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红外线辐射加热

5.1 认识红外线

红外线也是一种电磁波，可以辐射传热。辐射传热不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换，即发射时从热能转换为辐射能,而吸收时又从辐射能转换为热能。电磁波的波长包括零到无穷大的范围，整个波谱范围内的电磁波命名如图3。但实际有意义的热辐射波长位于0.1~100μm之间，且大部分能量位于红外区的0.78~20μm范围内。我国GB/T18497-2019工业加热用电红外发射器的特性，将红外加热器分短波红外Shortwave IR(0.78~2μm)、中波红外Mediumwave IR(2~4μm)、长波红外Longwave IR(＞4μm)三类如图4。各个行业对红外线的划分方法也许有不同。红外线是不可见光，人眼无法观察到。

图3 电磁波的波谱

图4  红外线的波谱范围分类

5.2 红外线加热

红外线加热技术已经十分成熟。红外线加热的特点是安全、环保；传热无需依托空间介质，无接触方式将能量传递；具有强烈的方向性，加热速率高，能控制局部或者全部加热材料；灵活控制热量输出，热惯性小。

红外线加热的原理是：当与红外线匹配的物体，受到波长连续变化的红外线照射时，其分子、原子吸收了某些波长的辐射能后，振动和转动加速，不仅会产生能级从基态到激发态的跃迁，也增强了以平衡位置为中心的各种运动的幅度，偶极矩（正、负电荷的中心距离与电荷中心所带电量的积）增大，质点的内能增加。微观结构质点运动加剧的宏观反映就是物体温度升高，所以，物体吸收红外辐射能后就快速加热。

红外线的能量用波数表示，而不是波长或频率。当用cm作为波长单位时，波数定义为波长的倒数。短波红外波长0.78~2μm(波数为12820~5000cm

-1

)；中波红外波长2~4μm(波数为5000~2500cm

-1

)；长波红外波长4~1000μm(波数为2500~10cm

-1

)。由此可见，波长越短，其能量越大，三类红外线中短波的能量较大。

泛频区的短波红外辐射，以O-H、N-H及C-H化学键伸缩振动的倍频和合频吸收能级跃迁方式改变偶极矩加热。NIR(Near Infrared，NIR)近红外是一种加热新技术，辐射峰0.8~1.1μm，具有很强的穿透涂层能力，且辐射波长越短穿透力越大。高能量辐射源和高聚焦反射器系统，可以激活受热物体的极性基团，以激发物体分子的热运动，使整个涂层立体均匀同时加热，而不必加热整个基材，能在极短时间(1min)内完成快速固化。NIR加热管和反射器、德国NIR红外固化实验室装置如图5。

图5  NIR加热管和反射器、德国NIR红外固化实验室装置

基频振动区的中波红外辐射，以分子中的原子振动及分子的转动能级跃迁方式改变偶极矩加热；转动区的长波红外（或叫远红外Far-IR）辐射，以分子的转动及骨架、晶格等的振动能级跃迁方式改变偶极矩加热。

辐射峰2~4μm的中波红外热辐射仅对受热体浅层起加热作用，不会穿透受热物体，而渗入基材；辐射峰4~10μm的长波红外热辐射，具有比中波更低的涂层渗透能力，特别适合需要轻微穿透加热表面或存在热敏感性较高的基材(例如塑料，木材和电子元件等)。

辐射峰2~10μm的红外辐射匹配有机产品吸收，能够适用于粉末涂料加热，或水分干燥。中波红外加热器、 国产中波红外固化实验室装置如图6。

图6  中红外加热器和中波红外固化实验室装置

6 红外快速固化粉末

设计红外辐射固化粉末配方时，要注意涂料组份能吸收红外线，也就是说要选择与红外线匹配的原材料。碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物等材料能较好地吸收红外线。粉末用羧基、羟基、环氧基树脂皆有吸收红外线的能力，各种颜填料的吸收能力会有差异。颜色越深的涂层对红外线吸收越强，顺序依次为黑色>灰色>彩色>白色。粉末配方试验如下表2。

表2  几种粉末不同的固化方式对比

配方比例

原料组份

配方1

黑色粉末

配方2

白色粉末

配方3

蓝色粉末

配方4

浅灰粉末

快固聚酯 (AV36 mgKOH/g)

60%

60%

60%

60%

TGIC(国产 当量107g/eq)

4.5%

4.5%

4.5%

4.5%

流平剂(68%活性份)

1%

1%

1%

1%

增光剂

0.5%

0.5%

0.5%

0.5%

安息香

0.3%

0.3%

0.3%

0.3%

填充料

32.7

8.7%

30.2%

14.2%

颜料

碳黑 1%

钛白粉 25%

酞菁蓝1.5% 钛白粉2%

碳黑铁红共0.5%  钛白19%

三种不同固化方式：

热对流电烤箱固化条件

180℃/10min

180℃/10min

180℃/10min

180℃/10min

NIR红外固化时间

5s

15 s

13 s

9 s

中红外固化时间

4min

4min

4min

4min

涂膜性能：

厚度(磁性测厚仪)

60μm

62μm

60μm

63μm

冲击GB/T　1732—1993

≥50kg•cm

≥50kg•cm

≥50kg•cm

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