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摘要
本文針對(duì)輪轂涂裝領(lǐng)域現(xiàn)狀，提出采用催化燃燒紅外輻射方式進(jìn)行粉末涂料固化。
研究了紅外輻射固化過(guò)程中涂膜溫度變化，測(cè)試涂膜固化度ΔTg= 1.44℃。涂膜初始附著力、CASS、耐礫石沖擊、耐水試驗(yàn)均滿足性能指標(biāo)要求。
紅外固化后的輪轂延伸率與熱風(fēng)固化相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度優(yōu)于熱風(fēng)固化工藝。經(jīng)能耗分析，催化燃燒紅外輻射固化可節(jié)省天然氣成本76萬(wàn)元/年，節(jié)省63%的占地空間。
催化燃燒紅外輻射固化具有外觀優(yōu)異，漆膜性能優(yōu)良，基體材料性能穩(wěn)定，能耗低、節(jié)省空間等眾多優(yōu)勢(shì)，適用于輪轂涂裝領(lǐng)域。
01前沿
輪轂生產(chǎn)工藝為熔煉-壓鑄-機(jī)加工-涂裝，現(xiàn)有鋁合金輪轂涂裝生產(chǎn)線主要采用天然氣熱風(fēng)循環(huán)固化技術(shù)，該技術(shù)為間接加熱，能耗高，熱量從工件的表面緩慢傳遞到涂層內(nèi)部，熱效率低于30%。
熱風(fēng)固化是由表向里的熱傳導(dǎo)加熱，在固化過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體易留在涂層中形成氣泡，同時(shí)由于有流動(dòng)空氣，固化過(guò)程容易造成灰塵二次污染，從而導(dǎo)致涂層質(zhì)量下降。
催化燃燒紅外輻射加熱技術(shù)最早在1953年由法國(guó)森吉仕瑪泰公司研發(fā)并應(yīng)用于涂料固化行業(yè)。
該技術(shù)采用貴金屬、稀土氧化物、鈣鈦礦等為催化劑，天然氣在催化劑表面發(fā)生無(wú)火焰燃燒，能量幾乎完全以紅外輻射方式釋放；
特定波長(zhǎng)的紅外線與有機(jī)涂料分子共振，使涂料迅速升溫固化，燃燒能量得到最充分和最有效的利用。紅外固化與傳統(tǒng)熱風(fēng)固化方式相比，具有眾多優(yōu)點(diǎn)：
能源利用率高。紅外固化以輻射的形式直接作用于涂層，可減少熱量在傳遞過(guò)程中的損失；產(chǎn)生的紅外線波長(zhǎng)與粉末涂料吸收波長(zhǎng)匹配，而鋁基體幾乎不吸收，從而實(shí)現(xiàn)只加熱涂層而不加熱鋁基體的效果。
漆膜固化質(zhì)量高。紅外固化不需要快速循環(huán)風(fēng)，可減小空氣中粉塵的影響。
占地面積小。紅外線輻射固化加熱速度快，所需距離短，占地面積遠(yuǎn)小于熱風(fēng)循環(huán)烘箱。
環(huán)保。燃?xì)饧t外催化面板使可燃物在催化劑的作用下發(fā)生無(wú)火焰燃燒，產(chǎn)物為水和二氧化碳，沒(méi)有廢氣、粉塵等污染物排出。
固化時(shí)間短。紅外輻射加熱熱量直接作用于涂層，加熱速度快,傳熱效率高，可縮短漆膜固化時(shí)間，漆膜紅外線輻射固化時(shí)間約為熱風(fēng)循環(huán)加熱固化時(shí)間的1/2~1/10。
結(jié)合催化燃燒紅外輻射固化的眾多優(yōu)勢(shì)，其在輪轂涂裝領(lǐng)域有較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>
02試驗(yàn)材料與設(shè)備
實(shí)驗(yàn)所用材料、設(shè)備均為市面購(gòu)買或自制。
2.1 實(shí)驗(yàn)材料
Tab. 1實(shí)驗(yàn)所用材料
2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
催化燃燒紅外輻射固化烘箱、熱風(fēng)循環(huán)固化烘箱、差熱分析儀（DSC）、鹽霧試驗(yàn)箱、水浸試驗(yàn)箱、碎石沖擊試驗(yàn)臺(tái)、拉伸試驗(yàn)機(jī)。
03試驗(yàn)方法
3.1 粉末固化工藝
工藝1：鋁車輪→預(yù)處理→110℃烘干后備用。
工藝2：鋁車輪→預(yù)處理→噴涂透明粉→ 熱風(fēng)200℃固化38min。
工藝3：鋁車輪→預(yù)處理→噴涂透明粉→ 紅外200℃固化12min。
3.2 差熱分析儀測(cè)試程序
