CN108787378A - 一种用于人造板材表面的粉末涂料固化的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于人造板材表面的粉末涂料烘干固化的设备，其包括采用电加热中波红外辐射加热方式，能量密度为20‑35KW/平方米的高温区和采用低温催化燃烧天燃气中波红外辐射加热方式，能量密度为15‑17KW/平方米的恒温区。同时还涉及利用该设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，包括人造板材在高温区内加热45‑80秒，使表面的粉末涂料温度达到150℃后，人造板材由高温区送入至恒温区，保持人造板材表面的粉末涂料温度在130℃‑135℃之间并持续100‑160秒。该固化设备及方法克服了单纯用电加热或低温催化天然气红外辐射固化炉的缺点，保留了各自的优点，减少电力设备投资50％，能耗成本降低60％以上，粉末涂层在固化炉内3分‑3分30秒内完全固化。

Description

一种用于人造板材表面的粉末涂料固化的设备及方法

技术领域

本发明属于烘干固化设备领域，具体涉及一种用于人造板材表面的粉末涂料烘干固化的设备以及利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法

背景技术

人造板材是以天然木材、非木材植物、无机非金属材料为原料，经过机械加工分离成各种单元材料后，在施加或不施加胶粘剂的情况下将各单元材料与其他添加剂胶合而成的板材或模压制品，主要包括实木多层板、刨花板和中密度纤维板等。为了使人造板材的表层强度更高、使用寿命更长、外表更加美观，一般会对人造板材的表面进行喷油漆或者粉末喷涂装饰。

传统喷漆是采用压缩空气喷枪将油性涂料以雾状均匀喷涂在工件表面。油漆在人们的生活发挥着重要的作用，是现代社会不可缺少的，但是，全世界每年从油漆涂料中挥发出来排放到大气中的挥发性有机物(VOC)高达1000万吨，中国达到500万吨，是大气污染的主要来源。挥发性有机物(VOC)包括有害重金属元素；苯系物，如甲苯、二甲苯、苯等；有害物质，如游离甲醛、异氰酸脂、游离苯乙烯单体；乙二醇及乙二醇醚酯类；卤代溶剂类等，在室内达到一定浓度后，短时间内会令人们感到头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重时会出现抽搐、昏迷甚至死亡，并且会伤害到人体的肝脏、肾脏、大脑和神经系统，造成记忆力减退等严重后果。当人们长年累月暴露在VOC的工作环境下，即使低的VOC浓度下，对人体也会产生特异性的毒性，如过敏和癌症等。因此，世界各国政府纷纷出台了控制油漆涂料VOC的法律法规。欧盟有严格控制VOC的REACH法规和RoHS指令，美国有CARB法规，我国也出台了控制VOC的GB18581强制标准，旨在控制有害物质的国内首部儿童家具标也于2012年8月1日实施。随着地球环境污染形势日益严峻，人们的环保意识不断提高，VOC的排放控制将变得越来越严格，绿色环境友好型涂料将代替传统的溶剂型油漆涂料成为整个社会的共识。

当前世界上绿色环保涂料的最新发展趋势之一是使用粉末涂料喷涂。粉末喷涂通常是用静电喷塑机或其他喷粉设备把粉末涂料喷涂到工件表面，在静电作用下，粉末会均匀吸附于工件表面，形成粉末层，粉末层经过高温烤焗、流平、固化后形成最终涂层。与传统的喷漆工艺相比，整个工艺过程中也不使用有机溶剂，不会产生VOC释放问题。同时粉末本身不含重金属，无毒性，且粉末喷涂作业中未附着的粉末还可以回收再利用，无有害物排放，因而其是环保的工艺。此外通过粉末喷涂形成的涂层在机械强度、附着力、耐腐蚀性、耐老化性、成本等方法也都优于传统油漆涂层。

