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【摘要】本文分析了传统热风循环涂层固化和新型高红外固化方式的不同，阐述了高红外辐射固化的技术原理及基本特点。着重指出它具有高能量、高密度、全波段的辐射特性。并介绍了高红外快速固化技术在涂装工程中的应用。并对其技术经济效益进行分析对比，说明高红外快速固化技术在涂层快速固化应用上具有广阔的市场背景。
【关键词】高红外红外辐射普朗克热辐射定律近红外中红外远红外
1．前言
工业涂装线中的固化炉多为强迫对流热风循环方式的热风炉，是应用对流等热传递的原理，以热空气为载体，通过对流方式讲热量传递于工件使之加热。这种固化炉的优点是：炉内温度均匀，工件适用性强。缺点是间接换热能耗高，热量主要从工件的表面缓慢传递到涂层内部，因此设备的热效率普遍低于30%。并且，由于是由表向里的加热，所以在固化过程中所产生的气体容易留在涂层中形成气泡，从而导致漆膜质量下降。
目前，高红外固化是一种新兴的涂层固化方式，它主要依靠辐射加热方式。高红外加热时，其辐射波长和有机涂料中树脂等高分子形成振动匹配，产生耦合作用，能量能够被充分吸收利用，使树脂等高分子发生交联反应，其中的高能量短波更是能穿透几十微米厚的涂层，由内而外加热，使涂层迅速干燥，从而实现涂层快速固化目的。高红外固化具有固化速度快、热效率高、涂层质量好等优点。本文将简要介绍高红外固化机理、特点及应用领域与效果。
2．高红外辐射涂层固化机理
2.1辐射工作原理
高红外是一种以电为能源的先进的涂层加热技术。简单的说，高红外加热是利用红外元件发出的高能量、高密度、全波段的辐射，直接作用于工件表面的一种辐射加热技术。辐射出的红外线波长分为远红外(4μm以上，辐射温度＜650℃)，中波长红外线(2.0—4μm，辐射温度650—1100℃)及近红外线(0.75—2.0μm，辐射温度＞1100℃)[1]。有关红外加热器的辐射温度及特性见表1。
对于有机分子链角振动的频率，大都落在远红外线的4～15μm波长范围内，因此，一般认为远红外加热的辐射频率与有机物分子振动匹配，能量能够得到充分吸收利用。虽然远红外加热技术的应用已有相当的历史，但实际上并不理想，很多情况下辐射光谱曲线与吸收光谱曲线并非达到最佳的匹配[2]。
由普朗克热辐射定律可知：
当工件吸收光谱在2.0～15μm波段，辐射元件表面温度T1＝450℃(723K)时，Q1=96％；T2＝1000℃(1273K)时，Q2＝69％；T3＝2500℃时，Q3＝24％。从波长匹配角度看，辐射元件的可见光成分越少，匹配吸收愈好。
但是，若对厚度不同的两块SiC红外线辐射板，其辐射面积S1=S2，辐射系数sλ1=sλ2，输出功率P1=P2，厚度Ⅰ板大于Ⅱ板，测试结果表明T1＞＞T2，若按波长匹配分析，则Q2＞＞Q1。但实际结果恰恰相反。
这样人们发现，匹配吸收不仅要波长匹配，更重要的是能量匹配，其匹配率记为W：
当元件表面温度450℃时，远红外匹配吸收Q·W＝0.960×0.62＝0.59；2500℃时，Q·W＝0.24×0.88＝0.21。由于远红外波段的辐射能量低，匹配效果就不太好。
工件吸收光谱在0.38—2.0μm波段时，辐射元件表面温度分别为T1=450℃、T2＝1000℃、T3＝2500℃，按波长匹配率，Q1=4％、Q2＝31％、Q3=76％。
因此，在短波段范围内高温辐射元件，即使按波长匹配也是随温度不断提高，采用高温辐射元件将达到最高的热效率。此时辐射是全波段的，属高能量强力红外辐射，此类辐射加热也称之为高红外辐射加热。
2.2红外辐射涂膜干燥机理
油漆涂层的干燥机理，起初曾认为与湿物料脱水的传热传质过程相似，与化学变化无关，纯属热过程，然而研究表明，油漆层内除了存在由热辐射能转化为热能的纯物理过程外，在油漆涂层膜，尤其是热固性的漆膜中，化学反应起着极为重要的作用[3]。
油漆层固化工艺过程可分为两个阶段、即扩散阶段与固化阶段。扩散阶段是热辐射透入漆层的阶段，主要是工件与油漆的预热升温，挥发组分的扩散移出；固化阶段亦称动力学阶段，是辐射作用于化学键的固化阶段，这—阶段要求有较高的温度，在此阶段所发生的化学反应的速度制约着干燥过程的进程，而化学反应的速度根据化学动力学的规陈，温度每升高10℃可提高化学反应速度1~3倍，因此，这—阶段最好采用3μm波段左右的高温辐射。
