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燃氣催化燃燒紅外固化粉末涂料的固化參數研究
摘要：使用燃氣催化燃燒紅外固化聚酯+TGIC粉末涂料，分析固化時間以及固化溫度對粉末涂層的影響；
研究了不同固化參數下涂層的性能，由此確定催化紅外固化粉末涂料的最優固化工藝。
研究表明：用催化紅外固化該種粉末涂料時，隨著固化溫度的提高，涂料完全固化所需時間減少，與熱風固化一致，涂料最高紅外固化溫度為230℃，該溫度高于熱風最高固化溫度（200℃）；
相同固化溫度下，催化紅外完全固化涂料時所需時間僅為熱風固化時間的一半；綜合考慮固化時間及能耗，使用催化紅外固化粉末涂料時，粉末涂料230℃保持2min和220℃保持3min為最佳固化參數。
引言
隨著環境問題的日益突出，人們開始加大環境保護力度，許多國家相繼出臺了相應的環保法規，特別是對揮發性有機物（VOC）排放量的法規限制。
因此不含有機溶劑的粉末涂料、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涂料行業未來的主要技術研發方向
。
。涂料出廠時，都附帶其產品說明書，指明了涂料的固化參數——固化溫度（底材溫度）對應的固化時間，該參數是使用熱空氣以對流形式加熱確定的。
然而紅外以熱輻射形式固化涂料，其效率遠高于熱風對流加熱，固化參數必然與熱空氣固化參數不相同。隨著紅外固化工藝在涂裝市場中的普及，因此有必要清楚地掌握涂料紅外固化參數。
影響涂料涂層質量的兩個重要條件是最高固化溫度和固化時間
，當固化條件控制不當時，一方面會導致涂層變“脆”，不能很好地附著在底材表面，不能起到保護底材的作用，另一方面會影響涂層美觀性。
，當固化條件控制不當時，一方面會導致涂層變“脆”，不能很好地附著在底材表面，不能起到保護底材的作用，另一方面會影響涂層美觀性。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，當用熱風固化粉末涂料，其能耗也會比其他涂料高。
，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，當用熱風固化粉末涂料，其能耗也會比其他涂料高。本文中以聚酯+TGIC粉末涂料為研究對象，以催化紅外為輻射源，通過試驗確定該粉末涂料紅外固化參數。
1 研究背景
在我國涂料行業精細化生產逐步推進以及在“漆改粉”的趨勢下，粉末涂料因其優越的性能越來越多地得到了應用，包括一般工業、農用工程機械及汽車、家具家電和建材等領域
。
。據中國化工學會涂料涂裝專業委員會統計，2019年我國熱固性粉末涂料銷量為192萬t，同比增長9.1%，超過全國涂料總量增勢。
粉末涂料固化工序長期以來使用熱風循環加熱方式，能耗較高，急需高效、節能、環保的新型加熱方式。
，能耗較高，急需高效、節能、環保的新型加熱方式。在生產過程中，人們逐漸發現用紅外技術可解決這一問題，因此紅外加熱技術逐漸被應用到涂裝領域。
紅外加熱技術在我國有近50年的發展歷史，使用紅外固化涂料也有20余年，包括遠紅外、高紅外[7-8]、中波紅外[9-10]以及燃氣紅外[11-12]。
、高紅外[7-8]、中波紅外[9-10]以及燃氣紅外[11-12]。前3種紅外是以電能為輸入能源，以電加熱絲、電阻絲或特殊材質的發熱絲為發熱體，輻射出不同波長的紅外線，如石英燈管，發熱體的溫度在400~2000℃間。
高紅外由于功率大，反應時間快，因此使用時需嚴格把控，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、經濟性、使用壽命等問題在涂裝領域沒有得到廣泛應用。
燃氣紅外分為燃氣直接燃燒紅外和催化燃燒紅外，直接燃燒紅外是燃氣和空氣在蜂窩陶瓷或金屬網內混合燃燒，直接加熱陶瓷板或金屬網；
高溫的陶瓷板和金屬網即可輻射出能量，發熱體的溫度在900℃左右，屬于間接紅外發生器，效率低。
催化燃燒紅外是將燃燒反應控制在催化劑的表面進行，反應溫度低于600℃，反應時可達到完全無火焰的燃燒狀態。
催化紅外是近些年在國內才逐漸被推廣和應用的，目前涂裝設備中催化紅外大多被用來預熱工件，與熱風烘道相結合實現涂料的完全固化。
然而隨著技術的發展以及設計的改善，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，本文將通過試驗確定這一參數，為催化紅外技術在實際生產中的應用提供參考。
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射傳遞的方式為輻射，波長從0.76至100μm的電磁波普稱為紅外線。
紅外輻射又分為長波紅外輻射、中波紅外輻射與短波紅外輻射[13]，國際標準工業電熱ICE60050-841紅外波段劃分如表1所列，其波長特性如表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，包括它的發射率以及其他表面特性。
當輻射源的輻射光譜與工件表面涂層的吸收光譜相匹配時熱效率最高，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大都在2.0~3.5μm；
