2.2 涂料干燥固化方法
涂料的成膜过程就是涂层的固化过程，对溶剂型涂料俗称涂料的干燥。涂膜的固化方法可分为自然干燥、加热干燥和辐射固化三种方式，如图2-2所示。
图2-2 涂膜的三种干燥固化方式
无论是采用上述哪种干燥固化方式，涂膜施工时最好是在具备下列条件的环境中进行：
1）烘干室内或自干场所要清洁无灰尘。
2）空气要流通。在自干和烘干室中，空气流动有利于涂膜的干燥固化，但空气的流动速度要适度。
3）温度应符合涂料干燥的技术要求，过高和过低都会影响干燥效率和涂膜质量。
4）一般要在前一层涂膜干燥程度适宜后再涂后二层涂料。
5）自干和烘干室中可以设置排风装置，使得涂膜中挥发出的VOC（挥发性有机化合物）在局部不超过一定的浓度，以保证安全生产，提高涂膜的质量。
2.2.1 自然干燥
因为是放置在大气环境中常温下干燥，所以自然干燥只适用于挥发型涂料、自干型涂料和触媒聚合型涂料。涂膜自干速度与气温、湿度和风速等有关，一般在气温高、湿度低、通风条件好的场所自干速度快，光照对涂料的自干也有利。若是在湿度高、通风差和黑暗的场所，干燥就较慢。
温度高时溶剂的挥发速度快，氧化、聚合等涂料固化反应的速度也会随温度的升高而加快。因此，涂料自干场所的气温增高有利于涂料的干燥。一般要求自干场所的温度在5℃以上。
环境湿度大会抑制溶剂的挥发，干燥慢。另外，湿度高时，随着溶剂的挥发，被涂物表面冷却，从而使空气中的水蒸气冷凝，容易造成涂层泛白。所以，要求涂料自干场所的空气湿度要低，一般要求相对湿度不大于80%。
通风有利于涂料中溶剂的挥发和溶剂蒸气的排除，并能保证自干场所的安全。阳光中的紫外线对氧化聚合型涂料的自干有促进作用。
必须指出，自然干燥并不是指被涂物在露天场所自然晾干。自然干燥同样需要采取一定的措施来确保施工符合环保、消防和劳动卫生的法规。
2.2.2 加热干燥
加热干燥可分为加热烘干和强制干燥。加热烘干是指加热只能在一定温度下固化的涂料，使其完全成膜。加热烘干常用的温度一般在120℃以上。强制干燥是指加热能自然干燥的涂料，目的是缩短涂料的干燥时间，提高涂层的性能。强制干燥一般采用低温固化，固化温度为60～100℃。
加热干燥（烘干）可分为低温烘干、中温烘干和高温烘干。低温烘干温度为100℃以下，中温烘干温度为100～150℃，高温烘干温度为150℃以上。强制干燥一般采用低温，温度一般在100℃以下，最高不超过110℃。例如，硝基涂料的加热干燥条件为60～80℃，10～30min；醇酸树脂涂料的加热干燥条件为90～110℃，30～60min；丙烯酸树脂涂料的加热干燥条件为120～140℃，20～40min；环氧粉末涂料的加热干燥条件为170～190℃，20～30min；一般水性电泳涂料的加热干燥条件为170～190℃，20～40min。必须注意的是：涂料固化要求中的“温度”指的是涂层表面温度或涂层底材的温度，而非烘干环境的温度。受热相对容易变形的塑料和木材的烘干温度一般为60～80℃，金属制品的烘干温度为80～300℃。
1.对流式干燥
对流加热是指以热空气为媒介，通过对流方式将热量传递给工件涂层，以使其干燥固化并形成涂膜。这种方式的优点是加热均匀、温度控制精度高，适用于高质量的涂层、形状和结构复杂的被涂物烘干，因此是涂膜烘干的主要方式。但升温速度慢和热效率低，涂层比较容易形成针孔。
