高频红外固化粉末涂料：燃气辐射加热技术在粉末涂料固化中的应用研究

高频红外固化粉末涂料：燃气辐射加热技术在粉末涂料固化中的应用研究通过涂料固化机理研究，将燃气辐射加热装置应用至粉末涂料烘干/固化工序中，燃气辐射加热装置通过放射一定波长的电磁波直接加热工件，达到了提高生产效率及节能减排的目的。家电行业普遍应用的热风对流固化方式中固化时间较长（一般炉内时间至少20min以上）；排放温度较高、热损失较大（一般热损失高达30%以上）导致综合能源效率较低；热风流动易导致涂层起皱甚至橘皮等弊病。全球温室效应及节能减排等已成为人类生存的主要课题，因此也不能忽视烘干、固化炉所产生的高温造成的作业环境恶化及排放气体对环境的污染问题。 家电行业主要以粉末涂装为主，粉末涂装中烘干、固化方式有对流加热、电红外辐射加热，其中对流热风加热方式占主导地位。对流热风加热室的热效率为20%~30%，大部分热量用于烘干/固化炉装置的加热及空气中的散热损失。

摘要：概述了对流热风加热方式的优缺点及应用中存在的问题；燃气辐射加热原理及在粉末固化中应用及效益。

引言

固化（干燥）是工业涂装线的三大基本工序之一，是涂膜形成的重要工序。所用设备（烘干、固化炉）是工业涂装的关键设备，其耗能量的大小直接影响涂装成本。

所以固化方法及装备的选用是否合理，烘干固化规范的选用和执行是否正确，会直接影响涂层质量和涂装成本。

全球温室效应及节能减排等已成为人类生存的主要课题，因此也不能忽视烘干、固化炉所产生的高温造成的作业环境恶化及排放气体对环境的污染问题。

家电行业主要以粉末涂装为主，粉末涂装中烘干、固化方式有对流加热、电红外辐射加热，其中对流热风加热方式占主导地位。

对流热风加热室的热效率为20%~30%，大部分热量用于烘干/固化炉装置的加热及空气中的散热损失。

家电行业普遍应用的热风对流固化方式中固化时间较长（一般炉内时间至少20min以上）；排放温度较高、热损失较大（一般热损失高达30%以上）导致综合能源效率较低；热风流动易导致涂层起皱甚至橘皮等弊病。

通过涂料固化机理研究，将燃气辐射加热装置应用至粉末涂料烘干/固化工序中，燃气辐射加热装置通过放射一定波长的电磁波直接加热工件，达到了提高生产效率及节能减排的目的。

1、对流热风循环加热方式介绍

对流热风循环加热是涂装线烘干/固化最基本的加热方式，依据热量由高温流向低温的原理，烘干/固化工序中的热平衡计算中一般将被涂物实际带出的热量视为热能的有效利用率即热效率。

对流热风加热室的热效率为20%~30%（参见热效率表1），大部分用于装置加热及空气中的散热损失。如按涂膜升温固化所需热量作为热效率，则热效率更低。

对流热风循环加热粉末固化规范为180~220℃/15~25min，固化所需要的总热量为5×105kcal/hr×2。

而此总热量中仅30%应用于零件加热固化，而40%的热量消耗于输送链挂具的加热、炉体散热等，剩余30%为炉体散热、风管散热及直接排出空气而流失掉。

由此看出，实际应用于零件加热及其他用途的热量仅占总热量的70%，实际浪费的热量为30%。

家电行业主要应用的户外粉末为聚酯型热固性粉末涂料，固化原理为交联固化。而粉末涂料固化炉主要采用的加热方式有热风循环方式、红外线式和红外线加热风循环方式。

热风炉优点为炉内温度均匀，适用于各种形状的被涂物；缺点是被涂物传热是由表及里逐步升温，不仅升温速度慢而且涂层达到一定厚度后容易出现猪毛孔或针孔等弊病。热风循环固化在家电行业被广泛应用。