静电粉末喷涂工艺出现于20世纪60年代,最早是将粉末涂料应用于金属表面涂装，当固化温度在200度时，涂料几乎可100％使用，市场应用集中在汽车、家电、金属家具、建筑铝合金门窗等领域。进入20世纪90年代末,随着粉末涂料技术及喷涂设备的发展,可将静电粉末喷涂的固化温度降低到130-150度，而人造板材的耐温温度也可达到150度，这样使静电粉末喷涂工艺应用于非金属表面的人造板材的涂装在理论上成为可能。

对人造板材表面的粉末涂层进行烘干固化的效果，是决定板材表面漆膜性能，如光泽度、硬度和表面流平效果的关键因素之一。一方面，由于板材上、中、下各个层面密度不均匀，其侧面四条边部横截面内结合强度也不均一，横截面中间部位低、两侧高。在板材烘干加热时，尤其是当加热时间过长时，人造板侧面边部易发生膨胀，大量气体从边部逃逸，造成人造板材侧面四条边部出现开裂、起泡现象。由此造成产品不能满足合成板材表面装饰的要求，导致了人造板材粉末喷涂的成品率较低。另一方面，由于人造板材的热导率很低，因此烘干固化设备的设计需要使得人造板材的温度能够平均的分配，目前的烘干固化设备需要在至少180℃的温度下烘干较长的时间，而粉末涂料反应速度快，固化时间短，在较高的温度下烘干固化会导致没有足够的时间进行表面流平，从而影响板材表面漆膜的光泽度和视觉效果。

目前已经公开的人造板粉末涂料固化设备按加热方式基本上可分为两种。第一种是采用电加热中波红外辐射的固化设备。目前在国内已经有商业化应用，如中国专利CN102319660A中公开了一红利用红外线灯管加热的中密度纤维板粉末喷涂打样炉。电加热红外辐射具有输出稳定、升温速度快、温度易于控制的优点，但是电加热红外辐射炉所需的电力装机容量大，电加热红外辐射灯管使用寿命不到30000小时，导致电力设备投资大、维护费用高、使用能耗高，目前人造板粉末涂装一次的加热能耗成本达到人民币15-20元/平方米。第二种是采用天然气催化燃烧红外辐射的固化设备。该技术最早应用于金属基材表面的粉末涂料烘干固化，目前在国内也已经有商业化应用，如中国专利CN205701356U中公开了一种天然气催化红外辐射的烘干固化装置，将其应用在汽车零配件的生产加工中。但该装置在人造板喷粉上的应用在世界上仍处于研究实验阶段，还没有商业化应用的案例。天然气催化燃烧温度在100-400℃，没有火焰，没有光能的消耗，能量利用率高，人造板粉末喷涂一次的加热能耗成本只有电加热红外辐射器的40％，具有显著的节能效果。虽然低温天然气催化燃烧红外技术有以上优点，但其缺点也是非常明显。该技术的红外输出能量密度较电加热方式低，升温速度较慢，并且输出的稳定性差，不易控制，而人造板材的热导率低、板材侧边易开裂、起泡的特点，限制了该技术在在人造板喷粉上的应用。

本发明人经过多年的实验，从用于人造板材的粉末涂料中的主要成分入手，分析发现粉末涂料中的主要成分聚酯树脂和环氧树脂易于吸收的红外波长在3-6微米，并且其反应固化过程可分为两个阶段。第一个阶段是启动化学反应的45-80秒的初始阶段，在这个阶段中需要高强度的红外辐射能量，使板材在较短的时间内温度快速上升，达到粉末涂料开始交联固化的零界点。化学反应启动之后为第二个阶段，即反应阶段，在100-160秒时间内，粉末涂料已开始激烈的化学反应，由于反应过程中释放热量的原因，维持反应所需的红外辐射能量要求较低。

