高紅外熱輻射固化技術(shù)在鋁型材噴涂中的應(yīng)用

1 高紅外技術(shù)原理

紅外線的波長為0．75μm～1000μm，介于電磁波和可見光之間，以輻射的形式向外傳播。紅外線的主要作用是熱作用。按照波長劃分，紅外線可分為遠(yuǎn)紅外 (4μm以上，輻射溫度＜600℃)、中紅外 (2.0～4μm，輻射溫度800～900℃)及近紅外(0.75～2.0μm，輻射溫度＞2000℃)。紅外加熱器的輻射體溫度與波長的關(guān)系及特性值見表1。

表1  紅外加熱器的輻射體溫度與波長的關(guān)系及特性

大多數(shù)有機(jī)物和水等的吸收光譜，在0.5μm~25μm范圍內(nèi)。當(dāng)輻射源的波長與被加熱物質(zhì)的吸收波長一致時(shí)，該物質(zhì)就易于吸收輻射能。由普朗克熱輻射定律可知，紅外輻射能量可用下式表示：

式中：Exb－輻射能量，W／cm2；

ελ－發(fā)熱體元件光譜輻射系數(shù)；c1、c2—常數(shù)；

λ1，λ2－分別為工件表面紅外吸收光譜范圍（λ1=2.0μm， λ2＝15μm )。

元件的輻射能量可表示為：

由上式可知，輻射元件的輻射能與輻射器表面溫度的四次方成正比。

光譜波長匹配率(Q)＝工件吸收光譜特性／元件輻射光譜特性，即：

當(dāng)工件吸收光譜在2.0～15μm波段，輻射元件表面溫度T1＝450℃(723K)時(shí)，帶入上式得：Q1=96％；同理，T2＝1000℃(1273K)時(shí)，Q2＝69％；T3＝2500℃時(shí)，Q3＝24％。從波長匹配角度來看，輻射元件發(fā)射的可見光成分越少，匹配吸收愈好。但是，匹配吸收不僅要波長匹配，更重要的是能量匹配，設(shè)其匹配率為W，則：

W＝元件輻射能量／元件輸入能量

紅外匹配吸收則為：

當(dāng)元件表面溫度為450℃時(shí)，遠(yuǎn)紅外匹配吸收Q?W＝0.960×0.62＝0.59；當(dāng)元件表面溫度為2500℃時(shí)，Q?W＝0.24×0.88＝0.21。由于遠(yuǎn)紅外波段的輻射能量低，匹配效果就不太好。

工件吸收光譜在0.38～2.0μm波段時(shí)，輻射元件表面溫度分別為T1=450℃、T2＝1000℃、T3＝2500℃，按波長匹配率，Q1=4％、Q2＝31％、Q3=76％。

因此，在短波段范圍內(nèi)高溫輻射元件，即使按波長匹配也是隨溫度不斷提高，采用高溫輻射元件將達(dá)到更高的熱效率。此時(shí)輻射是全波段的，屬高能量強(qiáng)力紅外輻射，此類輻射加熱也稱之為高紅外輻射加熱。其輻射元件稱為高能量全波段紅外輻射加熱器。因此，高紅外實(shí)質(zhì)是：高能量、高密度、高強(qiáng)度全波段瞬間起動(dòng)的強(qiáng)力紅外輻射技術(shù)。俗稱高紅外。

物質(zhì)的分子在吸收紅外能后，可使光子的能量完全轉(zhuǎn)變成分子的振動(dòng)即轉(zhuǎn)動(dòng)能量；也可使分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量發(fā)生改變。并且，振動(dòng)光譜有一種加寬振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，能擴(kuò)大以平衡位置為中心的振幅，加劇其內(nèi)部的振動(dòng)。由于電子的運(yùn)動(dòng)和分子的振動(dòng)是處在極高的速度下，這種運(yùn)動(dòng)不斷地使晶格、鍵團(tuán)的振動(dòng)在其相互間產(chǎn)生碰撞。這種運(yùn)動(dòng)狀況的變化，猶如兩種快速運(yùn)轉(zhuǎn)的物體加快了摩擦而發(fā)熱升溫，所以，其升溫速度快。同時(shí)，紅外輻射加熱物品時(shí)，是按照紅外輻射能穿透的部位，其溫度往往比表面來得高。

2 高紅外輻射在鋁型材涂層快速固化

有機(jī)涂層固化工藝過程可分為兩個(gè)階段：即擴(kuò)散階段與固化階段。擴(kuò)散階段是熱輻射透入涂層的階段，主要是基材與涂層的預(yù)熱升溫，揮發(fā)組分的擴(kuò)散移出；固化階段亦稱動(dòng)力學(xué)階段，是輻射作用于化學(xué)鍵的固化階段，這—階段要求有較高的溫度，在此階段所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的速度制約著干燥過程的進(jìn)程，而化學(xué)反應(yīng)的速度根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)的規(guī)程，溫度每升高10℃可提高化學(xué)反應(yīng)速度1～3倍，因此，這—階段最好采用3μm波段左右的高溫輻射。

