1、第 5 章涂膜的干燥和固化方法及其裝備一涂料的成膜1概述固化（干燥，又稱烘干熱固化）是工業涂裝工藝的三大基本工序之一，固化的方法及裝備選用是否合理，烘干規范的選用和執行是否正確，會直接影響涂層質量和涂裝成本。干燥、烘干、固化雖可混用，但在語意上有所差別。在日常生活中使潮濕的東西變成干燥的東西的過程稱為干燥，即將水分，靠溶劑物理作用揮發掉，使物件變干（如涂裝前處理和濕打磨后的干燥工序）。涂覆在被涂物上的涂料由液態（或粉末狀）變成無定形的固態薄膜的過程，即涂料的成膜過程，雖也可俗稱為涂料的干燥，但稱為涂料的固化（curing）較科學，概念較全面。因涂料的成膜過程較復雜，有物理作用和化學作用，有的必

2、須在高溫下（烘干）才能固化，再加之粉末涂料的成膜不是由液萬言書變固態。提高物體和空氣的溫度，以加速干燥（或固化）的速度，即在高溫下進行干燥和固化的過程稱為烘干。在本章中主要介紹涂料的成膜過程、固化方法、涂膜的固化程度、烘干規范、烘干設備等，以指導汽車涂裝工作者制定烘干規范和選用烘干設備。2涂料的成膜過程涂料由液態（或粉末狀）變成固態，在被涂物表面上形成薄膜的過程稱為涂料成膜過程。液態涂料靠溶劑揮發、氧化、縮合、聚合等物理或化學作用成膜；粉末涂料靠熔融、縮合、聚合等物理或化學作用成膜。在成膜過程起主導作用的，則取決于涂料的類型、組分和結構。根據涂料的成膜過程不沒，汽車常用涂料可分為熱塑性和熱固性

3、兩大類。1熱塑性涂料的成膜過程液態溶劑型是靠溶劑揮發，故又稱為揮發型涂料；無溶劑或粉末熱塑性涂料是靠熔融，所開成的涂膜能被溶劑再溶解或受熱再融化。其成膜過程是物理作用， 無化學轉化作用，因而也可稱為非轉化型涂料，屬于這一類型的汽車用涂料有硝基漆、過氯乙烯漆、 熱塑性丙烯酸樹脂涂料、熱塑性粉末涂料和pvc 型車底涂料及密封膠等。2熱固性涂料的成膜過程除溶劑揮發和熔融等物理作用外，主要靠縮合、 氧化聚合、聚合等化學作用。 通過化學反應使液態的或熱熔融的低分子樹脂轉化為固態的網狀結構的高分子化合物，所形成的涂膜不能再被溶劑溶解，受熱也不能再融化，只能焦化分解，因此熱固性涂料也可稱為轉化型涂料。這一類

4、型的涂料已是汽車制造用涂料的主流；如環氧樹脂涂料、氨基醇酸樹脂涂料、聚本涂料、醇酸樹脂涂料、酚醛樹脂涂料、電泳涂料和水性涂料、熱固性丙烯酸樹脂涂料和熱固性粉末涂料等。隨涂料的成膜溫度不同，涂料又可分為自干型和烘烤型。自干型系指在常溫條件下能自然干燥成膜的涂料，有時為加速溶劑揮發，縮短干燥時間，可在80以下進行熱風吹一下。 屬于這一類涂料的如硝基漆等溶劑揮發型涂料、干性油改性的醇酸樹脂涂料和油性漆等；烘烤型系指必須在高溫下烘烤才能干燥成膜的涂料，例如氨基樹脂面漆，俗稱烤漆， 它必須在（ 100140）下烘干才能形成達到規定性能的涂膜。二涂膜的干糲方法及過程涂膜的干燥（固化）方法可分自然干燥、烘干

