涂膜的干燥和固化方法及其装备.doc

第5章 涂膜的干燥和固化方法及其装备一涂料的成膜1概述固化（干燥，又称烘干热固化）是工业涂装工艺的三大基本工序之一，固化的方法及装备选用是否合理，烘干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。干燥、烘干、固化虽可混用，但在语意上有所差别。在日常生活中使潮湿的东西变成干燥的东西的过程称为干燥，即将水分，靠溶剂物理作用挥发掉，使物件变干（如涂装前处理和湿打磨后的干燥工序）。涂覆在被涂物上的涂料由液态（或粉末状）变成无定形的固态薄膜的过程，即涂料的成膜过程，虽也可俗称为涂料的干燥，但称为涂料的固化（Curing）较科学，概念较全面。因涂料的成膜过程较复杂，有物理作用和化学作用，有的必须在高温下（烘干）才能固化，再加之粉末涂料的成膜不是由液万言书变固态。提高物体和空气的温度，以加速干燥（或固化）的速度，即在高温下进行干燥和固化的过程称为烘干。在本章中主要介绍涂料的成膜过程、固化方法、涂膜的固化程度、烘干规范、烘干设备等，以指导汽车涂装工作者制定烘干规范和选用烘干设备。2涂料的成膜过程涂料由液态（或粉末状）变成固态，在被涂物表面上形成薄膜的过程称为涂料成膜过程。液态涂料靠溶剂挥发、氧化、缩合、聚合等物理或化学作用成膜；粉末涂料靠熔融、缩合、聚合等物理或化学作用成膜。在成膜过程起主导作用的，则取决于涂料的类型、组分和结构。根据涂料的成膜过程不没，汽车常用涂料可分为热塑性和热固性两大类。1热塑性涂料的成膜过程 液态溶剂型是靠溶剂挥发，故又称为挥发型涂料；无溶剂或粉末热塑性涂料是靠熔融，所开成的涂膜能被溶剂再溶解或受热再融化。其成膜过程是物理作用，无化学转化作用，因而也可称为非转化型涂料，属于这一类型的汽车用涂料有硝基漆、过氯乙烯漆、热塑性丙烯酸树脂涂料、热塑性粉末涂料和PVC型车底涂料及密封胶等。2热固性涂料的成膜过程 除溶剂挥发和熔融等物理作用外，主要靠缩合、氧化聚合、聚合等化学作用。通过化学反应使液态的或热熔融的低分子树脂转化为固态的网状结构的高分子化合物，所形成的涂膜不能再被溶剂溶解，受热也不能再融化，只能焦化分解，因此热固性涂料也可称为转化型涂料。这一类型的涂料已是汽车制造用涂料的主流；如环氧树脂涂料、氨基醇酸树脂涂料、聚本涂料、醇酸树脂涂料、酚醛树脂涂料、电泳涂料和水性涂料、热固性丙烯酸树脂涂料和热固性粉末涂料等。随涂料的成膜温度不同，涂料又可分为自干型和烘烤型。自干型系指在常温条件下能自然干燥成膜的涂料，有时为加速溶剂挥发，缩短干燥时间，可在80以下进行热风吹一下。属于这一类涂料的如硝基漆等溶剂挥发型涂料、干性油改性的醇酸树脂涂料和油性漆等；烘烤型系指必须在高温下烘烤才能干燥成膜的涂料，例如氨基树脂面漆，俗称烤漆，它必须在（100140）下烘干才能形成达到规定性能的涂膜。二涂膜的干粝方法及过程涂膜的干燥（固化）方法可分自然干燥、烘干和照射固化等三种，又是可详分如下： 自然干燥（在常温下呈自然状态干燥，故谷称为自干或气干）加热干燥（固化） 低温（100以下）热风干燥（加热方式以对流为主，也采用辐射式）（加热方式有对流、辐射和感应等） 干燥 中温（100150）烘干（固化） 高温（150以上）烘干 催化固化照射固化 紫外线固化 电子束固化汽车涂装的成膜过程主要是烘干，汽车修补涂装采用自干较多，照射固化在汽车工业中几乎不用。为确保涂膜质量，涂膜干燥、自干或烘干场所应具备下列条件：1）烘干室内或自干场所要清洁，无灰尘，空气要干净。2）温度应符合涂料的技术要求，过高过低都会影响干燥效率和涂膜质量。