钟金环，王一建

（杭州五源公司表面工程研究所，浙江杭州310030,2.浙江大学光电信息工程学系，浙江杭州310027）

摘要：如何高效快速实现红外辐射加热固化粉末涂层，应用红外辐射波长匹配原理，进行汽车滤清器粉末涂装加热固化红外波长匹配技术论证及生产化试验。
实践证明，获得粉末固化吸收波长通过红外辐射波长相匹配，可以达到波长匹配跟随自动控制目的，开发一种高效快速红外辐射的加热自控系统，简称高红外辐射加热自控系统。 
引言    
高红外强辐射快速干燥技术是一种高效，环保的干燥节能技术，是国家攻关项目之一。
高红外的含义是：高效，辐射源高温(近红外> 2000℃)，全波段，瞬间启动的红外辐射加热技术，可以使物料的快速加热，脱水，干燥。

该技术的已在汽车零件涂漆等方面通过高红外烘烤测试，节能效果显著，充分体现了其热效率高、设备占地少、烘干质量好等特点。
高红外辐射加热器在涂装、纺织、印刷等领域均得到了良好的使用效果。
与传统的加热方式相比，在粉末涂料固化场合，时间可为后者的1/8～1/10，设备占地仅仅为后者的1/5～1/8，对于提高劳动生产率、降低能耗、减少投资、对节能环保事业发展具有十分重要的现实意义和深远影响。 
1、原理 
1.1 波长匹配理论

匹配吸收是红外加热节能的理论基础。基本原理是要求红外元件的发射光谱与被加热工件物体的红外吸收光谱相互匹配，达到最好的吸收效率。
那么选择能够全面“匹配”吸收的红外元件，便是高红外加热技术的关键之一；另外，克服对流场对温度均匀性的影响，实现物料分级的加热干燥和脱水也是重要的影响因素。

高红外加热技术是通过热辐射的方式进行传热的，传统的热风炉则通过热对流进行传热。传热方式的不同从本质上首先提高了红外加热的效率。
另外，远红外加热技术也是通过辐射加热的方式进行传热的，但是，由于远红外加热元件辐射源的温度比较低，辐射能量较弱，虽然波长匹配，加热效果也并不十分理想。
而高红外辐射的能量要大大高于远红外，本质上是由高红外的辐射波长更短，频率更高决定的。大量的短波粒子可以穿透涂层，穿透过程中(如果被加热工件涂层在该频率下有吸收峰)可能直接被涂层分子吸收。
也可能由基体反射再次经过涂层分子时被吸收，这样便可以快速加热涂层内部，而相对含量较少的长波粒子可以直接加热涂层的表面分子。
综合两种作用，整个涂层的升温和固化都是由内向外，由里及表逐次进行的，这样就避免了由于加热方法不当，引起涂层表面先加热，半交联固化，内部挥发物冲破表皮产生针孔、鱼眼、桔皮等现象，从而确保涂层质量。
从另一方面讲，常温下涂层分子处于基态，其固有振动吸收光谱即基频吸收光谱，但是随着温度的升高，会产生和频，倍频，差频，组频等吸收方式。
远红外加热只是匹配基频吸收，却忽略了温度升高时的其他吸收方式，这样的吸收效率就变低了，但是高红外加热由于频率高，正好可以匹配和频，倍频，组频的吸收方式，做到了更好的吸收。

1.2 技术原理

以上高红外是从加热原理上的优越性。从工程的角度上论述，我们还需要考虑其他的因素，比如加热元件的设计选型，布局设计，测温技术等等。
其中不同材料和形状的加热元件及额定功率能产生差异很大的辐射效果；加热元件的布局设计则是确保涂层固化质量的关键设计技术，如果不合理，即使采用了高红外加热器，涂层固化效果也可能较差。
对于平板类或产品单一、形状简单的喷粉工件，采用均匀布置即可或进口段稍加强一点辐射，如液化气钢瓶、发动机缸体、钢板涂覆，此时不需要热风循环。
对于复杂工件则采用针对性辐射，如汽车车身底部质量大，底部应加强辐射，使之整体升温一致。
对基体板材厚度不一致，产品形式多样化的生产线，除了针对性辐射吸收之外，应采用高红外和热风循环结合的方式加热。
高红外设备难以采用常规的热电偶或铂电阻测温，需要采用其他测温传感器，不但需要准确测量高速移动的物体，还要排除红外光线的干扰。