因此，當紅外輻射源的發射率與涂料的吸收頻帶對應時，該輻射能直接作用于化學鍵，形成減震狀態和引起鍵的斷裂，以達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生催化氧化反應產生的一種3~7μm的中長波紅外線[14]，該紅外線的波長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氣的反應活化能，加快反應速率，本身不會被消耗，整個過程是一種比普通燃燒劇烈數千倍的無火焰燃燒反應，將燃氣中的碳氫化合物直接轉化為水和二氧化碳，不產生有害性氣體。
3 催化紅外設備特點
催化紅外具有電紅外固化涂料的所有優點，包括固化時間短、涂膜質量高、安全系數高、操作簡單等[15]。
除此之外，催化紅外因通過燃氣直接轉換為紅外輻射能量，屬于直接式紅外線發生器，避免轉換過程中能量損失。催化紅外設備相對于電紅外使用壽命長，單塊輻射板正�？墒褂�10年以上。
雖然催化紅外技術有較多的優勢，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，但不完全暴露的區域可能不會均勻固化。
在紅外爐的設計中，有幾種常用的方法來解決這個問題。其中一種方法是使用可變控制器，調節單個紅外發射器的輻射強度。
第二種方法是在烘箱內根據高能量、低能量或無能量的要求，將熱量施加到零件的各個區域，通過使用反射鏡和擋板對紅外進行聚焦，在不同的區域獲得均勻的強度和覆蓋度，因此在實際過程中需要根據工件的形狀設計紅外烘道。
除此之外，我們一般需在設備入口處加大輻射量，使涂層溫度快速升至固化溫度，之后需要根據工件傳熱量適當降低輻射量，確保涂層溫度不再升高，因此催化紅外烘道設計時需考慮“加熱段”和“保溫段”。
4 實驗裝置及結果分析
燃氣催化紅外烘箱主要由輻射板系統、供氣系統、電路控制系統以及設備框架組裝成。
烘箱為半封閉空間，兩側為不銹鋼反光板，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，經高溫焙燒而成。纖維載體比表面積可達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。試驗所用的燃氣為罐裝液化石油氣，出氣壓力較高，通過調壓閥調到適合的壓力。
燃氣的瞬時體積流量可通過轉子流量計控制并讀出，輻射板進氣壓力可通過燃氣管路上的壓力表讀出。
在紅外烤箱固化過程中，樣本的溫度通過K型熱電偶測量并傳輸到計算機記錄，熱點偶的測溫范圍-200~500℃。同時，便攜式測溫儀實時測量輻射板表面溫度。
本研究選擇的粉末涂料是一種應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，用高壓靜電噴槍實現粉末的噴涂，噴涂前進行鉻化處理。
把噴有粉末涂料的樣板放在輻射板下方，通過控制進入輻射器的燃氣流量并結合傳熱學知識，使其溫度在2min內分別升到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（總固化時間為3~7min），之后取出樣板冷卻至室溫。
試驗過程中發現3組試驗樣本有明顯色差，沒有做進一步性能測試。將上述固化條件得到的樣本分別根據表4的要求進行性能測試。
文中給出了其中5個具有代表性參數的測試結果，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間減少，這一點與熱風固化相同，可能是由于涂層溫度提高，反應速度加快的原因。
用催化紅外加熱涂層時，最高固化溫度（230℃）高于熱風溫度（200℃），所對應的固化時間僅為2min，是該涂料產品說明書上最短固化時間的1/5。
當固化溫度較低時，隨著固化時間的延長，涂層性能變化較小，當固化溫度為180℃時，涂層的光澤均＞90%，附著力檢測均大于0級；
且其他參數也不合格，因此目前的試驗并沒有獲得在該溫度下涂層固化完全所需的最短時間，接下來需要繼續試驗并結合傳熱學理論進行探索，固化溫度190℃同樣需要增加試驗。
當固化溫度為200℃時，只有一組涂層檢測結果合格及固化時間為5min，該時間是傳統熱風干燥時間的一半。
可以得出結論，當用熱風和催化紅外固化同一種粉末涂料時，在粉末涂料固化完全的前提下，紅外固化用時至少是熱風用時的一半。
當固化溫度為210℃、固化時間為5min時，除光澤外，其他幾個參數均合格，可以認為固化時間5min為該溫度下的最長固化時間。
為獲得該溫度下最佳固化時間，接下來我們需要在4min和5min中間取一個時間做進一步試驗。
固化參數為220℃×3min和230℃×2min時，涂層的各項性能檢測均符合要求，考慮固化時間以及能耗問題，可認為這兩個參數為催化紅外固化該類粉末涂料的最佳固化參數。
固化溫度為240℃時，無符合要求的測試結果，因此可認為該種粉末涂料使用催化紅外固化時其最高固化溫度位于230℃與240℃之間，具體溫度需要進一步試驗。、
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