根据粉末涂层固化机理，本项目创新开发的固化设备将固化反应炉分为以电加热红外辐射的高温段和以低温燃气催化燃烧红外辐射的恒温段，在固化炉的初始段使用电加热中波红外辐射管，红外辐射能量密度每平方米达到20-35KW，使人造板粉末涂层快速升温，粉末涂层温度在1分20秒内达到150℃，快速启动涂层固化化学反应；在启动粉末涂层固化化学反应后阶段使用低温催化燃气燃烧中波红外辐射器，粉末涂层温度维持在130℃时间在2分40秒完成化学反应。新设计的固化设备克服了单纯用电加热或低温催化天然气红外辐射固化炉的缺点，保留了各自的优点，减少电力设备投资50％，能耗成本降低60％以上，粉末涂层在固化炉内3分-3分30秒内完全固化，并且固化过程中低温催化燃烧天然气不会产生氮氧化物，并且还可将由人造板材散发到空气中的VOCs部分分解，是很清洁的粉末涂料固化方式。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的以上不足和对人造板材的粉末涂料反应机理的研究和实验，提供了一种用于人造板材表面的粉末涂料烘干固化的设备及方法。具体内容如下：

一种用于人造板材表面的粉末涂料烘干固化的设备，其特征在于包括采用电加热中波红外辐射加热方式，能量密度为20-35KW/平方米的高温区和采用低温催化燃烧天燃气中波红外辐射加热方式，能量密度为15-17KW/平方米的恒温区。

本发明还在于高温区为左右两侧排布有电加热中波红外辐射管的隧道炉，每侧辐射管与人造板材相对表面之间的距离100-250mm，人造板材的停留时间为45-80秒，板材表面的粉末涂料温度被加热到150℃以上。

本发明还在于恒温区为左右两侧排布有低温催化燃烧天然气红外辐射板的隧道炉，每侧辐射板与人造板材相对表面之间的距离150-250mm，人造板材的停留时间为100-160秒，板材表面的粉末涂料温度维持在130℃-140℃。

本发明还在于电加热中波红外辐射管固定在支架上，支架底部安装有滚轮或滑动轨道。

本发明还在于两侧相向放置的支架中间设置有一条电动无级调速链条传动的悬挂线，用来输送人造板材。

本发明还在于在隧道炉的两侧，位于支架与隧道炉壁之间设置有风道，循环空气及补充的新鲜空气被送入风道后，通过风道上均匀布置的出风口水平吹向支架。

本发明还在于在隧道炉顶部设置有排风风机和与其连接的排风管，在隧道炉的底部设置有补风风机和与其连接的补风管。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于人造板材在高区内加热45-80秒，使表面的粉末涂料温度达到150℃以上。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于人造板材表面的粉末涂料温度达到150℃以上后，人造板材由高区送入至恒温区，保持人造板材表面的粉末涂料温度在130℃-140℃之间并持续100-160秒。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于通过温度探头监测隧道炉内的空气温度，通过炉温跟踪仪或红外枪监测人造板涂层的表面温度。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于当炉内温度过高时，打开补气风机和排气风机，通过加大炉内空气置换率来降低炉温。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于所述的人造板材为胶合板、实木多层板、刨花板或中密度纤维板。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于所述的粉末涂料通过静电喷涂的方式涂布在人造板材的表面。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于所述的粉末涂料包括如下重量百分比的组分：含羧酸基酸值25-80mgKOH/g的无定型聚酯树脂20-60％和双酚A型环氧当量在200-1000g/当量的环氧树脂15-50％，并添加有四丁基溴化铵、2-苯基咪唑啉、溴化乙基三苯基鏻复合催化剂0.5-5％，脱气剂1.5-5％，丙烯酸酯共聚物流平剂2-10％。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于静电喷涂粉末涂料之前先对人造板材进行预热，使表面涂层温度达到60-100℃。

一种利用以上设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于利用中波红外辐射预热单元进行预热，中波红外辐射预热单元为左右两侧排布有低温催化燃烧天然气红外辐射板的隧道炉，预热炉辐射能量密度8-10kw/平方米。

