本发明涉及一种木板表面粉末固化的红外脉冲 辐照加热方法及其设备， 属于红外技术应 用领域。

背景技术

目前， 市场上的 MDF木扳、 HDF木板、 LDF木板、 刨花板等人造木板在表面涂装粉末 涂料后， 可大幅度降低木板内部甲醛有害物质的释放浓 度。 因为粉末涂料是 100%固体， 其 均匀包覆在人造木板表面。 因而人造木板成为人们喜爱的绿色环保产品。 例如刨花板其原板 的甲醛释放量为 2.8mg/L， 静电喷涂粉末涂料后， 甲醛释放量降低至 0.1mg/L。

由于木材不能承受高温作用， 国外开发了 UV光固化粉末静电涂装技术， 但因设备昂贵、 涂装成本高、 工艺控制难度高等原因， 推广应用受到限制。

近期中波红外辐照技术在 MDF板粉末静电涂装中取得了成功应用。 采用中波红外加热 技术的优点是可以把提供给 MDF人造木板的热量进行合理分配， 尽量提高木板表面涂膜获 取热量的比例和加快涂膜吸热速度。 即在最短时间内把热量传递给涂膜， 使它快速固化， 缩 短固化时间， 木板基体则因受热时间缩短而大大减少热量的 吸收， 使其在走出烘道时的温度 低于 100°C。这既保证了涂膜固化质量，还可大幅度 降低能耗（与传统的循环热风烘道相比）， 且缩短了烘道的长度。

但是在中波红外辐照技术中， 为解决在有效加热区域内使工件各部位受热均 匀的问题， 设备中的中波红外管与工件仍然必须保持足够 远的距离， 因而设备中加热区域的内腔空间比 较大。 目前在中波红外辐照技术上， 比较有代表意义的是著名的德国贺利士公司制 造的中波 红外辐照加热烘道。 烘道中红外灯管的排布， 采用与烘道长度方向平行的卧式排布方式， 其 加热理念是力求烘道加热区内提供均匀辐照和 工件处于一个均匀的温度场内， 所以烘道内中 波红外灯管上、 中、 下卧式的排布需要精确计算， 排布要求较髙， 中波红外管与工件距离较 远， 烘道内腔空间距离较大。

2011年 1月 21 日， 广州电器科学研究院在广东创新方法网上发表 的 "提高 MDF板材粉 末涂料喷涂的均匀度"一文中指出： 粉末涂料应用于木板涂装还存在一些困难。 目前关键设备 是固化炉， 最大的问题是固化不均匀， 特别是侧面固化不充分， 表面有些地方也有固化不完 全。 解决这个问题在国内尚属于前沿技术。 该院 ΪΗ通过创新方法 MPV工具分析， 选择红外

确 认 本 管对板材固化的均匀性这个方面展开研究。应 用创新方法的预先作用原理、周期性作用原理 、 物场模型等， 提出 5个解决方向， 并认为采用"灯管或反射板周期性运动"为最佳� ��候选方案。 通过验证测试尚未达到预期效果， 还需进行后续研究工作。 这种动态固化烘道从设计、 制造 和使用安全可靠的角度来考虑， 都存在诸多技术难点， 因此目前还不能成为 MDF板理想的 实用型固化设备。

从现有技术中可以看出， 釆用连续近距离辐照加热方式对 MDF人造板来说是不可行的。 因为人造木板的导热性远低于金属， 其表面接受的热量只能缓慢地向板材深处传递 。 所以人 造木板表面不能长时间承受高温， 否则其表层就会受到热损伤或分解释放挥发性 气体破坏涂 膜。 因此当采用常规的中波红外辐照烘道固化 MDF木板表面的涂膜时， 就需要较大的加热 区域空间， 这无疑会降低其节能效果。 这一难点正是本发明 "中波红外脉冲辐照加热技术"要 解决的关键技术之一。

传统的悬挂输送链结构的中波红外辐照烘道要 解决工件上下部位受热一致的要求， 就要 求精确设计上下的卧式灯管合理排布， 以保证工件上下部位受到相同的辐照强度 （包括辐照 的叠加效应）。要实现这一目标，正如广州电 科院发表的"提高 MDF板粉末涂料喷涂的均匀度" 一文中指出的， 这是当前 MDF人造板红外辐照加热烘道需要研究突破的前 沿科学研究的课 题。 本发明采用中波红外管立式排布方式以及运用 "等概率的不均匀获得均匀"的理念， 可以 实现这个技术难点的突破。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种木板表 面粉末固化的红外脉冲辐照加热方法及其 设备， 该方法使涂膜获得均匀固化， 保证自动涂装生产线中的木板表面处于相同的 受热状态; 本发明同时提供了实现这种方法的设备。