天津大学在北京汽车钢圈厂用高温定向辐射器对汽车钢圈的丙烯酸罩光漆(白漆)的干燥证明了上述理论的正确性。高温定向辐射器表面温度为700℃以上，距钢圈100mm，辐照3min的干燥效果与工厂正烘烤的中温辐射30min的干燥效果一致。因此，当前美国、澳大利亚等国对汽车钢圈的烘道改为半开放式高温定向辐射烘道，干燥周期为10min，大大缩短了干燥过程，节省了大量能量。
各类油漆的成分中大都含有羟基和羧基，其固有振荡频率相应的波长在2.8—3.0μm，因此当红外辐射源的发射频率的波长与油漆的强吸收频带对应时，则该辐射能直接作用化学键，形成谐振状态和引起键的断裂，以达到快速干燥与固化的目的。
3．高红外加热器技术特点
3.1辐射强度
在热风炉内，辐射传热的能量可以忽略不计，完全以对流传热方式为主。在远红外炉内，在开炉之时，最强辐射强度（即电能与辐射能转换效率）仅为50%左右，恒温时，要远弱于此水平。而高红外加热，这一指标应在85%以上。对流传热仅占一小部分。
从外观上看，远红外电热材料的负荷为2~5W/cm²，温度在800℃~1000℃，而高红外电热材料的负荷为15~30W/cm²，温度在1800℃~1900℃.
3.2反射系统
辐射传热最重要的技术就是聚焦，即将平板或管式加热元件聚焦，使70%~80%的能量辐射到工件表面。通常的做法是：对板式元件减少其热惯性，在其背面实行绝热措施；对管状元件采用光亮铝或不锈钢反射罩。
通常红外加热器背板采用金属反射板，铝与不锈钢镜面板，同时与红外发热体构成抛物线结构。这种结构应用在石英管状红外加热器效果良好，其主要问题存在抛物线焦距的调整及铝与不锈钢抛光板存在高温氧化问题，通常使用≤3000小时，要求更换或抛光清洁处理，否则热效率下降。图1所示在高红外技术中常用的金属反射板的结构。
3.3测温技术
要想获得较好的固化效果，任何加热设备都必须保证加热过程中温度均匀，高红外设备也不例外。高红外设备短且呈连续式，因而可以看成烘道内对流热的利用率趋近于零。此时只要保证辐射均匀，即可实现工件表面温度均匀。
高红外烘道温度的测定及控制比较特殊。常规的于高红外固化烘道，在高红外固化烘道中，可用4.0～12μm红外光导纤维传感器来非接触测量工件表面温度，或用ελ＝0.9的铂薄膜测温仪直接测量，由此严格调整各部位的辐照密度。在实际工业应用中，产品的单一化流水作业可由热电偶、热电阻实现相对温度的测量和控制。
3.4涂层快速固化
从理论上，漆膜的固化在一定范围内是温度与时间的乘积。提高温度，可以缩短固化时间。从实践中分析，不同质量、体积、表面积的工件，所采用的固化工艺参数基本上是一致的。
通过理论和实践证明，实现快速固化必须满足下面三个条件[4]：
（1）保证工件在固化过程中上、中、下温度均匀；
（2）无论工件大小、质量如何、元件必须能瞬间提供大量的热源；
（3）保证工件表面达到较高温度。
常规设备热风炉和远红外与高红外相比是无法实现上述三点的。加热烘道内应该保证温度均匀一致。可以根据加热固化条件来确定烘干规范，由此来确定辐照能量密度与加热时间。
3.5加热物形状的局限性
高红外加热由于仍属辐射加热，它的应用受被加热物形状的限制，对于平面或简单形状工件，可完全采取高红外加热；若工件形状复杂有阴影，可采取高红外加热升温—对流保温来确保涂膜都能完全固化。
辐照能量密度根据涂料品种和被加热工件形状确定。对于含有慢性挥发溶剂的涂料，如水性漆，为了防止急速升温时水快速蒸发而产生爆孔，可选择低辐照能量密度；对于形状复杂的工件或厚薄悬殊的情况，也应降低辐照密度，防止局部的过烘烤。在保温段，由于对流热的存在，上部辐照密度应比下部低，并且最好能适当地配置循环风。
4．应用及效益
4.1概况
近几年来，美国、德国、法国、澳大利亚、日本等及我国采用近红外石英辐射加热器应用在涂装行业中，有了很大的进展，德国贺利氏特种光源集团在沈阳经济开发区注册了公司，上海有代表处，专业提供石英红外辐射管。美国ITWBGK公司在上海设立办事处，提供近红外石英加热器，为涂装行业服务。