3）空气要流动。在空气流动的场所（或烘干室内）要比空气不流动场合涂膜干燥得快，因空气流动有利于溶剂的挥发。4）无论在自干场所，还是在烘干室内都要设置排风换气装置，便于在干燥过程中从涂膜挥发出来的溶剂不超过一定浓度，以防溶剂蒸汽爆炸或影响涂膜质量。1涂膜的自然干燥因是放置在大气中常温下干燥，所以自然干燥仅适用于挥发型涂料、自干型涂料和触媒聚合型涂料。涂膜自干速度与气温、湿度、风速和阳光等有关，一般是气温越高，湿度越低，自干条件就越好，还要保持空气清洁，进行适度地换气，在湿度高，通风差和黑暗的场所，干燥变慢。涂膜中溶剂的挥发速度与周围的空气流动（风速）有关，风速越快，溶剂挥发越快（图5-1）。汽车涂装的自干场所应在室内，不应露天作业。温度越高，溶剂挥发也越快，氧化聚合等少膜固化反应也越加速。自干场所温度增高对涂膜干燥有利，而湿度对溶剂挥发起抑制作用，另外湿度高了，易使挥发型涂料的涂膜变白，产生涂膜弊病，所以要求自干场所的空气湿度以低为好。2漆膜的加热干燥（烘干）加热干燥又可分为烘干和强制干燥。前者系指靠加热使涂膜固化，后者系指采用低温烘干办法来促进自干型涂料的成膜或水分挥发（缩短干燥时间）。烘干温度一般在100以下（最高不超过110）称为低温烘干，在汽车涂装中适用于烘干水分，硝基漆（一般6080下，烘干10min30min）、醇酸树脂涂料（一般为90110下烘干30min60min）等涂膜的干燥；还适用于易受热变形的木质和塑料制件等的涂装烘干。烘干温度在（100150）范围称为中温烘干，150以上（一般200以上很少选用）称为高温烘干。汽车涂装工艺中的烘干工序绝大部分属于中温、高温烘干；热固化型的合成树脂（氨基醇酸系和丙烯酸树脂系）的中涂、面漆采用中温烘干；电泳底漆、水性涂料和粉末涂料采用高温烘干，为适应大批量工业流水生产，烘干时间都限在30min以内。烘干规范（即烘干温度和时间）取决于被烘干的涂料类型、被烘干物材质及热容量和加热方式等因素。烘干时间包括升温时间和保温时间。升温时间是被烘物的温度从室温升到规定的温度所需的时间，升温时间随涂料品种有所变化，如电泳作膜、粉末涂料涂层的烘干，升温可急一些，时间可短些；溶剂型涂料和厚涂层，则升温要温和些，时间可稍长些，反之易产生针孔和起皱等涂膜弊病。保温时间是被烘物温度升到规定温度后应持续的时间，保温时间必须保证，才能确保涂膜干透。烘干规范一般在涂料的技术条件中有规定，通常由涂料厂推荐，也可由汽车厂根据涂装现场条件和产品涂层的性能要求，通过试验确定。在烘干规范内烘干所形成的涂膜性能应是该涂料的最佳性能。烘干规范是涂装工艺设计和烘干室设计的基石。烘干规范所规定的烘干时间和烘干温度一般有一定的变化范围（图5-2），但一旦选到，应将烘干温度和时间控制在较窄的范围，以确保少膜的质量稳定。在汽车涂装的工艺文件和烘干室的特性叙述中，烘干规范一般用温度-时间变化的曲线图表示，如图5-3为汽车用面漆（溶剂型涂料）的典型烘干规范曲线；图5-4为阴极电泳底漆的典型的烘干规范曲线；图5-5为汽车用水性中涂、面漆的典型烘干规范曲线（加热方式均热风对流加热）。被涂物的烘干加热方式有对流、辐射和电感应等三种，对流是外部加热方式，辐射和高周波感应是内部加热方式。对流加热是以热空气为媒介，靠热风将热传导给涂膜和被涂物而加热升温；它的优点是加热均匀，适用于形状、结构复杂的被涂物烘干，尺寸和重量大小不一的被涂物混流生产的涂装线的烘干，是汽车涂装的涂膜烘干的主要方式。其缺点是升温速度慢和热效率低。