各類有機(jī)涂層的成分中大都含有羥基和羧基，其固有振蕩頻率相應(yīng)的波長在2.8～3.0μm，因此當(dāng)紅外輻射源的發(fā)射波長與有機(jī)涂層的強(qiáng)吸收頻帶對(duì)應(yīng)時(shí)，則該輻射能直接作用于化學(xué)鍵，形成諧振狀態(tài)并引起鍵的斷裂，以達(dá)到快速干燥與固化的目的。 

由于工件的質(zhì)量、體積、表面積、導(dǎo)熱系數(shù)的不同，工件在固化工藝溫度下所經(jīng)過的時(shí)間也有很大的不同，因而對(duì)鋁型材而言，縮短固化時(shí)間是完全可能的。

實(shí)現(xiàn)快速固化要達(dá)到下面3個(gè)條件：

(1)保證工件在固化過程中上、中、下溫度均勻；

(2)不論工件大小、質(zhì)量如何，元件必須能瞬間提供大能量的熱源；

(3)保證工件表面達(dá)到較高溫度。

常規(guī)的設(shè)備(熱風(fēng)爐和遠(yuǎn)紅外爐)都無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述3點(diǎn)。

在一定溫度范圍內(nèi)，固化效果通常與溫度和時(shí)間的乘積成正比，因而提高溫度可以縮短固化時(shí)間。不同的加熱方式采取同一固化工藝則效果不同。實(shí)踐和理論都證明快速固化是可以實(shí)現(xiàn)的。采用輻射傳熱可以縮短固化時(shí)間。經(jīng)快速固化的鋁型材表面豐滿度、光潔度均比同樣條件下傳統(tǒng)工藝好。

3 高紅外加熱元件與設(shè)備技術(shù)分析

3.1 石英玻璃加熱器技術(shù)分析

石英玻璃高紅外輻射元件的熱源為鎢絲，溫度高達(dá)2200～2400℃，輻射短波能量屬近紅外線；熱源外罩石英管，由于衰減，外面溫度約800℃，輻射中波紅外線；背襯不銹鋼，溫度可達(dá)500～600℃，輻射低能量遠(yuǎn)紅外線。各波段紅外線成分占有比例不均等，使之被加熱物的吸收有最佳的能量匹配，并伴隨有快速熱相應(yīng)特征。使用壽命5000小時(shí)，從傳熱學(xué)分析，石英玻璃加熱熱效率在50~60%左右。

3.2 高能量全波段紅外輻射加熱器技術(shù)分析

根據(jù)傳熱學(xué)電磁波輻射與有機(jī)涂層的固化波長的匹配原理，可以由涂層的波長與加熱源的輻射波長相匹配即可達(dá)到快速固化的目的，傳熱效率在85~90%。

4 高紅外烘爐設(shè)計(jì)原理

工業(yè)爐的加熱過程是依靠熱的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射來實(shí)現(xiàn)的。在高溫下，熱交換主要靠熱輻射，熱傳導(dǎo)可忽略不計(jì)。

在高溫下，熱輻射成為熱能傳遞的主要部分，它與溫度的4次方之差成正比，也與熱輻射系數(shù)（熱輻射率）成正比。

采用現(xiàn)代高輻射率涂層技術(shù)，可以取得改變材料表面的熱輻射率、提高熱交換效率、縮短加熱時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、延長爐體及熱交換部件的使用壽命等效果。

高能量全波段紅外輻射加熱器產(chǎn)生的紅外輻射以電磁波的形式將能量傳遞出去，具有瞬時(shí)加熱、節(jié)能顯著，且占地面積小的特點(diǎn)。由于它的波長覆蓋了紅外線的整個(gè)波段，有利于涂料中粒子的流平和交聯(lián)反應(yīng)迅速進(jìn)行；并使涂層交聯(lián)迅速揮發(fā)，加快固化、流平速度和減少涂裝缺陷。實(shí)現(xiàn)涂膜快速固化，同時(shí)提高了涂層質(zhì)量。

與傳統(tǒng)加熱源相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）比普通電熱絲加熱方式節(jié)電80％以上。

（2）與熱風(fēng)爐比較，生產(chǎn)效率可提高2～6倍。

（3）在現(xiàn)有熱風(fēng)爐基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，投資費(fèi)用可在0.5～2年內(nèi)回收。