附图说明

图1是本发明的设备结构示意图

图2是本发明的设备的隧道炉内部结构示意图

图3是本发明的设备的空气管路示意图

图4是本发明的设备的A-A剖面结构示意图

图中：1、隧道炉；2、电加热中波红外辐射管或低温催化燃烧天然气红外辐射板；3、支架；4、滚轮或滑动导轨；5、悬挂线；6、人造板材；7、高温段；8、恒温段；9、补风风机；10、补风管；11、排风管；12、排风风机；13、风道

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将会参照附图进一步描述本发明的具体实施方式。

实施例1

进行完表面预处理后的中密度纤维板进行粉末静电喷涂涂装后采用红外辐射固化。使用的粉末涂料包括如下重量百分比的组分：含羧酸基酸值25-80mgKOH/g的无定型聚酯树脂50％和双酚A型环氧当量在200-1000g/当量的环氧树脂40％，并添加有四丁基溴化铵、2-苯基咪唑啉、溴化乙基三苯基鏻复合催化剂重量份2％，脱气剂PE蜡3％，丙烯酸酯共聚物流平剂5％。在此阶段，人造板材将依次通过由人造板表面中波红外预热单元、人造板静电喷涂单元、人造板电加热中波红外辐射高温区、人造板低温催化燃烧天燃气中波红外辐射恒温区等四个子单元组成的人造板静电喷粉涂层固化生产单元。四个子单元的核心设备左右两侧中心线在一条水平直线上，并共用一条闭环电动无级调速链条传动的悬挂线输送人造板材完成四个子单元的全部生产操作。人造板表面红外预热单元是采用左右两侧排布低温催化燃烧天然气红外辐射板为辐射源的隧道炉，预热炉辐射能量密度8kw/平方米，预热隧道炉两侧低温催化燃烧天然气红外辐射板与悬挂线上人造板材对应的两表面之间的距离在200mm，人造板材在预热隧道炉里停留时间2分钟，完成预热后悬挂线上人造板表面温度要达到80℃、使人造板材内部的水份蒸发到人造板材表面以提高人造板表面的导电率。人造板静电喷涂单元采用市场通用的大旋风PP塑料静电喷粉房，粉房两侧有自动静电喷枪和人工手动枪，静电喷粉房长度4米、带有自动供粉中心、可以快速换色；人造板中波红外辐射高温区是采用左右两侧排布电加热中波红外辐射管为辐射源的隧道炉，如图1中所示，该隧道炉1包括四周围合的炉壁，在炉内左右两侧对称设置有将电加热中波红外辐射管2竖直安装于其上的支架3，支架下方安装有滚轮或滑动导轨4，高温炉辐射密度35kw/平方米，左右两侧电加热红外辐射管与悬挂线上人造板材对应的两表面之间的距离在100mm；人造板中波红外辐射恒温区是采用低温催化燃烧天然气中波红外辐射板为辐射源的隧道炉，隧道炉及辐射板的布置方式也按照图1中所示与辐射管的布置方式相同。恒温炉辐射能量密度为15kw/平方米，两侧低温催化燃烧天然气中波红外辐射板与悬挂线上人造板材对应的两表面之间的距离200mm。如图3中所示，隧道炉顶部设置有排风风机和与其连接的排风管，在隧道炉的底部设置有补风风机和与其连接的补风管。人造板表面经过预热后进入静电喷粉房，两侧带有的自动静电喷枪对人造板表面进行粉末涂料静电喷涂，喷涂完成后涂层厚度为80微米，人造板材表面粉末涂料均匀覆盖、平整没有瑕疵，不能露底、厚度均匀。喷涂后的人造板材进入高温区后利用电加热中波红外辐射管进行快速升温，大约停留时间60秒后，人造板表面粉末涂层温度达到155℃，保证粉末涂层快速融化，获得启动粉末涂层化学反应所需要的能量。表面涂层固化反应已经开始的人造板材接下来进入到恒温区，并利用低温催化燃烧天然气中波红外辐射板稳定补充维持粉末涂层化学反应所需要的最少能量，保持悬挂线上人造板表面涂层温度为130℃、120秒后完成固化。高温区或恒温区的隧道炉炉内温度过高时，可打开补气风机9和排气风机12，通过加大炉内空气置换率来降低炉温，也可通过滚轮或移动滑轨4来调节中波红外辐射源与人造板材表面之间的距离，从而减低表面涂层的温度。

