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红外干燥和固化系统
2011/4/28
现今,抛光需要对色彩、光泽、质地、表面光洁度和修复功能有一个 的把控。有机固化物涂料必须能在其使用的环境中良好运行。红外固化和干燥剂则可以持续提供这些特性——易于操作控制,加速固化时间, 控制、不受环境污染,维护成本较低,同时可以节省地面空间。

红外辐射可在诸多方面得以运用,从干燥和固化功能到前期对流烤箱的预热或后期对流烤箱的固化。它还可以和很多基板材料一起使用,如金属、玻璃、塑料、纸张、纺织品和木材等。利用红外线催生粉末或用紫外线修复液体涂层的组合系统给涂料提供了新的优势和特性。在有机涂层的整理工序中,红外辐射是否用在产品上,如灯具、家具、热水罐、搁置台、橱柜或绝缘门,线路速度可大幅度提高并可节约成本。

流烤箱与红外线烤箱的不同, 像黑夜与白昼。晚上,如果汽车仍然停在外面的车道上,它最终会和周遭的空气同温。空气会慢慢与车身进行能源交流,汽车表面的分子不停地与空气分子碰撞。白天,它们的气温可能是相同的,然而,太阳辐射加热车身的速度要比空气冷却它的速度快得多,所以汽车会迅速升温并远远超过空气的温度。

这同样适用于抛光系统。相对于空气对流,辐射能以更快的速度将热能传输到产品上。在烤箱里,大部分时间都用来让产品达到其固化的温度。红外辐射大大缩短了使涂层达到固化温度的时间,并随后形成固化周期。如图1中,在流烤箱、红外烤箱中固化一个粉末涂层产品,随着时间的改变对比产品的温度。

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图1 在流烤箱和红外烤箱里,随着时间的变化,固化涂层产品的温度会相应地改变。

红外理论

个有机涂层具有特殊的能源光谱吸收曲线。在涂层表面和接近涂层表面的地方吸收非常好,并形成一个波峰。

在能源渗透或进入涂层的地方形成波谷。这些高峰和低谷发射器对应着特定的范围。由于有机材料里共同的碳氢键,大部分涂层在波长2.5-4.0微米时形成吸收的高峰段。

红外幅射用微米表示波长,它能被准确地测量、控制并用于生产。图2论证了以红外为中心的电磁能量规模。

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图2 红外辐射的电磁能源规模

温度在 零度以上的任何群体都会放射红外能量。直到该物群加热的温度超出另一个物群时,从热群体到冷群体的辐射才会变得有意义。一般来说,可利用的辐射量由两个群体的 温度的不同而定,它等于第四功率乘以一个常数。简言之,当提高发射温度时,一个红外加热器将成倍产生更多的辐射。图3显示了发射温度(以鸉为单位)和辐射(瓦/平方英寸)之间的关系,辐射的波长是以微米为单位进行测量的。

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图3 发射器温度(°F)、红外辐射(W/in2)和辐射波长的关系(μm)。

长、中、短波均可部分或完全用于干燥及固化过程中,最有效的能源类别由实际进程中的需要来定。长波长红外能量以大于4.0微米的波长、能量密度低于15瓦/平方英寸释放。中波波长红外能量则以波长2.0-4.0微米、能量密度为15-80瓦/平方英寸释放,短波波长红外能量,也 是被称为高强度红外线,以1.0-2.0微米的波长、能量密度200瓦/平方英寸释放。

涂有高固体涂层或粉末涂层的重金属部分可能需要长、中、短波长红外能源,或以组合形式提供效率和最理想的产品质量。涂层会缓慢吸收长波长的红外能量,以流烤箱中热传递几乎相同速度加热整个产品若使用中波长红外辐射,涂层可直接吸收现有的大部分能源,在金属基材的传导中会损失一部分能源,另外,涂层与周围空气的对流过程中也会损失一部分能源。短波波长能量往往会通过传导迅速渗透涂层。

若这些方法不会产生表面起泡或结皮,直接加热涂层的中波长系统将会需要更少的操作能量,因为大量基板并不能作为散热器;然而,如果涂层很容易起泡或结皮,空气必须采用中波长红外系统,这样可能降低效率,或者在维持适当波长的同时将加热器分开来降低产品的能量密度。另一方面,短波长系统会渗透涂层,防止表面蒙皮,从内向外加热,能产生所期望的产品质量。长微波炉利用长波长、低温加热器或辐射墙系统可安全加工产品。

不同的红外热源产生不同的影响,因此,应该认真规划这一进程。部件形状、零部件是怎样被磨损的,基材是什么,这均是在选择红外线时需考虑到的。低导热系数的基材所在的隐蔽区域难以用红外线 加工,而同样形状、高导热系统的基材则是选择。在使用现有的炉之前,红外线可作为预热器,用于更有效的升温,并利用对流部分用于固化部件。对于某种特定的产品,选错了红外系统,将会浪费生产空间及所需的操作能源,导致产品质量参差不齐。