众所周知，工业炉的加热过程是依靠热的对流、传导和辐射来实现的。在高温下，热交换主要靠热辐射，热传导可忽略不计。加热元件或炉体传输给被加热工件的热量为：

在高温条件下，式中后一项(热辐射)成为热能传递的主要部分，它与温度的4次方之差成正比，已知采用高红外辐射加热涂层可达到快速升温固化的效果，有关红外分类见表1。

  

根据表1中红外辐射源波长分析，实际生产中红外辐射加热设计可以从物体吸收红外波长实现波长匹配。

2、试验方法

2.1 试验设以滤清器为测试对象，本试验采用热固性粉末(红狮环氧热固性粉末)，已测得固化前粉末的红外吸收光谱(红色谱线)和固化完全后的红外吸收光谱(蓝色谱线)，如图一所示，电阻丝为辐射元件。

根据匹配吸收理论，发射源的发射波长应该覆盖粉末涂层的大部分吸收峰，而该粉末的吸收峰大都集中在780-1700nm的近红外范围内，而在3μm左右也有一定的吸收峰。

理论上来说，应该覆盖前者，辐射源的温度设计要达到3000℃左右才能够用最强的辐射峰覆盖吸收峰，加热元件的工作功率会非常高。
若选择3μm附近的吸收谷波段，则可只采用1000℃左右的高温发热也能实现匹配，该波段的吸收峰明显随着固化逐渐消失，经试验，结果表明该波段也能达到很好的固化效果。

2.2 试验数据

对环氧热固性粉末的红外吸收光谱进行测定，如图1中(a)图所示，在此图中，可以明显知道几个在不同波长的吸收峰值。

 

图1中(b)图是测定几个不同发热元件在不同温度下的辐射光谱图。
 
3、结果与讨论

3.1 涂层性能分析

将静电粉末涂装后的滤清器在封闭的红外烘道内静置40s，初始红外加热功率10kw，采用PID算法控制烘道温度在180℃，冷却后进行碰撞试验，试验效果如图2所示。

 

由图可知，涂层在冲击中心点完全没有脱离的痕迹，由此基本可以初步判断，由以上加热条件基本可以得到良好的固化效果。

3.2 波长匹配

结果分析以上试验条件虽然在初始状态基本符合波长匹配的条件，但是总体过程中很难说完全做到了匹配的特征(起初在3μm左右的吸收峰在固化后基本消失)。
所以，若要完全实现全程匹配，就必须使用闭环系统控制红外辐射元件的功率，以实现发射光谱的峰值基本覆盖吸收峰。

闭环系统的整体设计如图3所示；表2是发热元件功率和表面温度的对照表，在实现闭环系统中使用。

工件喷粉后进入加热固化环节。当工件进入加热部分烘道，光纤光谱仪立刻测得该滤清器的涂层红外吸收光谱E-λ，测得该光谱之后经由单片机控制程序对该吸收光谱进行分析(每隔3μm对吸收光谱进行积分，得到面积最大的3λm波长段)。
得到吸收最大的波段之后，根据左图可以得到匹配的发射光谱，由该发射光谱得到对应的辐射元件所需的功率。
除了上述的波长匹配反馈，还需要通过炉温跟踪仪实时监测工件的表面涂层温度，如果温度高于保温额定温度就停止加热，如果低于保温温度就开始加热，因为温度过高会导致涂层分子过热而变质。
该闭环系统的匹配精度及效率由单片机对实时红外吸收光谱及发射光谱的匹配算法决定，具体参数都需要经由实验对比得出。

4、结论

1)红外加热固化和传统的热风循环固化有加大差异，除了传热原理上的区别，传统热风循环加热时，可分为热扩散和交联固化两个阶段。
高红外加热固化由于只是直接对粉末涂层的材料进行加热，不需要对基体加热，完全可以在很短时间内就是涂层分子直接进入交联固化的阶段，可以不计热扩散的时间。
2)涂层加热固化的波长匹配是一个整体的过程，并不需要分成升温段和保温段。波长匹配闭环系统的精度由光谱仪及匹配算法综合决定，需要通过实际生产过程得出。

3)只要能够做到相对精确的覆盖匹配，就能够大幅提高辐射能的利用率以及固化效果。