涂膜的干燥和固化方法及其装备

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（100～140）℃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）低温（100℃以下）热风干燥（加热方式以对流为主，也采用辐射式）干燥中温（100～150）℃烘干（固化）高温（150℃以上）烘干催化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60℃～80℃下，烘干10min～30min）、醇酸树脂涂料（一般为90℃～照射固化加热干燥（固化）（加热方式有对流、辐射和感应等）110℃下烘干30min～60min）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（100～150）℃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（15～30）万辆，前处理、底漆线的生产节奏为（45～90）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20º～30º；地面输送为15～17º左右）；