CN102341189B - 油漆固化的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种用于固化被施加到工件的油漆涂层的方法，包括施加辐射光能以固化工件的在辐射光能源的视线内的表面上的油漆涂层，以及向工件施加环境空气来固化工件的不在辐射光能源的视线内的表面上的油漆涂层。

Description

油漆固化的方法与装置

技术领域

本公开涉及汽车油漆施用和汽车油漆固化。

背景技术

这部分的叙述仅提供与本发明相关的背景信息并且可能不构成现有技术。

在汽车的组装过程中，希望为车身提供高质量面漆。面漆的质量改善了汽车的市场适销性，同时保护车身免受元件的伤害。

车身组装过程中的烤漆工艺是汽车组装油漆车间中的主要能量消耗工艺。用于烤漆的典型的面漆炉具有三个主要功能：（1）控制挥发性有机化合物（VOC）排放以及通过驱逐油漆溶剂或水来控制溶剂气味；（2）在成膜过程中达到面漆炉促进油漆流动和水平的外观质量；和（3）通过促进交联来固化油漆来提供耐用度。然而，面漆炉很大，尺寸范围达大约470英尺长，从而增加了制造成本同时限制了汽车组装油漆车间的空间。此外，面漆炉的操作与每年高能量消耗率相关联。公认为在汽车油漆车间里，面漆炉的操作在最高的能量消耗方面仅次于喷漆房。典型的汽车组装油漆车间使用两个到三个面漆炉。

发明内容

一种用于固化被涂覆到工件上的油漆涂层的方法，包括施加辐射光能量以固化在辐射光能量源的视线内的工件表面上的油漆涂层，以及对工件施加环境空气以固化不在辐射光能量源的视线内的工件表面上的油漆涂层。

附图说明

现在将通过举例参照附图来描述一种或多种实施方式，附图中：

图1示意性地例示根据本发明的一个实施方式的油漆施用过程；

图2示意性地例示根据本发明的油漆涂层的化学组合物，该油漆涂层可以通过有效的辐射光能以及低烘烤系统来固化；

图3例示根据本发明的以增加的波长顺序的电磁频谱的图形描述；

图4例示根据本发明的示出近红外光、短波长红外光以及中波长红外光的能量辐射的图形描述；

图5a-5d例示根据本发明的在使用包括近红外光、紫外光、中波红外光和感应加热的多种固化方法进行固化工件期间的化学反应的直观图；和

图6例示根据本发明的在环境固化站处使用环境空气固化工件期间的化学反应的直观图。

具体实施方式

现在参照附图，其中附图只是为了示出某些示范性实施方式而不是对其进行限制。图1示意性地例示根据本发明一种实施方式的油漆施用过程100。示范性的油漆施用过程100包括涂层站10、强热站12、固化过程20以及检查站18。固化过程20包括辐射固化站14和环境固化站16。在操作时，未涂饰的工件2被送至涂层站10，在这里，新的油漆涂层被施加到工件2上。在退出涂层站10时，已涂层的工件2首先被送到强热站12，然后被送到固化过程20的辐射固化站14和环境固化站16，从而基本上固化工件2。在完成固化过程20时，基本上被固化的工件2在检查站18被检查。

示范性的涂层站10包括喷漆房，在喷漆房，新的油漆涂层被施加到工件2。示范性的工件2为汽车，其中，新的油漆涂层被施加于汽车的内表面和外表面。然而，工件2并不限于汽车。新的油漆涂层包括油漆材料，该油漆材料具有使得油漆涂层能够被有效辐射光能（即，辐射固化站14）和低烘烤系统（即，环境固化站16）固化的化学复合物。希望油漆涂层基本上抗擦伤和碎屑、满足外观和暴露标准并且可适用于现有的施用方法（即，喷漆房）。