辐射加热通常是用红外线、远红外线、高红外线，从辐射源射出来呈电磁波在空气中传播，辐射到物体后，被直接吸收转换成热能，使涂膜和底材同时加热；升温速度快、热效率和烘干效率高是其长处；有照射盲点，温度不易均匀（尤其在被涂物与辐射源无相对运动的场合）是辐射烘干的致命的缺点。在汽车涂装领域近10多年来发展采用对流与辐射相结合的加热方式，用辐射加热元件布置在烘干室的升温加热区，来弥补对流加热升温慢的缺点，另外又可降低升温区的气流速度，涂膜在这一区段尚处在湿的状态，易粘尘，降低这一区段的风速对提高涂层的外观质量有利。高周波感应加热效率高，但仅适用于外形简单，且规则的小件和钢管涂装的烘干。催化固化在汽车修补涂装和底材不能烘干的被涂物（如某些塑料件）的涂装领域应用较多，如双组分或多组分涂料在现场现用现配或用双组份喷具涂装。照射固化在汽车涂装中应用较少。3涂膜的固化过程涂膜的固化过程一般要经历以下三个阶段。 1）触指干燥或称表干。当手指轻触涂膜感到发粘，但少膜不附在手指上的状态。2）半硬干燥。用手指轻捅涂膜，在涂膜上不沾有指痕的状态。3）完全干燥。用手指强压少膜也不残留指纹，用手指急速捅涂膜，在涂膜上也不留有伤痕的状态。在烘干场合，涂膜达到完全干燥时涂膜的各项性能应最佳，如果烘干温度过高，烘干时间过长，则会产生涂膜过烘干弊病，轻时影响涂层间的附着力，严惩时涂膜变脆，甚至脱落。判定涂装作业上的干燥程度，较上述划分更细。在一些文献中的分类，见表3-1。表3-1 涂膜干燥（固化）程度的区分编 号区 分 （名称）状 态（干燥程度）中 文日 文1234567触指干燥不粘尘干燥表面干燥半硬干燥干透，完全干燥打磨干燥完全干燥，全硬指触干燥粘着干燥固着干燥半硬化干燥（定着干燥）硬化干燥固化干燥完全干燥如上述所述干燥到不粘尘的程度干燥到无粘尘的状态如上段所述如上段所述干燥到可打磨状态无缺陷的完全干燥状态三烘干设备基于汽车制造属于大批量流水作业生产，生产节奏慢的为几分钟，愉的只有几十秒钟，例如经济规范的轿车车身涂装线年产量为（1530）万辆，前处理、底漆线的生产节奏为（4590）s/台，有手工作业的PVC车底涂胶密封线，中涂、面漆线的生产节奏为90s/台。自然干燥一般需几个小时到几十小时，快节奏的工业涂装生产只能采用烘干，因此烘干设备是汽车涂装不可缺少的关键设备之一。烘干室（俗称烘干炉）的结构合理和性能优劣，将会直接影响涂层质量和涂装成本，特别最近一二十年提出省能源和涂装无公害（或低公害）化等要求，对烘干室的功能和经济技术指标的要求更高了。在设计、选用烘干室时应考虑下列各点：在质量性能方面：应遵循被烘干物的温度-时间曲线；被烘干物的温度分布均匀；烘干室内应清洁、无尘；避免烘干过程中产生的分解物冷凝。在节省能源方面：能源回收；炉门；对外的绝热措施。在符合法规方面：对环境的影响散发物（有机挥发物VOC）；对工位安全规范上 防爆、溶剂、气味。易维修性：易清理；易密封；可接近性（风管等）；成套设备的易更换。为确保烘干室的安全性，烘干设备内的溶剂蒸汽浓度不允许超过一定极限值（不超过该溶剂爆炸下限质量分数的25%），为此必须保证换气充分。经验数据介绍：第挥发3.79L（10美加仑）溶剂，需补充280m3的新鲜空气。在烘干溶剂含量高的涂料或由烘干产生低分子分解物的场合更需加大换气量，供气量大，则自然也意味着能源消耗增大。在排风管和循环风机应装气流传感器，当任何一个系统的气流中断，传感器发出信号，燃烧喷嘴停止避免任何爆炸和火灾。烘干室内应绝对清洁。所供的新鲜空气和循环代气都必须全部过滤；烘干室内不允许有灰尘和污物，应定期清扫；要特别注意加热（升温）区范围内的清洁，因为在那儿的涂膜还是湿的；输送设备应不掉磨损屑，在烘干高装饰性涂层时，输送设备应设置在被烘干物下烘干室底板上；不允许使用任何含有机硅的材料。