Tg1：20℃→10℃/min速率升溫至80℃→10℃/min速率升溫至250℃
Tg2：250℃→10℃/min速率降溫至20℃→恒溫1min至20℃→10℃/min速率升溫至150℃。
3.3 漆膜性能試驗(yàn)
3.3.1 附著力測(cè)試
參照GB/T 9286-1998。判定條件：特性值≤1
3.3.2 CASS試驗(yàn)
參照GB/T 10125-2012，氯化鈉含量：50 ± 5g/L，PH值：3.1-3.3，溫度：50 ± 2℃，噴鹽量：1.0-2.0ml/h，CuCl2·H2O含量：0.26 ± 0.02g/L；試驗(yàn)時(shí)間：168h。
判定條件：劃線處腐蝕寬度雙邊總和CMax≤3mm。
3.3.3 耐礫石沖擊試驗(yàn)
參照SAE J400(2012-10)試驗(yàn)方法，溫度：25±5℃，鵝卵石體積：0.5L，空氣壓力：(483±21)KPa，沖擊角度：90°，注射時(shí)間：(10±1)s。判定條件≥4B
3.3.4 耐水試驗(yàn)
參照GB/T 30648.2-2015，溫度：40±1℃浸泡240h，判定條件：二次附著力特性值≤1
04結(jié)果與討論
4.1外觀
圖片F(xiàn)ig. 1熱風(fēng)固化及紅外固化透明粉輪轂外觀對(duì)比
如Fig.1所示，工藝2熱風(fēng)固化與工藝3紅外輻射固化制作的透明粉輪轂外觀良好，均無(wú)明顯雜質(zhì)缺陷。
4.2 固化度
輪轂表面透明粉的固化程度是衡量催化燃燒紅外輻射固化工藝的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，透明粉完全固化是保證漆膜性能的前提條件。
4.2.1 爐溫曲線
Fig. 2 紅外固化過(guò)程中涂層溫度及空氣溫度
采用爐溫儀測(cè)試紅外固化設(shè)備正常工作狀態(tài)下輪心、輪輻及空氣溫度溫度變化曲線。
設(shè)置溫度200℃，加熱時(shí)間12min，測(cè)試結(jié)果分別如Fig. 1所示（紅色曲線代表輪緣溫度，藍(lán)色曲線代表輪心溫度，黑色曲線代表空氣溫度）。
結(jié)果顯示在紅外固化過(guò)程中輪緣溫度最高為203℃，輪心溫度最高為 181℃，空氣溫度最高約為167℃。
輪心溫度低于輪緣溫度是由于輪心處基體厚度較大從而吸收了較多的來(lái)自于涂膜的熱量所致，因此需將輪心設(shè)置為溫度基準(zhǔn)點(diǎn)，使得整個(gè)輪轂表面粉末涂層均可完全固化。
空氣溫度低于輪轂表面涂膜35℃左右，證明了紅外輻射能量主要作用于涂層，空氣吸收較少能量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源的目的。
4.2.2 DSC測(cè)試
試驗(yàn)結(jié)束后取出樣輪，刮取輪輻正面涂膜，進(jìn)行DSC測(cè)試以確定漆膜固化程度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)Fig. 3。
Fig. 3 紅外固化涂膜DSC結(jié)果
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是非晶高分子聚合物的重要參數(shù)，熱固性涂料發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)前后，Tg隨之變化，若反應(yīng)完全則對(duì)應(yīng)Tg不再發(fā)生變化。
工程上，ΔTg<2℃為判定涂層完全固化的標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示，Tg1=71.35℃，Tg2=72.79℃，ΔTg=Tg2-Tg1=72.79-71.35=1.44℃， DSC結(jié)果證明使用催化燃燒紅外輻射方式可使粉末涂料完全固化。
4.3 漆膜性能
對(duì)熱風(fēng)固化、紅外固化制作的輪轂進(jìn)行初始附著力初始、CASS試驗(yàn)、耐礫石沖擊試驗(yàn)和耐水試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)Tab. 2。
Tab. 2 漆膜性能結(jié)果
如Tab. 2所示，紅外固化方式得到的輪轂在初始附著力、CASS、耐礫石沖擊性能及耐水性能均與熱風(fēng)固化輪轂表現(xiàn)出了同等水平。