参照图2，根据本发明的示范性实施例，例示了示范性的油漆涂层200的化学复合物。油漆涂层200可通过有效的辐射光能（即，辐射固化站14）和低烘烤系统（即，环境固化站16）两者被固化或者硬化。有效的辐射光能可包括紫外光、近红外（NIR）光以及常规的具有短波长、中波长和长波长的红外光。类似地，低烘烤系统可包括在环境温度下的环境空气或者可额外吹入暖空气或者热空气来帮助促进固化过程和减少表干时间。油漆涂层200交联聚合物片段204和二氧化硅片段202，其中，每个聚合物片段204的每端都利用交联材料206与二氧化硅片段202相联。二氧化硅片段202是提供抗擦伤的硬片段，而聚合物片段204是软片段或者柔性片段，其提供结构整体性同时基本防止在固化过程20期间的裂化。应明白，示范性的油漆涂层200不应被局限于包括分别由聚合物和二氧化硅片段204和202交联的化学组合物，而是可包括任何能够由低烘烤系统和有效的辐射能固化的化学复合物。

如上所述，在新的油漆涂层在涂层站10被施加到工件2后，工件2被送至强热站12。强热站12包括用于从油漆涂层200驱出溶剂和水的强热过程。在辐射固化站14和环境固化站16固化之前，将溶液和水从油漆涂层驱出基本上减少了来自油漆涂层200的挥发性有机化合物（VOC）排放和溶剂气味。强热站12在本领域公知并且在此将不详细讨论。

如上所述，面漆炉由于尺寸和成本的限制以及操作面漆炉所需的高能耗可能不实用。出现了许多想法和构思以试图减少或者消除对喷漆炉的需求。这些想法大体归结于两种类别：（1）低烘烤喷漆系统和（2）有效的辐射光能固化系统。然而，单独使用低烘烤喷漆系统和有效的辐射光能固化系统来固化工件存在阻碍这些系统和方法替代面漆炉的缺点。例如，低烘烤喷漆系统消除了对面漆炉的需求，然而，在比期望的固化时间和表干时间更长的时间期间，外表面会吸引浮尘。辐射光能固化系统允许快速的固化时间，然而，达到不在提供辐射光能的辐射光能源视线内的表面，要求使用额外的设备或步骤，例如机器臂和等离子室来到达不在辐射光能源视线内的表面。图1中例示的以及在此公开的示范性固化过程20使用辐射固化站14（即，辐射光能固化系统）和环境固化站16（即，低烘烤喷漆系统）来基本上固化工件2，而没有包含单独使用上述系统中的一个时产生的缺点。

参照图3，例示了以增加的波长（λ）顺序的电磁频谱300的图形描述。电磁频谱包括伽马射线30、x射线32、紫外辐射34、可见光36、红外（IR）光38和无线电波40。紫外光34包括10纳米和0.38微米之间范围的波长。具有在0.8和1.5微米之间波长的近红外（NIR）光42与可见光频谱36和IR光频谱38的部分重叠。而IR光频谱38包括相应的短波长44和中波长46，其分别具有在1.2和2.0微米范围的波长。注意到短波IR光44在1.0和1.2微米之间的波长处与可见光36频谱重叠。

参照图4，根据本发明例示了能量辐射和NIR光42、短波IR光44和中波IR光46的波长关系的图形描述。纵坐标轴线表示能量辐射（MW/μm*m²），而横坐标轴线则表示波长（μm）。注意到NIR光42发射了比短波IR光44和中波IR光46更大量的能量，并且将显而易见的是，当使用NIR光42（或紫外光34）时，固化时间基本上比分别对于短波IR光44和中波IR光46来说更短。

在此将会更详细地描述的是，当辐射光能（即，紫外光34或NIR光42）被施加到油漆涂覆的（即，图2中所示的油漆涂层200）的工件2的表面上时，油漆内的分子在化学反应期间被交联并从而实现硬化的且基本上固化的状态。以光（例如，紫外光34或NIR光42）的形式的辐射能在固化工件2表面方面特别地优于面漆炉，因为光能提供减少的能量消耗，同时在油漆涂层上获得非常高的光泽水平。与在热烘烤过程（即，面漆炉）时的数分钟或数个小时相比，当使用紫外光34或NIR光42时，油漆涂覆的（即，图2所示的油漆涂层200）的工件2的整个交联在数秒内发生。当使用短波IR44或中波IR46时，油漆涂覆的工件2的交联在数分钟内发生。除了减少的能量消耗之外，通过使用紫外光能34或NIR光能42产生的快的固化时间的重要好处，是消除或者大幅减少在被基本上固化之前与被喷涂工件2的慢的表干时间相关联的浮尘收集。