1烘干室的分类为适应涂装工艺和平面布置的需要，汽车涂装用的烘干室的类型和形状很多，一般按用途、结构形状、热源和加热方式分类：1按用途分类 根据汽车涂装工艺中使用烘干室的目的，可按它们的用途名称来分类。例如，前处理和湿打磨后用水分烘干室；电泳底漆烘干室；PVC涂料烘干室；中兴烘干室、面漆烘干室、水性涂料烘干室，等。基于不同用作的烘温要求不同，烘干室又可分为低温、中温、高温三处。基于用途不同对上述各种烘干室技术要求也有较大的差别。2按形状和工件的通过方式分类 按被涂物通过烘干室的方式不同，汽车少装用烘干室可为通过式、箱式和多行程烘干室。通过式和多行程烘干室一般都用地面或悬挂式输送链连续运送被涂物。随烘干室的被涂物进出口端的结构不同。通过式烘干室又可分为直通式、桥式（在日本又称为“山”型）和“”字型（在德国又称“A”字型）烘干室桥式烘干室（图5-6）的被涂物进出口端有一定的倾斜角（悬挂式输送的倾斜角为20º30º；地面输送为1517º左右）；被涂物（如车身）在“”字型烘干室的进出口端呈垂直升降，采用滑撬式输送系统，“”字型烘干室为单行程，为适应高产量，可并列布置两个烘干室对一条喷漆线。桥式和“”字型烘干室与直通式比较，除占地面积稍大小，其最大优点是保温性能和烘干室内温度均匀性好；它们的进出口端上部的高度较烘干室底板低（约氏200mm300mm）；因热空气的密度较轻，集中在烘干室内不易向炉外逸出，这样不仅热损失明显地减小，并地工位环境也有较大的改善。因此桥式和“”字型烘干室在新建的汽车涂装线中已占主导地位。箱式烘干室系指带门的直通双向或单向式烘干室，适用于小批量，间歇式生产。其优点是比无门的直通式烘干室的保温性好一点，占地面积小；但缺点是被涂物出入烘干室时炉门敞开，热量交响曲失较大，影响炉内温度的均匀性。3按热源的种类分类 随地区动能供应源的不同，涂装用烘干室的加热源有；气体燃料（天然气、城市煤气、工业煤气、工业煤气）、油（轻质柴油、煤油）、电、蒸气或高压热水等，不同热源的烘干室加热装置的结构相差甚大，燃气和燃油的结构相仿，燃油的需压缩空气雾化和泵供油。电加热适用于对流、辐射和感应三种加热方式。4按加热方式分类 可分为辐射式、对流式和两者结合式的烘干室。在汽车涂装领域中，由于汽车零部件的外形的结构复杂，为使被涂物工件加热均匀，后两种加热方式使用较多，具有代表性的直通式热风循环烘干室，见图5-7。2烘干室的组成烘干室由烘干室实体、烘干室两端的进、出口端壳体、热传递系统、电控和测温记录系统等组成。1烘干室实体（俗称通道）它是烘干室的保温壳体。在静力学方面应有自行装载的功能，能装载输送系统和通风管路；在热力学方面应有良好的热绝缘，没有“热桥”，内墙壁的气密性好；便于维修与清理，能进行快速、清洁地安装；具有可膨胀性。烘干室实体一般是镶板式结构，德国杜尔公司设计的烘干室，是在工厂焊接成6m或9m长的实体模段，再运往现场焊装成烘干室实体（可任意数量进行组合），这种结构能确保上述性能，并优于镶板式结构，尤其是气密封和热绝缘性能达到十分理想的状态。2烘干室两端的进、出口端壳体 由于烘干室有效空间的气温高于外界和周围设备的温度，如果没有特别的防护措施，大量的热空气和蒸气将会散发出来，并有冷空气的侵入。在烘干室两端进、出口处采用的保护装置有以下三种形式：1）设置上下升降或左右开的炉门（仅适用于间歇式烘干作业）。2）设置斜式进、出口端（桥式烘干室）或垂直升降式进、出口端（“”字型烘干室）。使烘干室底面高于进、出口的上缘，利用热空气比冷空气轻来隔热。