各类加热器

现有许多不同种类的红外加热器,此处将使用其中三种,并对其进行比较。

短波长/长波长加热器

这类加热器由含有卤素钨丝的石英管组成。其内部灯丝正常温度高达4000鸉,并以1.0-7.2微米的波长发射。当这些能源以该值使用时,功率可以高达200瓦/平方英寸,平均预期寿命大约是5000小时。

制造商已经在加热器后配置了金反射镜,加热器的背面是金或陶瓷涂层,或将大部分装置安在前面的反射板上来直接对产品产生能量。外部的反射镜系统对辐射扩散提供了很好的控制,但这可能需要定期清洗和更换。含金涂层的加热有一定的温度限制,当其与冷却罩一同使用时可提供需 控制的窄发射带。加热器后含耐火陶瓷板的系统有时会使通过这些陶瓷板的空气留在加热器之间。这些安排不仅提供了来自加热器本身的主要发射,还有来自中波长区域里反射镜板上次要的发射,外加空气对流的加热,最终产生了通用兼容的系统。

中波长/中强度加热器

这一组里面包含了种类的加热器,如天然气和电力。这些加热器释放的能量波长在2.0-4.0微米之间、功率在15-80瓦/平方英寸。根据加热器的构成,它的运行温度可高达1900鸉,平均预期寿命为10000-40000小时。

在本组内有大面积、平板式加热器,石英管加热器,金属护套加热器,金属表面和陶瓷类型,以及各种不同类型的气体燃烧器,像简易的燃烧带或扁平矩形燃烧器。除可作为次级发射器,它们可以给产品提供红外辐射,其中的一些可有效的减少对流损失。次级发射器的主要作用是在对流烤箱中加热空气,同时提供红外幅射的额外益处。

大面积平板式加热器的发射圈上有硅或玻璃纤维石英板、陶瓷面、梭织布,以此来提供 的产出。这些平板加热器可以被 控制,并在区域内释放能量,这些能量会被液体和粉末涂层以最快的速度吸收。

金属棒经常和金属反射镜一起被用来将能源导向产品。因涂层不同,有必要对其进行定期更换。这组石英管加热器含有暴露于空气中的元件。有一部分使用外部金属反射镜,另一些在背面装有一个反射涂层,或在加热器内部安装一个特殊发射镜。没有外部反射镜的石英加热器可以严密包装,它有更高的功率和更小的受控区。

在这组里有两类电加热器:一类从表面释放能量,一类通过一个“窗口”释放能量。所有的石英式加热器有利于从内部释放能量,因为石英作为绝缘窗口,能将对流损失降至最小。石英是发射圈的绝缘体,而且几乎是中波长范围内的透明红外能量。另一方面,金属护套、金属面和陶瓷加热器从表面释放能量,并将更多的能量转化为对流能量,这是加热产品中效率较低的做法。

气体加热器可以用来提供红外幅射,或用来加热对流烤箱中的空气,还可以将能量辐射到产品上,这是它的次要功能。

加热器在基材或在燃烧器的表面燃烧气体。催化燃气加热器可以在950鸉以下运行,已被纳入第三类红外加热器产品,它和很多中波长加热器一样,能提供相同的效率和加工时间。

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图4 选择适当的红外线波长以确保最有效的进程

长波长/低强度加热器

末尾一组加热器的波长为4.0微米或更长,能量密度低于15瓦/平方英寸,运行温度可高达850鸉,预期平均寿命为15000-20000小时。

电动放射器的种类包括金属面板加热器、玻璃纤维放射表面,或含有陶瓷缸的凹面反射镜。辐射墙系统属于这一类。组成这类燃气加热器的是催化红外加热器,它通过化学催化表面上的气体,而不是利用燃烧气体的方式产生红外能量。

一般来说,这些类型结合了对流及低强度的红外辐射,由于某些表面或涂层特有的特性以及用户希望其效率比传统对流烘烤炉更高,该类型适用于烘烤时间更长的涂层。

这组加热器的初始成本比其他两组更低,但因为中、短波系统,它在能源消耗和空间的节省上不能达到相同的效果。金属加热器由其内部的加热元素条组建,相较其他类型,它一般提供较低的能量输出。积木大小的陶瓷加热器需要使用发射镜将其能量导向产品。

总结

红外辐射可用于固化、干燥工序中,它提供了 的颜色、光泽、质地和表面抛光。红外幅射的一致性可使有机涂层能性能更佳,这里的一致性包括可控性的红外输出,发射器的温度以及恰当设计的系统。

当对比发射器输出的高峰含量和涂层吸收的高峰含量时,可得出较高效率。红外加热器的温度可控制在已确定的操作点上一度的范围内。这意味着红外辐射每天都能 地加热、干燥和修复有机涂层。
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