参照图5a-5d，根据本发明，示出了例示在使用各种固化技术方法固化所涂覆工件2a-2d时在工件2a-2d的固化期间的化学反应的直观图。例示的固化技术包括NIR光42（图5a），紫外光34（图5b），中波IR光46（图5c）和感应加热（图5d）。

参照图5a，NIR光42从NIR灯542被投射到施加于工件2a的基材表面52a的油漆涂层29a上。油漆涂层29a包括数个布置其中的油漆分子204a。NIR灯542以直线向NIR灯542的视线50a内的表面投射NIR光42。在示范性例子中，NIR灯542的形状和尺寸被设计为固化整个汽车尺寸的工件2。在替代性实施方式中，数个NIR灯542可用于固化工件2a，其中每个NIR灯542可被配置为固化工件2a的一部分。如所示，NIR光42中的辐射基本上被油漆涂层29a吸收。NIR光42的吸收提供了NIR光42快速且均匀地穿透进入油漆涂层29a，从而在不像在常规的红外光辐射（即，图5c所示的中波IR光46）那样加热基材表面52a的情况下基本上固化工件2a的在NIR灯542的视线50a内的表面。如图4中的高能辐射所示，NIR光42的带宽能够在70秒或者接近70秒完成固化时间。注意到油漆涂层29a可包括能够通过NIR光42和低烘烤系统（即，环境固化站16）来被固化或硬化的油漆涂层200（见图2）的化学复合物。

参照图5b，紫外光34从紫外灯534被投射到施加于工件2b的基材表面52b的油漆涂层29b上。油漆涂层29b包括布置在其中的数个油漆分子204b以及数个光引发剂205b。紫外灯534以直线将紫外光34投射到紫外灯534的视线50b内的表面上。在示范性实施方式中，紫外灯534的形状和尺寸被设计为固化整个汽车尺寸的工件2b。在替代实施方式中，数个UV灯534可用于固化工件2b，其中每个UV灯534可配置为固化工件2b的一部分。当油漆涂层29b接收到紫外光34时，布置在油漆涂层29b中的数个光引发剂205b开始化学链式反应来促进数个油漆分子204b之间的交联，从而基本上固化工件2b的在UV灯534的视线50b内的表面。油漆涂层29b内的该化学链式反应可能在数秒内完成固化时间。注意到，油漆涂层29b可包括能够通过紫外灯34和低烘烤系统（即，环境固化站16）固化或硬化的油漆涂层200（见图2）的化学复合物。

参照图5c，中波IR光46从IR灯546被投射到施加于工件2c的基材表面52c的油漆涂层29c上。油漆涂层29c包括布置在其中的数个油漆分子204c。IR灯546以直线将中波IR光46投射到在IR灯546的视线50c内的表面上。在示范性的实施方式中，IR灯546的形状和尺寸被设计为固化整个汽车尺寸的工件。在替代性的实施方式中，数个IR灯546可用于固化工件2c，其中每个IR灯546可配置为固化工件2c的一部分。此外，基材表面52c通过传导被加热，并且只有油漆涂层29c的上表面通过中波IR光46被加热。通过传导加热油漆涂层29c的上表面以及基材表面52c可在25分钟或者接近25分钟完成油漆涂层29c的固化时间。注意到，油漆涂层29c可包括能够通过中波IR光46和低烘烤系统（即，环境固化站16）固化或硬化的油漆涂层200（见图2）的化学复合物。