对流烘干室有很多种形式。其主要结构有室体加热系统、布风装置和温度控制系统。加热系统由电热元件、布风板、空气过滤器和循环通风机等部件组成。温度控制系统可调整循环热空气的进气量和热风温度，采用电加热时则可调节加热功率的大小。图2-3所示为对流式干燥设备示意图。
图2-3 对流式干燥设备
1—布风板 2—电热元件 3—电烘箱箱体 4—电控箱 5—进风管 6—排潮口 7—循环装置
2.辐射式干燥
辐射加热通常采用红外线和远红外线。红外线和远红外线从热源辐射出来后呈电磁波形式传导，辐射到物体后直接被吸收而转换成热能，从而使涂膜和底材同时加热。辐射加热升温速度快，热效率和烘干效率高。但对结构复杂的工件，其温度均匀性不易保证。
红外加热和热风加热相比，具有以下优点：
1）红外线具有穿透性，能使物体内外同时加热；热风干燥时只能从被加热物体的表面向内部逐渐传送。因此，红外线加热更易达到内外温度均一的效果。
2）红外线单位面积的热传输量大，故红外炉的尺寸远小于传统的热风炉，组合安装方便。
3）红外线直接辐射加热，故热效率良好，再加上内外同时加热，可大大缩短干燥时间。
4）红外线可局部加热。能直接加热被涂物，减少加热范围，故可以节省能源，也可提供舒适的作业环境。
5）红外线温度控制容易而迅捷，并具有安全性。
远红外线干燥技术优点如下：
1）干燥速度快，只需热风干燥时间的1/10。
2）建设费用低。烘道大大缩短，节约费用。
3）节约能源。它不需要通过介质加热，所以热损失小，热效率高。
4）干燥的质量好。被加热的物体内外同时吸收辐射线，加热均匀，里外一致。
3.电感应干燥
电感应干燥的基本原理是利用电感应作用，使电能转变为热能。优点是加热效率高，热量是在被涂物体本身发热产生，涂层干燥由基体下开始，使涂料中的溶剂完全散逸，因而缩短了干燥时间，并使形成的涂膜更为坚固。缺点是有照射盲点，只适合形状简单的被涂物固化，照射装置的价格高，安全管理需严格。
电感应干燥的具体操作工序是将已涂覆好的金属工件放在线圈里面，线圈通交流电，电流通过线圈使其周围产生磁场，从而使被涂工件受热，加热的温度可由电流强度的大小及工件在磁场中停留的时间来调节，一般烘干温度可达250～280℃。
2.2.3 涂料的固化过程
烘干室中的涂层在固化过程中，工件涂层的温度随时间而变化，通常分为升温、保温和冷却三个阶段。涂层固化温度曲线如图2-4所示。
图2-4 涂层固化温度曲线
1—工作温度 2—烘干室空气温度 3—溶剂挥发率
涂层从室温升至所要求的烘干温度为升温阶段，所需时间为升温时间，一般为5～10min。涂层达到所要求的烘干温度后，恒温延续时间称为保温阶段，所需时间为保温时间。涂层温度从烘干温度开始下降，至到达烘干室出口端区域的温度为冷却阶段，所需的时间称为冷却时间，一般指烘干室的出口段区域。
从检测方面来说，涂层的固化过程可分为3个阶段：
（1）触指干燥 手指轻触涂层感到发黏，但涂料不黏附在手指上。
（2）半硬干燥 手指轻压涂层不感到发黏，涂料不黏附在手指上。
（3）完全干燥 手指轻压涂层也不残留指纹。
更为细致的涂层固化程度区分见表2-2。
表2-2 涂层固化程度的区分
2.2.4 辐射固化
辐射固化法是利用紫外线（UV）、电子束（EB）、远红外线辐射，使不饱和树脂涂料中的活性官能团快速聚合的方法。该方法硬化速度很快。其中，紫外线固化技术的应用近期得到了较大的发展。
1.紫外线（UV）固化的优点
