外固化工件表面涂料成为可能，但是目前的研究中并没有给出粉末涂料使用红外加热的固化参数，本文将通过试验确定这一参数，为催化红外技术在实际生产中的应用提供参考。 2 催化红外快速固化涂料基理

能量以电磁波或光子的形式发射传递的方式为辐射，波长从0.76至100μm的电磁波普称为红外线。
红外辐射又分为长波红外辐射、中波红外辐射与短波红外辐射[13]，国际标准工业电热ICE60050-841红外波段划分如表1所列，其波长特性如表2所列。

涂层的红外吸收、反射或透射率取决于涂层的光谱特性，包括它的发射率以及其他表面特性。
当辐射源的辐射光谱与工件表面涂层的吸收光谱相匹配时热效率最高，涂料的成分中大都含有羟基和羧基，其固有震荡频率的波长大都在2.0~3.5μm；
因此，当红外辐射源的发射率与涂料的吸收频带对应时，该辐射能直接作用于化学键，形成减震状态和引起键的断裂，以达到快速干燥与固化的目的[11]。

催化红外是天然气、液化石油气等与氧气在触媒催化层的作用下发生催化氧化反应产生的一种3~7μm的中长波红外线[14]，该红外线的波长频谱与涂料的吸收频谱的匹配度较高。
催化剂的作用是降低燃气的反应活化能，加快反应速率，本身不会被消耗，整个过程是一种比普通燃烧剧烈数千倍的无火焰燃烧反应，将燃气中的碳氢化合物直接转化为水和二氧化碳，不产生有害性气体。

3 催化红外设备特点

催化红外具有电红外固化涂料的所有优点，包括固化时间短、涂膜质量高、安全系数高、操作简单等[15]。
除此之外，催化红外因通过燃气直接转换为红外辐射能量，属于直接式红外线发生器，避免转换过程中能量损失。催化红外设备相对于电红外使用寿命长，单块辐射板正常可使用10年以上。

虽然催化红外技术有较多的优势，但由于其以辐射形式加热工件，虽可以快速固化直接暴露在红外辐射下的涂层表面，但不完全暴露的区域可能不会均匀固化。
在红外炉的设计中，有几种常用的方法来解决这个问题。其中一种方法是使用可变控制器，调节单个红外发射器的辐射强度。
第二种方法是在烘箱内根据高能量、低能量或无能量的要求，将热量施加到零件的各个区域，通过使用反射镜和挡板对红外进行聚焦，在不同的区域获得均匀的强度和覆盖度，因此在实际过程中需要根据工件的形状设计红外烘道。
除此之外，我们一般需在设备入口处加大辐射量，使涂层温度快速升至固化温度，之后需要根据工件传热量适当降低辐射量，确保涂层温度不再升高，因此催化红外烘道设计时需考虑“加热段”和“保温段”。

4 实验装置及结果分析

燃气催化红外烘箱主要由辐射板系统、供气系统、电路控制系统以及设备框架组装成。
烘箱为半封闭空间，两侧为不锈钢反光板，顶部为两块催化燃烧红外辐射板，底部为由隔热材料保温，辐射板尺寸为750mm×400mm×20mm。
试验中催化层是以纤维状氧化铝为载体，以铂及其他微量金属元素为助剂，经高温焙烧而成。纤维载体比表面积可达100~200m2/g，填充密度为0.2~0.3g/m3。
每一块辐射板的最大功率为6kW，该红外烘箱的最大功率为12kW。试验所用的燃气为罐装液化石油气，出气压力较高，通过调压阀调到适合的压力。
燃气的瞬时体积流量可通过转子流量计控制并读出，辐射板进气压力可通过燃气管路上的压力表读出。
在红外烤箱固化过程中，样本的温度通过K型热电偶测量并传输到计算机记录，热点偶的测温范围-200~500℃。同时，便携式测温仪实时测量辐射板表面温度。
本研究选择的粉末涂料是一种应用广泛的热固性粉末涂料——三缩水甘油基异氰脲酸酯（TGIC）的聚酯体系，由聚酯树脂、TGIC、丙烯酸助剂、硫酸钡、钛白粉和其他色料组成，其特性如表3所列。
研究中使用的底材是镀锌钢板，基板的尺寸为150mm×70mm×1mm，用高压静电喷枪实现粉末的喷涂，喷涂前进行铬化处理。
把喷有粉末涂料的样板放在辐射板下方，通过控制进入辐射器的燃气流量并结合传热学知识，使其温度在2min内分别升到180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃，在以上7种不同温度下，以1min间隔递增分别保持1~5min（总固化时间为3~7min），之后取出样板冷却至室温。
试验过程中发现3组试验样本有明显色差，没有做进一步性能测试。将上述固化条件得到的样本分别根据表4的要求进行性能测试。
文中给出了其中5个具有代表性参数的测试结果，包括附着力、耐冲击性、光泽、颜色、铅笔硬度，如表5所列。