NIR光42和紫外光43为固化辐射光能源（即灯542或534）视线内的表面的优选方法，因为和中波IR光46相比减少了固化和表干时间。

参照图5d，感应加热被应用于固化施加于工件2d的金属基材表面52d的油漆涂层29d。油漆涂层29d包括布置在其中的数个油漆分子204d。基材表面52d通过围绕基材表面52d的多个感应线圈54来电磁加热，其中热被油漆涂层29d吸收以基本上固化油漆涂层29d。工件2d可在数秒内被基本上固化。在例子中，感应加热可用于基本上固化施加于应用在车辆上的翻车保护架上，其中翻车保护架被感应线圈电磁加热，并且油漆涂层吸收热因此基本上固化油漆涂层。

回过头来参照图1，工件2在退出强热站12时进入示范性固化过程20的辐射固化站14。辐射固化站14所构思的示范性实施方式包括图5a和5b中所述方法所讨论的紫外光34或NIR光42的应用。为固化工件所构思的辐射光能的替代形式分别包括短波IR44和中波IR46；然而，这些形式的辐射光能是欠优的选，因为增加了表干时间和固化时间。额外于辐射光能，固化工件2的替代的能量形式包括感应加热（图5d）、氢轰击和电子束。应注意，以上形式的能量的任意组合可以组合地使用以助于工件2的固化。

如上所述，紫外光能34和NIR光能42两者分别被限制为固化工件2的在辐射光能源（即，UV灯534或NIR灯542）的视线内的表面，因为光是以直线行进的。例如，如果辐射光能（即，紫外光34或NIR光42）被汽车的其他面板阻挡，则包括门框或行李箱盖的背侧的汽车的内表面不能被固化。公知的，在机器臂上安装用于投射紫外光34或NIR光42的灯或者使用等离子紫外光34室来到达工件2的内部或隐藏表面。然而，这些解决方案可能增加成本并且减慢基本上固化工件2的过程循环时间。在此公开的示范性固化过程工艺20使用辐射固化站14，以通过将辐射光能（即，紫外光34或NIR光42）投射到工件2的外表面上来促进在被油漆的工件2的表面上的交联，从而实现减少的能量消耗和在工件2的外表面上的快速固化时间。然而，示范性的固化工艺20额外地使用环境固化站16来固化内表面，或者不在辐射光能源（即，UV灯534或NIR灯542）的视线内的表面，从而固化工件2。注意到，与外表面相比，在油漆的工件2的内表面上与环境固化相关联的慢的表干时间更少地受到浮尘收集。

在辐射光能源（即，图5a和图5b分别示出的NIR灯542或UV灯534）的视线内的工件2的外表面在辐射固化站14基本上固化时，工件2进入环境固化站16。通过使用环境温度下的环境空气，环境固化站16对工件2的在辐射固化站14没有被固化的表面进行固化。在环境温度固化工件2是有利的，因为内表面和在辐射固化站14未能接进的其他表面得到固化，同时避免了使用昂贵的设备（即，机器臂和等离子室）。在替代实施方式中，环境固化站16可吹入暖空气或热空气来帮助促进固化过程并且减少表干时间。

参照图6，根据本发明示出了例示使用环境空气60固化工件2e期间的化学反应的环境固化站16的直观图。被施加到工件2e的基材表面52e的油漆涂层29e通过在一段时间内使用环境空气60交联数个油漆分子204e来固化。例如，油漆涂层29e的全部固化可通过使用环境空气60在大约12到16小时出现。表干时间在大约或接近20到30分钟建立。然而，由于内表面不直接地暴露到浮尘，所以工件2不易于具有灰尘在油漆中的缺陷。应明白，油漆涂层29e可包括能够通过有效的辐射光能（即，环境固化站14）和在环境固化站16处的环境空气60来固化或硬化的油漆涂层200（见图2）的化学复合物。

参照图1、5和6，注意到与油漆涂层200（见图2）关联的示范性固化过程20使得工件2a-2d的外表面能够在数秒内被固化，并且使得在辐射固化站14处不容易到达的表面（即，内表面）在环境固化站16通过环境空气60来固化。因此，由于缓慢的表干时间，示范性的固化过程20消除或者基本上减少了在外观临界外表面上的浮尘和油漆中的灰尘的收集，同时，环境固化系统16消除了对使用昂贵设备的需求和对额外步骤来固化在更少外观临界内表面或不在辐射光能源（即，UV灯534或NIR灯542）的视线内的其他表面的需求。