初始附著力0級(jí)，無(wú)涂層剝落，證明該固化方式得到的涂膜與基體結(jié)合力良好。CASS試驗(yàn)雙邊腐蝕寬度1.3mm，證明該固化方式得到的涂膜抗腐蝕性能優(yōu)異。
耐礫石沖擊試驗(yàn)評(píng)級(jí)4B，碎片規(guī)格1-3mm，數(shù)量50-74個(gè)，證明該固化方式得到的涂膜耐韌性較好，具有優(yōu)良的抗碎石打擊能力。
耐水試驗(yàn)后涂層表面無(wú)變化，證明該固化方式得到的涂膜抗水分子滲透能力較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)基體的較好保護(hù)。
4.4 材料性能結(jié)果
三種工藝輪轂各取根輪輻進(jìn)行抗拉強(qiáng)度（Rp0.2）、屈服強(qiáng)度（Rm）、延伸率（A）測(cè)試。將數(shù)據(jù)取平均值后，結(jié)果見(jiàn)Fig. 3。
Fig. 4 三種工藝下材料性能對(duì)比
如Fig. 4所示，經(jīng)熱風(fēng)固化后，輪轂的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均有一定提升，分別為37MPa、16Mpa。
與熱風(fēng)固化趨勢(shì)類似，紅外固化后輪轂的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度分別提升了44Mpa和18MPa。
涂料烘烤固化后，基體延伸率下降，熱風(fēng)固化工藝下降2.1%，紅外固化工藝下降2.2%。
與熱風(fēng)固化相比，紅外固化工藝對(duì)輪轂材料性能影響較小，同時(shí)增加了鋁合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，證明該工藝適用于輪轂涂層烘干固化。
05能耗分析
5.1 天然氣消耗
依據(jù)某輪轂生產(chǎn)車間所提供的粉末烘箱熱風(fēng)循環(huán)固化實(shí)際能耗及本紅外輻射固化烘箱能耗對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如Tab. 3所示。
Tab. 3熱風(fēng)固化與紅外固化能耗對(duì)比
為達(dá)到粉末完全固化，熱風(fēng)固化時(shí)間為38min，紅外固化為12min估算，熱風(fēng)固化所需線長(zhǎng)106m，紅外固化所需線長(zhǎng)33m，可節(jié)省約69%的占地空間；
熱風(fēng)固化天然氣消耗約為106m3/h，紅外固化天然氣消耗約為84m3/h，可節(jié)省約21%的天然氣消耗，若每天按運(yùn)營(yíng)24小時(shí)，每個(gè)月運(yùn)營(yíng)30天，天然氣價(jià)格按4元/m3計(jì)算，每年每個(gè)粉烘箱因燃?xì)夤?jié)省可獲得的經(jīng)濟(jì)效益如下：
燃?xì)夤?jié)省=22*24*30*12*4=760320 元/年
5.2 占地分析
熱風(fēng)固化烘箱有效長(zhǎng)度約為106m，紅外固化烘箱有效長(zhǎng)度約為33m，可節(jié)省約69%的占地空間；
熱風(fēng)固化冷卻段長(zhǎng)度約為47m，紅外固化由于直接作用于漆膜，輪轂本身溫度遠(yuǎn)低于漆膜溫度，紅外固化烘箱冷卻段約可節(jié)省約50%的空間，長(zhǎng)度約為24m。
熱風(fēng)固化烘箱有效總長(zhǎng)度約為153m，紅外固化烘箱有效總長(zhǎng)度約為57m，紅外輻射固化可節(jié)省約63%的占地空間。
06結(jié)論
（1）催化燃燒紅外輻射固化可得到外觀優(yōu)異的輪轂產(chǎn)品。
?。?）催化燃燒紅外輻射固化方式可實(shí)現(xiàn)透明粉末完全固化。
（3）催化燃燒紅外輻射固化得到的涂膜初始附著力、CASS、耐礫石沖擊、耐水試驗(yàn)均滿足性能指標(biāo)要求。
?。?）催化燃燒紅外輻射固化后輪轂延伸率與熱風(fēng)固化相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度優(yōu)于熱風(fēng)固化工藝。
?。?）相比于熱風(fēng)循環(huán)固化，催化燃燒紅外輻射固化可節(jié)省天然氣成本76萬(wàn)元/年，節(jié)省63%的占地空間
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