（4）與電熱風(fēng)爐相比可降低30～50％裝機(jī)容量。

（5）占地面積為常規(guī)設(shè)備的1/6—1/2，節(jié)省設(shè)備投資。

加熱器的電氣控制，有直通式、恒溫控制和恒功率控制多種不同形式的控制方式，以適應(yīng)不同的加熱環(huán)境。

5 高紅外固化鋁型材粉末噴涂和電泳涂層試驗(yàn)

5.1 福建南平鋁業(yè)有限公司實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）粉末靜電噴涂固化試驗(yàn)。試驗(yàn)樣分別采用200mm×100mm的鋁板和長200mm的L8607 

1）前處理工藝：

除油：常溫，5min，以實(shí)際除油效果表面不掛水珠為準(zhǔn)。 

水洗：自來水沖洗后用純水噴淋。

鉻化：常溫，5min，以顏色判斷。

水洗：自來水沖洗后用純水噴淋。

烘干：90℃，5min。

（2）固化試驗(yàn)：高紅外固化爐總功率為27Kw。分別噴白色亮光粉、白色砂紋粉和木紋粉。試驗(yàn)結(jié)果見下表：

表2  RAL9016白色亮光粉 

表3  PJA2195A白色砂紋粉 

表4  MW0502 砂紋粉 

5.2 電泳涂層固化試驗(yàn)

首先：試驗(yàn)樣采用長200mm的L8607。

（1）前處理工藝：

氧化處理：委托樂祥鋁業(yè)在線氧化。

電泳：電泳電源為五源公司自制電源，電壓100V,靜置30s。

（2）固化試驗(yàn)：高紅外固化爐總功率為27Kw。分別對(duì)樂祥鋁業(yè)和華業(yè)鋁業(yè)的電泳漆進(jìn)行固化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見下表：

表5 樂祥鋁業(yè)的電泳槽液 

表6 華業(yè)鋁業(yè)的電泳槽液 

6 項(xiàng)目可行性分析

6.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）通過高紅外固化的粉末噴涂涂層劃格試驗(yàn)、鉛筆硬度全部合格，耐沖擊試驗(yàn)亮光粉全部合格，砂紋粉大部分合格，耐溶劑普遍偏差，這與生產(chǎn)線產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果相吻合。電泳涂層鉛筆硬度、水煮試驗(yàn)全部合格，耐堿試驗(yàn)不理想，這與生產(chǎn)線產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果也吻合；

（2）從以上試驗(yàn)結(jié)果來看采用高紅外固化粉末涂層和電泳涂層是可行的，無論是固化時(shí)間，還是能耗方面，都具有很大的優(yōu)勢(shì)；

（3）雖然粉末噴涂涂層比電泳涂層膜厚更高，但電泳涂層固化時(shí)間明顯比粉末噴涂涂層固化時(shí)間長。分析其主要原因是：電泳漆膜是含水涂層，在固化前需要脫水；

（4）從試驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，功率匹配是固化合格的關(guān)鍵，必須確保烘烤過程中輻射器均在工作。停止輻射，只靠溫度保溫，則固化時(shí)間將相應(yīng)延長；

（5）由于試驗(yàn)烘烤爐只有熱風(fēng)攪拌裝置，而沒有熱風(fēng)循環(huán)裝置，輻射功率需人工調(diào)節(jié)，沒有自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，烘烤爐爐溫控制需通過開啟、關(guān)閉爐門控制等設(shè)備條件的限制，有待于設(shè)備改進(jìn)后做進(jìn)一步的試驗(yàn)。

6.2 高紅外熱輻射固化影響因素分析

從以上試驗(yàn)分析，高紅外熱輻射固化影響因素有以下幾個(gè)方面：

（1）涂層材料：不同涂層材料的黑度（即吸收能力）不一樣，黑度高的材料吸收能量強(qiáng)，熱效率高。涂料的黑度多數(shù)在0.80～0.90之間。含水涂層固化時(shí)間需更長；

（2）介質(zhì)：固化爐中的水分和溶劑蒸汽會(huì)吸收輻射能，并使輻射量衰減，不利于涂膜烘干，應(yīng)及時(shí)排除；

（3）輻射距離：輻射距離對(duì)固化效果有很大的影響。為了使涂膜有效地獲得輻射能量，輻射距離不能太遠(yuǎn)。一般平板為100mm，較復(fù)雜工件取250～300mm；

（4）溫度均與性：由于輻射存在輻射陰影，爐溫均勻性顯得更為重要，因此在使用高紅外輻射源的同時(shí)，必須同時(shí)進(jìn)行熱風(fēng)循環(huán)；

（5）輻射器布置：由于輻射器表面溫度很高，不能忽視熱空氣的自然對(duì)流導(dǎo)致室體上部溫度較高。因此在高度方向，輻射器數(shù)量自下而上遞減。