5、和照射固化等三種，又是可詳分如下：自然干燥（在常溫下呈自然狀態干燥，故谷稱為自干或氣干）低溫（ 100以下）熱風干燥（加熱方式以對流為主，也采用輻射式）干燥中溫（ 100150）烘干（固化）高溫（ 150以上）烘干催化固化紫外線固化電子束固化汽車涂裝的成膜過程主要是烘干，汽車修補涂裝采用自干較多，照射固化在汽車工業中幾乎不用。為確保涂膜質量，涂膜干燥、自干或烘干場所應具備下列條件：1）烘干室內或自干場所要清潔，無灰塵，空氣要干凈。2）溫度應符合涂料的技術要求，過高過低都會影響干燥效率和涂膜質量。3）空氣要流動。 在空氣流動的場所（或烘干室內） 要比空氣不流動場合涂膜干燥得快，因空氣流動有利于溶

6、劑的揮發。4）無論在自干場所，還是在烘干室內都要設置排風換氣裝置，便于在干燥過程中從涂膜揮發出來的溶劑不超過一定濃度，以防溶劑蒸汽爆炸或影響涂膜質量。1涂膜的自然干燥因是放置在大氣中常溫下干燥，所以自然干燥僅適用于揮發型涂料、自干型涂料和觸媒聚合型涂料。涂膜自干速度與氣溫、濕度、風速和陽光等有關，一般是氣溫越高，濕度越低，自干條件就越好，還要保持空氣清潔，進行適度地換氣，在濕度高，通風差和黑暗的場所，干燥變慢。涂膜中溶劑的揮發速度與周圍的空氣流動（風速）有關，風速越快，溶劑揮發越快（圖5-1） 。汽車涂裝的自干場所應在室內，不應露天作業。溫度越高，溶劑揮發也越快，氧化聚合等少膜固化反應也越加速

7、。自干場所溫度增高對涂膜干燥有利，而濕度對溶劑揮發起抑制作用，另外濕度高了， 易使揮發型涂料的涂膜變白，產生涂膜弊病，所以要求自干場所的空氣濕度以低為好。2漆膜的加熱干燥（烘干）加熱干燥又可分為烘干和強制干燥。前者系指靠加熱使涂膜固化，后者系指采用低溫烘干辦法來促進自干型涂料的成膜或水分揮發（縮短干燥時間）。烘干溫度一般在100以下（最高不超過110）稱為低溫烘干，在汽車涂裝中適用于烘干水分， 硝基漆（一般 60 80下，烘干 10min30min ） 、 醇酸樹脂涂料 （一般為90照射固化加熱干燥（固化）（加熱方式有對流、輻射和感應等）110下烘干30min60min）等涂膜的干燥； 還適用

8、于易受熱變形的木質和塑料制件等的涂裝烘干。烘干溫度在（ 100150）范圍稱為中溫烘干，150以上（一般200以上很少選用）稱為高溫烘干。 汽車涂裝工藝中的烘干工序絕大部分屬于中溫、高溫烘干； 熱固化型的合成樹脂（氨基醇酸系和丙烯酸樹脂系）的中涂、面漆采用中溫烘干；電泳底漆、水性涂料和粉末涂料采用高溫烘干，為適應大批量工業流水生產，烘干時間都限在30min 以內。烘干規范（即烘干溫度和時間）取決于被烘干的涂料類型、被烘干物材質及熱容量和加熱方式等因素。 烘干時間包括升溫時間和保溫時間。升溫時間是被烘物的溫度從室溫升到規定的溫度所需的時間，升溫時間隨涂料品種有所變化，如電泳作膜、 粉末涂料涂層的

9、烘干，升溫可急一些，時間可短些；溶劑型涂料和厚涂層，則升溫要溫和些，時間可稍長些，反之易產生針孔和起皺等涂膜弊病。保溫時間是被烘物溫度升到規定溫度后應持續的時間，保溫時間必須保證， 才能確保涂膜干透。烘干規范一般在涂料的技術條件中有規定，通常由涂料廠推薦， 也可由汽車廠根據涂裝現場條件和產品涂層的性能要求，通過試驗確定。 在烘干規范內烘干所形成的涂膜性能應是該涂料的最佳性能。烘干規范是涂裝工藝設計和烘干室設計的基石。烘干規范所規定的烘干時間和烘干溫度一般有一定的變化范圍（圖5-2） ，但一旦選到，應將烘干溫度和時間控制在較窄的范圍，以確保少膜的質量穩定。在汽車涂裝的工藝文件和烘干室的特性敘述中