家电行业应用的红外线加热方式为红外线式辐射能，一般不需要鼓风机进行热风循环。

这种烘烤炉的优点是被涂物和涂膜同时受热，涂膜的升温速度快，也避免了鼓风时带进炉内的粉尘造成涂膜的污染；缺点是烘烤炉内温度分布不均匀，热源与被涂物距离的大小对温度的影响很大，对于形状复杂的被涂物，不同部位之间的温差较大。

因此，这种烘烤炉只有对板材或圆筒状等形状简单的被涂物，或热源与被涂物的不同部位之间距离很接近的情况下（例如圆筒状的被涂物旋转时， 各部位与热源之间的距离相差不大）才能使用。对于形状复杂的被涂物则不太适用。

2、燃气辐射加热技术基本原理

任何物质其温度在绝度零度K=0（-273℃）以上时，都产生辐射现象。

辐射现象的本质是物质内原子中的电子，在有温度存在的情况下处于不停地运动状态（转动、振动、玄动），因此产生交替变化的电场和磁场（即电磁波），电磁波向空间的传播，即为辐射。

电磁波的波长范围（如波谱图示），从几纳米到几千米，包括：宇宙射线、X 射线、紫外线（波长小于紫光波长0.38μm以外）、可见光（0.38~0.78μm）、红外线（10-3～7.8×10-7），微波（0.3～10-3 m）、无线电波（雷达波、视频波、广播波，波长从几千米到0.3m左右）。

人类利用不同波长的电磁波，实现不同的应用目的。

辐射加热技术，是利用波长为0.1~100μm的电磁波（称为热射线）进行加热的技术。热射线是由于物质自身温度和热运动而发出的电磁波，其中包括可见光线、部分紫外线和部分红外线。

热射线具有波动特性和量子特性，即所谓“波-粒二重性”。电磁波传递遵循4次方规律（E=εEb=ελEb）。

热射线作为电磁波的一部分，也服从4次方运动规律。太阳（表面温度6000℃，中心温度20000℃）能够从遥远的天际，向地球传递光和热，就是因为这个4次方的神秘规律。

燃气辐射加热技术设备可产生波长为1~40μm的电磁波（热射线的一部分，我们称为柔强辐射），利用这个神秘的4次方规律，有效地解决了各类空间和生产工艺的快速升温问题，应用于高大空间的采暖、涂装工艺的加热等。

燃气辐射加热系统模拟太阳给地球供热的原理，把燃气中的热能，直接转换成波长为1~40μm的电磁波，定向集束辐射，送到供热目的地，直接加热目标物体。

由于不直接加热空气，因此热效率可达95%，而热能从零件散热至空气，正好与涂料固化时小分子的挥发方向相同，有助于涂层固化且涂层外观质量优于对流热风循环加热固化方式。

燃气辐射加热技术可直接加热工件，无需风机鼓风对流，没有热风吹拂导致的涂层质量问题，减少废气排放，减少热能损失，降低粉末涂料固化成本。

3、燃气辐射加热技术在粉末涂料固化中应用案例

某公司喷粉固化线体因被涂零件规格及厚度不完全统一，在做厚零件时涂层在正常线速下无法固化完全，因此线速限制在2m/min才能满足不同厚度零件的固化要求，严重影响了生产效率。

经过反复的研究与测试，在线体入口处增加一定长度的燃气辐射加热装置，使工件首先在燃气辐射加热装置中发生粉末熔融交联反应从而缩短固化时间。

零件线速提高至3m/min，提高生产效率50%。而且使用燃气辐射加热装置后减少传输带振动导致的涂层掉落及热风吹拂导致的涂层弊病，改进了涂层的均匀性，有效提高了涂层外观质量。

燃气辐射加热系统是燃气热能向辐射热能的封闭式转换，以电磁波的形式传递能量，不需要任何媒介，因此具有热损失小的特点，能源利用效率远大于燃料直接燃烧的对流加热方式，也避免了不完全燃烧产生的氮氧化物、CO等。

热效率可达95%，应用于粉末涂装固化工序中可节能30%，按国家节能标准计算每年减少近200t标准煤。

4、结语

燃气辐射加热技术的变革和创新，从根本上实现了节能、减排、增效，为转变生产方式、实现升级转型提供了技术支撑，为粉末涂装行业的最新发展起到了引领作用。