由表5可知，随着固化温度的提高，涂料固化完全所需时间减少，这一点与热风固化相同，可能是由于涂层温度提高，反应速度加快的原因。
用催化红外加热涂层时，最高固化温度（230℃）高于热风温度（200℃），所对应的固化时间仅为2min，是该涂料产品说明书上最短固化时间的1/5。
当固化温度较低时，随着固化时间的延长，涂层性能变化较小，当固化温度为180℃时，涂层的光泽均＞90%，附着力检测均大于0级；
且其他参数也不合格，因此目前的试验并没有获得在该温度下涂层固化完全所需的最短时间，接下来需要继续试验并结合传热学理论进行探索，固化温度190℃同样需要增加试验。
当固化温度为200℃时，只有一组涂层检测结果合格及固化时间为5min，该时间是传统热风干燥时间的一半。
可以得出结论，当用热风和催化红外固化同一种粉末涂料时，在粉末涂料固化完全的前提下，红外固化用时至少是热风用时的一半。
当固化温度为210℃、固化时间为5min时，除光泽外，其他几个参数均合格，可以认为固化时间5min为该温度下的最长固化时间。
为获得该温度下最佳固化时间，接下来我们需要在4min和5min中间取一个时间做进一步试验。
固化参数为220℃×3min和230℃×2min时，涂层的各项性能检测均符合要求，考虑固化时间以及能耗问题，可认为这两个参数为催化红外固化该类粉末涂料的最佳固化参数。
固化温度为240℃时，无符合要求的测试结果，因此可认为该种粉末涂料使用催化红外固化时其最高固化温度位于230℃与240℃之间，具体温度需要进一步试验。

从检测结果还可以发现，当涂层的光泽＞87%时，涂层其他性能基本不合格，表明用催化红外完全固化该种粉末涂料不会得到光泽较高的涂层。
除固化参数240℃×3min外，其余固化参数下涂层的外观颜色都正常，但这是我们凭借肉眼得到的结果。
当我们用色差仪测试时，发现随着固化时间的增加，涂层b值增加及涂层偏黄，特别是固化温度越高，差值越大；
针对这一问题我们提出解决思路是在配制粉末涂料时偏蓝些，可保证在涂层颜色符合要求前提下，提高涂层固化温度，缩短固化时间，节约能耗。
表5中多数固化参数对应的铅笔硬度均≥H，即使是其他性能不合格的涂层。因此可认为用催化红外固化粉末涂料，涂层的铅笔硬度较好。
因此若没有特殊要求，用催化红外固化的粉末涂层可不用检测铅笔硬度。涂层的耐冲击性要求比附着力稍微严格一些，这可能是因为这两种检测项目均与涂层和基材间的结合特性有关。

5 结语

燃气催化红外加热技术是一节能、高效、环保的绿色技术，相对于传统热风加热技术大大提高了生产率，该技术若得到合理的使用，将对涂装市场有重大影响。
该技术的应用关键在于烘道内部红外辐射的控制，包括辐射板和反光板的合理布置，需要根据大量的试验、理论计算以及计算机模拟确定。该技术在我国固化干燥领域的运用还处于发展阶段，有较好的应用前景。

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