10、，烘干規范一般用溫度-時間變化的曲線圖表示，如圖5-3 為汽車用面漆（溶劑型涂料）的典型烘干規范曲線；圖5-4 為陰極電泳底漆的典型的烘干規范曲線；圖5-5 為汽車用水性中涂、面漆的典型烘干規范曲線（加熱方式均熱風對流加熱） 。被涂物的烘干加熱方式有對流、輻射和電感應等三種，對流是外部加熱方式，輻射和高周波感應是內部加熱方式。對流加熱是以熱空氣為媒介，靠熱風將熱傳導給涂膜和被涂物而加熱升溫；它的優點是加熱均勻，適用于形狀、 結構復雜的被涂物烘干，尺寸和重量大小不一的被涂物混流生產的涂裝線的烘干，是汽車涂裝的涂膜烘干的主要方式。其缺點是升溫速度慢和熱效率低。輻射加熱通常是用紅外線、遠紅外線、高紅

11、外線，從輻射源射出來呈電磁波在空氣中傳播，輻射到物體后， 被直接吸收轉換成熱能，使涂膜和底材同時加熱；升溫速度快、熱效率和烘干效率高是其長處；有照射盲點，溫度不易均勻（尤其在被涂物與輻射源無相對運動的場合）是輻射烘干的致命的缺點。在汽車涂裝領域近10 多年來發展采用對流與輻射相結合的加熱方式，用輻射加熱元件布置在烘干室的升溫加熱區，來彌補對流加熱升溫慢的缺點，另外又可降低升溫區的氣流速度，涂膜在這一區段尚處在濕的狀態，易粘塵， 降低這一區段的風速對提高涂層的外觀質量有利。高周波感應加熱效率高，但僅適用于外形簡單，且規則的小件和鋼管涂裝的烘干。催化固化在汽車修補涂裝和底材不能烘干的被涂物（如某些

12、塑料件）的涂裝領域應用較多，如雙組分或多組分涂料在現場現用現配或用雙組份噴具涂裝。照射固化在汽車涂裝中應用較少。3涂膜的固化過程涂膜的固化過程一般要經歷以下三個階段。1）觸指干燥或稱表干。當手指輕觸涂膜感到發粘，但少膜不附在手指上的狀態。2）半硬干燥。用手指輕捅涂膜，在涂膜上不沾有指痕的狀態。3）完全干燥。用手指強壓少膜也不殘留指紋，用手指急速捅涂膜，在涂膜上也不留有傷痕的狀態。在烘干場合，涂膜達到完全干燥時涂膜的各項性能應最佳，如果烘干溫度過高，烘干時間過長， 則會產生涂膜過烘干弊病，輕時影響涂層間的附著力，嚴懲時涂膜變脆，甚至脫落。判定涂裝作業上的干燥程度，較上述劃分更細。在一些文獻中的分

13、類，見表3-1。表 3-1 涂膜干燥（固化）程度的區分編號區分（名稱）狀態（干燥程度）中文日文1 2 3 4 5 6 7 觸指干燥不粘塵干燥表面干燥半硬干燥干透，完全干燥打磨干燥完全干燥，全硬指觸干燥粘著干燥固著干燥半硬化干燥（定著干燥）硬化干燥固化干燥完全干燥如上述所述干燥到不粘塵的程度干燥到無粘塵的狀態如上段所述如上段所述干燥到可打磨狀態無缺陷的完全干燥狀態三烘干設備基于汽車制造屬于大批量流水作業生產，生產節奏慢的為幾分鐘，愉的只有幾十秒鐘，例如經濟規范的轎車車身涂裝線年產量為（1530） 萬輛， 前處理、底漆線的生產節奏為 （4590）s/臺，有手工作業的pvc 車底涂膠密封線，中涂、面

14、漆線的生產節奏為90s/臺。自然干燥一般需幾個小時到幾十小時，快節奏的工業涂裝生產只能采用烘干，因此烘干設備是汽車涂裝不可缺少的關鍵設備之一。烘干室（俗稱烘干爐）的結構合理和性能優劣，將會直接影響涂層質量和涂裝成本，特別最近一二十年提出省能源和涂裝無公害（或低公害） 化等要求， 對烘干室的功能和經濟技術指標的要求更高了。在設計、選用烘干室時應考慮下列各點：在質量性能方面：應遵循被烘干物的溫度-時間曲線；被烘干物的溫度分布均勻；烘干室內應清潔、無塵；避免烘干過程中產生的分解物冷凝。在節省能源方面：能源回收；爐門；對外的絕熱措施。在符合法規方面：對環境的影響散發物（有機揮發物voc ） ；對工位安