高红外辐射加热器在涂装、纺织、印刷、塑科加工、食品加工、化工制药、热处理等干燥领域都得到广泛应用，可获得20～60％的节能效果。特别是在涂装行业的特种涂装、汽车及零部件，各种五金件等产品的工业水性漆及粉末涂装后涂层加热快速固化。纺织行业的织物热定型，印刷品的干燥知已取得了良好的使用效果[5]。
高能量全波段红外辐射加热器所产生的红外辐射以电磁波的形式将能量传递出去，具有瞬时加热、节能显著，且占地面积小的特点。由于它的波长覆盖了红外线的整个波段，有利于涂料中粒子的流平和交联反应迅速进行；并使涂层交联迅速挥发，加快固化、流平速度和减少涂装缺陷。实现涂膜快速固化，同时提高了涂层质量。
4.2实例
实例1
将本加热器应用于铝型材表面粉末涂装固化炉中，如图2所示。
工件：铝型材，工件尺寸7000mm×600mm×1800mm，表面喷白色光亮粉、白色砂纹粉和木纹粉，涂层厚度50~60μm。原先采用电加热热风炉，温度180~200℃，需要固化时间30~40min；现采用高红外预热+热风炉改造，温度180~200℃，需要固化时间20min。线速度提高一倍。
前后两种加热方式的能量电功率对比如下：
（1）完全使用电加热：能量电功率800KW
（2）高红外预热+热风炉：高红外预热162KW×60%+热风加热250KW=347KW
上面结果分析可以得出：首先在铝型材中采用高红外固化粉末是可行的，而且从能耗上具有很大的优势；其次在使用高红外辐射中，注意功率匹配是固化效率提高的关键，同时必须确保在烘烤过程中伴有热风循环，炉温的均匀性良好，保证产品的质量。
工件：碳纤维网球拍，喷涂环氧漆，涂层厚度35±5μm，原先采用蒸气（70±2℃）固化方式需60min，改用高红外加热干燥固化只需5-8min，降低工人生产劳动强度，有效提高了产能，降低生产成本，效能明显优于原先蒸气加热烘干固化方式。
下面是用电加热和高红外加热两种不同能源使用情况对比。
（1）按蒸汽加热热风对流烘道设计：
产能M1：22h×60min/70min×8车×30支×70%＝3167支/天
用电量：238.3kw×22h×0.063元/度×70%=231.2元
合计单次耗能成本：231.2/3167=0.073元/次/只
（2）按高红外辐射加热烘道设计：
产能M2：22h×3600s/7.64s×70%＝7260支/天
用电量：174.6kw×22h×0.063元/度=241.9元
合计单次耗能成本：241.9/7260=0.033元/次/只
积极效果：节约了经济成本，同时也大大提高了产品的产量。
实例2
将本加热器应用于汽车车身中涂/面涂烘干生产线上，如图3所示。车身表面喷涂中涂涂层和低VOC环保型面漆能达到耐高温、防锈要求，应用本加热器实现快速涂层固化。
工件：汽车车身，工件尺寸4300mm×1700mm×1500mm，工件表面经过前处理和阴极电泳后，进行喷中涂和中涂烘干，热风循环30min，保温20min，固化温度150℃；再进行喷面漆和罩光清漆，热风循环30min，保温20min，固化温度为110℃。
测试结果：
采用高能量全波段红外辐射加热器的固化炉，配置功率为300KW，辅助循环风。积极效果：原烘道的占地尺寸不变，运输链速度提高60%，烘干时间缩短了60%，产量由原来热风对流烘干7分钟/辆，采用高红外辐射提高为4.5分钟/辆。
由此可见：高红外快速固化技术不仅可以提高生产效率，还可以降低烘箱等设备运行成本，减少占地面积等十分优越的优势，在涂层的快速干燥固化应用上有着广阔的市场前景，值得推广。
参考文献：
[1]左名光，金惠宗.油漆红外吸收光谱及烘烤温度探讨[J].红外技术，1983，5（6）：21-24.
[2]葛世名，李工一.电容器高红外快速固化技术[J].电力电容器，2002，3：38-43.
[3]潘永康，《现代干燥技术》化学工业出版社ch19，P541～588(1998).
[4]葛世名，李工一.高红外快速固化膜技术[J].摩托车技术，2003/04：15-16.
[5]阚卫东.高红外技术在粉末涂料固化中的应用[J].现代涂料与涂装，2007,10（12）：17-18.