实施例2

对进行完表面预处理后的人造板材进行粉末静电喷涂涂装后采用红外辐射固化。使用的粉末涂料包括如下重量百分比的组分：含羧酸基酸值25-80mgKOH/g的无定型聚酯树脂40％和双酚A型环氧当量在200-1000g/当量的环氧树脂40％，并添加有四丁基溴化铵、2-苯基咪唑啉、溴化乙基三苯基鏻复合催化剂重量份5％，脱气剂PE蜡5％，丙烯酸酯共聚物流平剂重量份10％。在此阶段，人造板材将依次通过由人造板表面中波红外预热单元、人造板静电喷涂单元、人造板电加热中波红外辐射高温区、人造板低温催化燃烧天燃气中波红外辐射恒温区等四个子单元组成的人造板静电喷粉涂层固化生产单元。四个子单元的核心设备左右两侧中心线在一条水平直线上，并共用一条闭环电动无级调速链条传动的悬挂线输送人造板材完成四个子单元的全部生产操作。人造板表面红外预热单元是采用左右两侧排布低温催化燃烧天然气红外辐射板为辐射源的隧道炉，预热炉辐射能量密度10kw/平方米，预热隧道炉两侧低温催化燃烧天然气红外辐射板与悬挂线上人造板材对应的两表面之间的距离在180mm，人造板材在预热隧道炉里停留时间2分钟，完成预热后悬挂线上人造板表面温度要达到100℃，保证板材的水份含量不超过9％，使人造板材内部的过多的水份被蒸发出来。人造板静电喷涂单元采用市场通用的大旋风PP塑料静电喷粉房，粉房两侧有自动静电喷枪和人工手动枪，静电喷粉房长度4米、带有自动供粉中心、可以快速换色；人造板中波红外辐射高温区是采用左右两侧排布电加热中波红外辐射管为辐射源的隧道炉，如图1中所示，该隧道炉1包括四周围合的炉壁，与实施例1中所不同的是，电加热中波红外辐射管2呈卧式固定在支架上，并于水平方向呈30度角，从而避免照射时产生死角支架下方安装有滚轮或滑动导轨4，高温炉辐射密度为35kw/平方米，左右两侧电加热红外辐射管与悬挂线上人造板材正反两表面之间的距离在100mm；人造板中波红外辐射恒温区是采用低温催化燃烧天然气中波红外辐射板为辐射源的隧道炉，人造板中波红外辐射恒温区是采用低温催化燃烧天然气中波红外辐射板为辐射源的隧道炉，隧道炉及辐射板的布置方式也采用卧式的安装方式固定在支架上，方向水平。恒温炉辐射能量密度为17kw/平方米，两侧低温催化燃烧天然气中波红外辐射板与悬挂线上人造板材正反两表面之间的距离200mm。高温区和恒温区中的辐射源和支架的布置方式如图2中所示。人造板表面经过预热后进入静电喷粉房，两侧带有的自动静电喷枪对人造板表面进行粉末静电喷涂，喷涂完成后涂层厚度为80微米，人造板材表面粉末涂料均匀覆盖、平整没有瑕疵，不能露底、厚度均匀。喷涂后的人造板材进入高温区后利用电加热中波红外辐射管进行快速升温，大约停留时间80秒后，人造板表面粉末涂层温度达到160℃，保证粉末涂层快速融化，获得启动粉末涂层化学反应所需要的能量。表面涂层固化反应已经开始的人造板材接下来进入到恒温区，并利用低温催化燃烧天然气中波红外辐射板稳定补充维持粉末涂层化学反应所需要的最少能量，保持悬挂线上人造板表面涂层温度为130℃、160秒后完成固化。整个固化过程中通过温度探头监测隧道炉内的空气温度，通过炉温跟踪仪或红外枪监测人造板涂层的表面温度。高温区或恒温区的隧道炉炉内温度过高时，可打开补气风机9和排气风机12，通过加大炉内空气置换率来降低炉温，也可通过滚轮或移动滑轨4来调节中波红外辐射源与人造板材表面之间的距离，从而减低表面涂层的温度。