1）涂层性能优异。UV涂料（聚氨酯紫外线固化涂料）固化后的交联密度高于热烘型涂料，故涂层在硬度、耐盐雾、耐酸碱、耐磨、耐汽油等有机溶剂各方面的性能指标均较高，特别是其漆膜丰满、光泽度突出。
2）常温固化。很适用于热敏感性材料制备的工件的涂装，很少产生热变形。
3）涂装设备故障低。因为UV涂料没有紫外线辐射就不会固化，所以不会堵塞和腐蚀设备。涂覆工具和管路清洗方便，设备故障率低。
4）环境污染小。UV涂料VOC含量很低，是公认的绿色环保工艺。
5）固化速度快，效率高。使用UV涂料的效率是传统烘干型涂料的15倍。UV固化机理属自由基的链式反应，交联固化可在瞬间完成，所设计生产流水线速度最高可达100m/min，工件下线即可包装。
6）节省能源。UV涂料靠紫外线固化，一般这种生产线的能耗约为传统烘干型热固化涂料的1/5。
7）固化装置简单，易维修，加上与之相关的设备总体比传统涂料设备占用的空间小，故设备投资低。
2.电子束（EB）固化的特点
电子束固化在常温下进行，不需加热，固化深度可达400～500μm。电子束辐射线由于能量高、穿透力强，可用于色漆的快速硬化，硬化时间只需几秒钟。其缺点是有照射盲点，只适合形状简单的工件。此外，电子束辐射固化设备投资大，安全管理较为严格。
3.远红外线辐射固化的特点
1）加热速度快。远红外线辐射烘干可直接将热源传递到被加热物体上，不需中间媒介，故没有因中间介质引起的热损耗。
2）在辐射固化过程中，远红外线一部分被漆膜吸收，另一部分透过漆膜至工件基底，漆膜与基底表面之间产生热交换，使热传导方向与溶剂蒸发方向一样，可以避免产生像对流干燥过程中易产生的从里到外的针孔、气泡、桔皮等缺陷。
3）固化时间短、速度快，设备长度短，结构较对流烘干设备简单，制造安装方便，占地面积小。
4）涂层受加热器周围的热空气影响，工件各表面距离辐射加热器的远近会明显影响其涂层成膜速度。
5）由于烘干室高度大，挂件涂层的上部主要是受空气对流加热作用，下部是受远红外线辐射加热作用，易产生工件涂层上下部不能同时固化的问题。
6）适用于各类油性及水性烘漆涂层的加热固化，尤其适合粉末涂料的固化。
7）对于形状简单、高度较小的薄壁冲压件漆膜的各类烘干固化尤其适用。对于形状复杂的工件，若照射阴影较严重，会产生工件涂层干燥不均匀的问题。对筐装重叠的工件，干燥效果更差。
2.2.5 热风循环固化
1.热风循环固化的特点
对流传热是流体流过固体壁面所发生的热量传递。对流传热过程不仅包括流体位移所产生的对流作用，也包括分子之间的传导作用，是一个很复杂的传热现象。热风循环固化是利用对流传热的原理对工件涂层进行加热固化的方法。它是利用热空气作为载热体，通过对流的方式将热量传递给工件涂层，使涂层得到固化的。
热风循环固化与其他固化方法相比，有以下优点：
1）固化温度的范围较大，能满足大部分涂料的固化要求。
2）烘干加热均匀，可有效保障涂层质量的一致性。
3）设备使用管理和维护比较方便。
2.热风循环固化的适用范围
热风循环固化是工件涂层固化技术中应用最广泛的方式，它适合各种不同形状、各种尺寸和各种不同颜色涂层的固化，尤其适合形状复杂的工件及不同颜色的涂料涂层的固化。使用蒸汽作为热源时，适合温度在100℃以下的涂层烘干；使用燃气、燃油或电能作为热源时，适合各种烘干温度的涂层固化。不足之处是热风循环设备结构庞大，占地面积大，对防尘的要求较高。