在退出示范性固化过程20时，基本上被固化的工件2进入到检查站18。在检查站18，针对工件2中的擦伤、污点和缺陷进行检测基本上被固化的工件2。如果工件2的面漆符合工业标准，则工件2退出油漆施加过程100。如果工件2的面漆不符合工业标准（即，在工件2的面漆上找到缺陷或者工件没有被基本上固化），则工件2会被送回到涂层站10、强热站12、辐射固化站14或者环境固化站16来修复在检查站18处在工件2的面漆上所发现的任何缺陷。例如，被涂上面漆的工件2可为被确定出内门框的部分没有被涂上油漆的汽车。内门框的没有被涂上油漆的部分会被修复并且留在环境固化站16被固化直到基本上被固化。

本发明描述了某些优选实施方式和对其的修改。通过阅读和理解本说明书可能会发生另外的修改和替换。因此，意在本发明并非被限制在作为为实施本发明所构思的最佳模式所公开的具体实施方式，而是本发明将包括落入随附权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (7)

1.固化被施加到工件的油漆涂层的方法，包括：

在涂层站施加油漆涂层到所述工件的表面，所述油漆涂层能够由近红外辐射光能源和处于环境温度的环境空气固化并且由包括如下的混合物形成，i)提供结构整体性并防止在固化期间裂化的聚合物分子和ii)提供抗擦伤的二氧化硅分子，所述二氧化硅分子交联所述聚合物分子；

将所述工件送到强热站以便从所述油漆涂层驱出溶剂和水；

在从所述强热站退出后立即将所述工件送到具有近红外辐射光能源的辐射固化站，其中所述工件的表面的第一部分处于所述近红外辐射光能源的视线内，所述工件的表面的第二部分不处于所述近红外辐射光能源的视线内，并且仅所述第一部分上的油漆涂层被所述近红外辐射光能源固化，而第二部分上的油漆涂层未被所述近红外辐射光能源固化；和

在将所述工件送到所述辐射固化站后，将所述工件送到环境固化站，以仅使用处于环境温度的环境空气将所述第二部分上的油漆涂层固化。

2.权利要求1的方法，其中，所述工件包括汽车。

3.权利要求1的方法，其中，所述近红外辐射光能源为近红外灯。

4.权利要求1的方法，其中，所述近红外辐射光能源包括多个近红外灯，每个灯用于固化所述工件的一部分。

5.权利要求1的方法，其中，所述油漆涂层在环境温度下的表干时间少于25分钟。

6.权利要求1的方法，其中，所述油漆涂层在环境温度下少于16小时基本被固化。

7.在车辆组装油漆车间向车身提供面漆的方法，包括；

在所述车身上施加油漆涂层，所述油漆涂层能够由近红外辐射光能源和使用处于环境温度的环境空气固化并且由包括如下的混合物形成，i)提供结构整体性并防止在固化期间裂化的聚合物分子和ii)提供抗擦伤的二氧化硅分子，所述二氧化硅分子交联所述聚合物分子；

将所述车身送到强热站以驱出在所述车身上的所述油漆涂层中的溶剂和水；和

使用固化过程来固化所述车身上的所述油漆涂层，所述固化过程包括：

在从所述强热站退出后立即将所述车身送到具有近红外辐射光能源的辐射固化站，其中所述车身的表面的第一部分处于所述近红外辐射光能源的视线内，所述车身的表面的第二部分不处于所述近红外辐射光能源的视线内，并且仅所述第一部分上的油漆涂层被所述近红外辐射光能源固化，而第二部分上的油漆涂层未被所述近红外辐射光能源固化；和

在将所述车身送到所述辐射固化站后，将所述车身送到环境固化站，以仅使用处于环境温度的环境空气将所述第二部分上的油漆涂层固化。