3）在烘干室进、出口端设置风幕间隔区段。烘干室进、出口端部的具体结构，见图5-8。3热传递系统 在汽车制造业中，绝大部分涂装用烘干室装备有辐射加热和对流加热系统两种。辐射热传递是采用直接加热的辐射元件（有电加热辐射元件和烟道气加热的辐射板），通常设置在烘干室的加热升温区，尤其在烘干中涂、面漆场合，在烘干室升温区使用辐身加热，可确保高要求的无尘，也可最大限度地避免灰尘卷起。对流热传递是通过循环空气对流，其优点若加热几何形状复杂的被烘干物，其温度分布非常均匀。循环空气的加热是靠电加热器或热交换器（一般以高温烟道气蔌蒸气为加热介质）、循环风机及风管等，以一定的风速在烘干室内部循环。典型的风管出口风速为 （510）m/s。4烘干室的电控和测温记录系统 先进的烘干设备已彩微机控制系统控制温度和加热系统。3烘干室的空气平衡和热效率在设计对流加热烘干室时就应考虑供、排空气的平衡，为保持涂膜干燥过程中产生的挥发性的有机化合物（VOC）能及时地排出（或送燃烧炉处理），应及时补充清洁的新鲜空气，烘干炉内与室内相比，可稍稍负压。挥发性的有机物（溶剂或低分子分解物）一般产生的烘干最初的（510）min内，为此排气装置应设置在挥发性有机物浓度高的部位。图5-9所示是一个烘干室空气平衡的实例。向烘干室通过风幕供给新鲜空气，排出废气，以保证在烘干过程挥发有机物积聚不超过爆炸极限。如果排风量小，会使烘干室向室内冒烟。烘干室的密封性应保证有害的气体不漏入厂房。烘干室的空气平衡与厂房内的相邻设备如喷漆室、晾干室和冷却室有关，受它们的风压、风速的变化而产生严重的扰乱。厂房内气压变化也会影响烘干室的温度变化或在进、出口处冒烟。厂房内的气压和风速受大门和通风口的关闭的影响，所以涂料车间内的所有独立空气系统都应看成总系统中的相互依赖部分。热效率是指烘干室运转时，供给热量和消耗热量之比，称为热平衡计算作业，用来判定该烘干室的热利用经济效益。烘干室的实际效率： 被涂物实际带出的热量 N= ×100% 运转时所需的全部热量一般对流热风烘干室的热效率列于表3-1中 表3-1对流热风烘干室的效率 （%）烘干室类型加热方式直 通 式桥 式直接加热间接加热10-2510-2025-4020-354冷却室冷却室，又称强冷室，即靠吹冷风强制刚从烘干室出来的被涂物降温，以适应下道工序的需要和不影响厂房内的气温。冷却室应紧接烘干室的出口端布置，一般长度为12个车位。在南方夏季高温作业时，冷却室不可缺少；在北方，尤其是冬季，当室温较低时，在生产节奏较长的场合为省投资也可以不装备冷却室，而采用自然冷却。冷却室由吹冷风条的壳体、送排风机组、送排风管等主要部件组成，供风系统是否需安过滤器，视新鲜空气的清洁度而定，其结构和冷却区内的气体流动，见图5-10。冷却所需的冷空气从厂房外吸入，一般情况下还需要过过滤器，然后靠风机压送到冷却室两侧的风道，再通过喷嘴吹向被冷却物上。加热后的空气从冷却室的上部吸出，排向室外，或当室外气温较低时部分循环使用，如在冬季新鲜空气与循环气混合使用，可提高气温。在理想状态下，被冷却后的工件温度不超过冷却空气温度（1015）（即略高于室温，40左右）。冷却作用只适用于工件的表面，不适用于材料堆积处和遮盖的、气流不易接近的部分，这些部分只能靠热传导冷却，即这些部位的热量要经一定时间后才能达到热量的平衡。要注意绝不允许烘干室的废气串入冷却区，因烘干室的废气在高温下呈气态，在冷却时迅速冷凝。冷凝物滴落在被涂物上污染漆面或造成涂膜弊病。冷却室的结构设计要避免冷凝物滴落在被涂物上。冷却区内的进风和排风比率必须保持平衡。