15、全規范上防爆、溶劑、氣味。易維修性：易清理；易密封；可接近性（風管等）；成套設備的易更換。為確保烘干室的安全性，烘干設備內的溶劑蒸汽濃度不允許超過一定極限值（不超過該溶劑爆炸下限質量分數的25%） ，為此必須保證換氣充分。經驗數據介紹：第揮發3.79l（10 美加侖）溶劑，需補充280m3的新鮮空氣。在烘干溶劑含量高的涂料或由烘干產生低分子分解物的場合更需加大換氣量，供氣量大， 則自然也意味著能源消耗增大。在排風管和循環風機應裝氣流傳感器，當任何一個系統的氣流中斷，傳感器發出信號，燃燒噴嘴停止避免任何爆炸和火災。烘干室內應絕對清潔。所供的新鮮空氣和循環代氣都必須全部過濾；烘干室內不允許有灰塵和

16、污物，應定期清掃；要特別注意加熱（升溫）區范圍內的清潔，因為在那兒的涂膜還是濕的； 輸送設備應不掉磨損屑，在烘干高裝飾性涂層時，輸送設備應設置在被烘干物下烘干室底板上；不允許使用任何含有機硅的材料。1烘干室的分類為適應涂裝工藝和平面布置的需要，汽車涂裝用的烘干室的類型和形狀很多，一般按用途、結構形狀、熱源和加熱方式分類：1按用途分類根據汽車涂裝工藝中使用烘干室的目的，可按它們的用途名稱來分類。例如，前處理和濕打磨后用水分烘干室；電泳底漆烘干室；pvc 涂料烘干室；中興烘干室、面漆烘干室、水性涂料烘干室，, ，等。基于不同用作的烘溫要求不同，烘干室又可分為低溫、中溫、高溫三處。基于用途不同對上述

17、各種烘干室技術要求也有較大的差別。2按形狀和工件的通過方式分類按被涂物通過烘干室的方式不同，汽車少裝用烘干室可為通過式、 箱式和多行程烘干室。通過式和多行程烘干室一般都用地面或懸掛式輸送鏈連續運送被涂物。隨烘干室的被涂物進出口端的結構不同。通過式烘干室又可分為直通式、橋式（在日本又稱為“山”型）和“”字型（在德國又稱“a”字型）烘干室橋式烘干室（圖 5-6）的被涂物進出口端有一定的傾斜角（懸掛式輸送的傾斜角為20o30o；地面輸送為1517o左右）；被涂物（如車身）在“”字型烘干室的進出口端呈垂直升降，采用滑撬式輸送系統， “”字型烘干室為單行程，為適應高產量，可并列布置兩個烘干室對一條噴漆線

18、。橋式和 “”字型烘干室與直通式比較，除占地面積稍大小，其最大優點是保溫性能和烘干室內溫度均勻性好；它們的進出口端上部的高度較烘干室底板低（約氏200mm 300mm ） ；因熱空氣的密度較輕，集中在烘干室內不易向爐外逸出，這樣不僅熱損失明顯地減小，并地工位環境也有較大的改善。因此橋式和“ ”字型烘干室在新建的汽車涂裝線中已占主導地位。箱式烘干室系指帶門的直通雙向或單向式烘干室，適用于小批量， 間歇式生產。 其優點是比無門的直通式烘干室的保溫性好一點，占地面積小； 但缺點是被涂物出入烘干室時爐門敞開，熱量交響曲失較大，影響爐內溫度的均勻性。3按熱源的種類分類隨地區動能供應源的不同，涂裝用烘干室