以上的记载描述了本发明的基本原理、技术特点和有益效果。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (16)

1.一种用于人造板材表面的粉末涂料烘干固化的设备，其特征在于包括采用电加热中波红外辐射加热方式，能量密度为20-35KW/平方米的高温区和采用低温催化燃烧天燃气中波红外辐射加热方式，能量密度为15-17KW/平方米的恒温区。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于高温区为左右两侧排布有电加热中波红外辐射管的隧道炉，每侧辐射管与人造板材相对表面之间的距离100-250mm，人造板材的停留时间为45-80秒，板材表面的粉末涂料温度被加热到150℃以上。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于恒温区为左右两侧排布有低温催化燃烧天然气红外辐射板的隧道炉，辐射板与人造板材相对表面之间的距离150-250mm，人造板材的停留时间为100-160秒，板材表面的粉末涂料温度维持在130℃-140℃。

4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于电加热中波红外辐射管或低温催化燃烧天然气红外辐射板固定在支架上，支架底部安装有滚轮或滑动轨道。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于两侧相向放置的支架中间设置有一条电动无级调速链条传动的悬挂线，用来输送人造板材。

6.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于在隧道炉的两侧，位于支架与隧道炉壁之间设置有风道，循环空气及补充的新鲜被送入风道后，通过风道上均匀布置的出风口水平吹向支架。

7.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于在隧道炉顶部设置有排风风机和与其连接的排风管，在隧道炉的底部设置有补风风机和与其连接的补风管。

8.一种利用如权利要求1-7之一所述设备对人造板材表面的粉末涂料烘干固化的方法，其特征在于人造板材在高温区内加热45-80秒，使表面的粉末涂料温度达到150℃以上。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于人造板材表面的粉末涂料温度达到150℃以上后，人造板材由高温区送入至恒温区，保持人造板材表面的粉末涂料温度在130℃-140℃之间并持续100-160秒。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于通过温度探头监测隧道炉内的空气温度，通过炉温跟踪仪或红外枪监测人造板涂层的表面温度。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于当炉内温度过高时，打开补气风机和排气风机，通过加大炉内空气置换率来降低炉温。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述的人造板材为胶合板、实木多层板、刨花板或中密度纤维板。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述的粉末涂料通过静电喷涂的方式涂布在人造板材的表面。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述的粉末涂料包括如下重量百分比的组分：含羧酸基酸值25-80mgKOH/g的无定型聚酯树脂20-60％和双酚A型环氧当量在200-1000g/当量的环氧树脂15-50％，并添加有四丁基溴化铵、2-苯基咪唑啉、溴化乙基三苯基鏻复合催化剂0.5-5％，脱气剂1.5-5％，丙烯酸酯共聚物流平剂2-10％。

15.如权利要求8所述的方法，其特征在于静电喷涂粉末涂料之前先对人造板材进行预热，使表面涂层温度达到60-100℃。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于利用中波红外辐射预热单元进行预热，中波红外辐射预热单元为左右两侧排布有低温催化燃烧天然气红外辐射板的隧道炉，预热炉辐射能量密度8-10kw/平方米。