19、的加熱源有；氣體燃料（天然氣、城市煤氣、工業煤氣、工業煤氣）、油（輕質柴油、煤油） 、電、蒸氣或高壓熱水等， 不同熱源的烘干室加熱裝置的結構相差甚大，燃氣和燃油的結構相仿，燃油的需壓縮空氣霧化和泵供油。電加熱適用于對流、輻射和感應三種加熱方式。4按加熱方式分類可分為輻射式、 對流式和兩者結合式的烘干室。在汽車涂裝領域中，由于汽車零部件的外形的結構復雜，為使被涂物工件加熱均勻，后兩種加熱方式使用較多，具有代表性的直通式熱風循環烘干室，見圖5-7。2烘干室的組成烘干室由烘干室實體、烘干室兩端的進、出口端殼體、熱傳遞系統、電控和測溫記錄系統等組成。1烘干室實體（俗稱通道）它是烘干室的保溫殼體。在靜力

20、學方面應有自行裝載的功能，能裝載輸送系統和通風管路；在熱力學方面應有良好的熱絕緣，沒有“熱橋”，內墻壁的氣密性好；便于維修與清理，能進行快速、清潔地安裝；具有可膨脹性。烘干室實體一般是鑲板式結構，德國杜爾公司設計的烘干室，是在工廠焊接成6m 或9m 長的實體模段， 再運往現場焊裝成烘干室實體（可任意數量進行組合），這種結構能確保上述性能，并優于鑲板式結構，尤其是氣密封和熱絕緣性能達到十分理想的狀態。2烘干室兩端的進、出口端殼體由于烘干室有效空間的氣溫高于外界和周圍設備的溫度， 如果沒有特別的防護措施，大量的熱空氣和蒸氣將會散發出來，并有冷空氣的侵入。在烘干室兩端進、出口處采用的保護裝置有以下三

21、種形式：1）設置上下升降或左右開的爐門（僅適用于間歇式烘干作業）。2）設置斜式進、出口端（橋式烘干室）或垂直升降式進、出口端（“ ”字型烘干室） 。使烘干室底面高于進、出口的上緣，利用熱空氣比冷空氣輕來隔熱。3）在烘干室進、出口端設置風幕間隔區段。烘干室進、出口端部的具體結構，見圖5-8。3熱傳遞系統在汽車制造業中，絕大部分涂裝用烘干室裝備有輻射加熱和對流加熱系統兩種。輻射熱傳遞是采用直接加熱的輻射元件（有電加熱輻射元件和煙道氣加熱的輻射板），通常設置在烘干室的加熱升溫區，尤其在烘干中涂、面漆場合， 在烘干室升溫區使用輻身加熱，可確保高要求的無塵，也可最大限度地避免灰塵卷起。對流熱傳遞是通過循

22、環空氣對流，其優點若加熱幾何形狀復雜的被烘干物，其溫度分布非常均勻。 循環空氣的加熱是靠電加熱器或熱交換器（一般以高溫煙道氣蔌蒸氣為加熱介質）、循環風機及風管等，以一定的風速在烘干室內部循環。典型的風管出口風速為（510）m/s。4烘干室的電控和測溫記錄系統先進的烘干設備已彩微機控制系統控制溫度和加熱系統。3烘干室的空氣平衡和熱效率在設計對流加熱烘干室時就應考慮供、排空氣的平衡，為保持涂膜干燥過程中產生的揮發性的有機化合物（voc）能及時地排出（或送燃燒爐處理），應及時補充清潔的新鮮空氣，烘干爐內與室內相比，可稍稍負壓。揮發性的有機物（溶劑或低分子分解物）一般產生的烘干最初的（510）min 內，為此排氣裝置應設置在揮發性有機物濃度高的部位。圖 5-9 所示是一個烘干室空氣平衡的實例。向烘干室通過風幕供給新鮮空氣，排出廢氣，以保證在烘干過程揮發有機物積聚不超過爆炸極限。 如果排風量小， 會使烘干室向室內冒煙。烘干室的密封性應保證有害的氣體不漏入廠房。烘干室的空氣平衡與廠房內的相鄰設備如噴漆室、晾干室和冷卻室有關，受它們的風壓、風速的變化而產生嚴重的擾亂。廠房內氣壓變化也會影響烘干室的溫度變化或在進、出口處冒煙。 廠房內的氣壓和風速受大門和通風口的關閉的影響，所以涂料車間內的所有獨立空氣系統都應看成總