本发明所述的木板表面粉末固化的红外脉冲辐 照加热方法，包括依次进行的熔平和固化， 固化是将粉末涂料快速熔平成膜的木板通过中 波红外脉冲辐照区域进行加热， 加热是高温和 低温的交替加热， 所述中波红外脉冲辐照区域由连续的单个中波 脉冲辐照加热单元组成， 中 波红外脉冲辐照区域中的中波红外加热管采用 立式排布的方式。

所述单个中波红外脉冲辐照加热单元的工作曲 线是： 升温→高温→降温， 即涂膜表面 升温至 150〜180°C， 在此温度下固化后， 接着降温至 120〜140°C， 完成一次中波红外脉冲辐 照加热。

所述单个中波红外脉冲辐照加热单元的工作曲 线中， 各个阶段的时问一般根据烘道中输 送链的运行速度来确定， 输送链为匀速直线运动， 速度一般为 1~2米 /分钟， 这时候的工作曲 线如下： 在第 1秒钟涂膜表面升温至 150〜180'C， 再在此温度下固化 3〜5秒钟， 接着降温 至 120〜140°C历时 14^18秒钟， 总时间为 18~24秒钟完成一次中波红外脉冲辐照加热。 所述熔平是将涂有粉末涂料的木板通过中波红 外辐照区域进行加热， 获得平整光滑的涂 膜， 中波红外辐照区域中的中波红外加热管采用立 式密集排布的方式。

实现上述加热方法的设备， 采用烘道形式， 包括熔平段和固化段， 熔平段分为加热段和 冷却段， 加热段两侧对称设置中波红外辐照加热装置， 该装置由多根中波红外加热管采用立 式密集排布方式组成， 其与外侧的辐照距离调节器固定连接； 固化段的两侧对称设置中波红 外脉冲辐照加热装置， 该装置是由间隔均布设置的脉冲辐照加热器组 成， 脉冲辐照加热器由 单根或双根中波红外加热管采用立式排布方式 组成， 中波红外脉冲辐照加热装置与外侧辐照 距离调节器固定连接。

所述中波红外辐照加热装置与外侧的相应的辐 照距离调节器通过设置在加热装置上的支 架固定连接。

所述中波红外脉冲辐照加热装置与外侧的相应 的辐照距离调节器通过设置在加热装置上 的支架固定连接， 固定销的作用是定位。

所述辐照距离调节器中的调节杆的一端与支架 相连， 调节杆上均布设置通孔， 调节杆的 另一端套装在带有通孔的导向管内， 导向管与烘道壁固定连接， 导向管和调节杆由烘道壁外 侧固定销连接。

所述中波红外辐照加热装置与熔平段电压调节 器相连。

所述中波红外脉冲辐照加热装置与固化段电压 调节器相连。

所述烘道内腔顶部设置吹风管， 烘道内腔底部设置吸风管， 吹风管、 吸风管与风机分别 相连。

所述中波红外加热管到被加热木板的单侧最小 垂直距离为 120〜200mm。

无论是中波红外辐照加热装置还是中波红外脉 冲辐照加热装置所用的辐照距离调节器的 构造和使用方法都是相同的， 可以根据支架的长度设置合适数量的调节杆。

本发明的技术特点是-

1、运用等概率的不均匀辐照和中波红外管� �用立式排布方式， 使工件表面涂膜获得均匀 固化。

中波红外管的辐照功率密度是沿着灯管长度方 向均勾分布的。 中波红外脉冲辐照烘道的 设计不着眼于烘道长度方向温度的均匀性， 而要求保证工件表面接受的所有辐照能量均等 ， 因此沿烘道的垂直方向得到均匀的辐照是关键 所在。 所以中波红外管必须采取立式 （垂直于 烘道底部的 Z轴方向） 排布于供道内壁的两侧， 如图 1所示。

烘道内釆用自上向下的对流循环热风调节上下 区域空气温度的均匀性， 吹风管、 吸风管 与风机分别相连， 风机与电机相连。 如图 5所示。 工作时， 吹风管向外吹风， 吸风管吸入后， 由循环风机将吸风管吸入的风由吹风管吹出， 形成一个循环。

工件在输送运行中每个瞬间接受 Z轴方向的辐照热量是均勾的，但在运动方向 X轴上各 点接受到的红外辐照热量是脉冲波浪式变化的 ， 也就是说供道沿长度方向的温度分布是一个 变化很大的温度场。 但只要保证每个工件在烘道运行过程中， 接受的这种不均匀辐照的概率 相等， 就能使每个工件各部位的受热固化状态完全一 致了。这就是 "等概率的不均匀辐照解决 涂膜获得均匀固化"的理念。所以， 中波红外管在洪道中布设的位置和方向以及生 产线输送链 运行的稳定性是保证工件涂膜均匀固化的重要 因素。

2、 采用中波红外脉冲辐照加热单元技术， 可以解决 MDF木板表层不受高温热损伤。 单 个中波红外脉冲辐照加热单元是由升温→高温 →降温三个温度过程组成的， 如图 2所示， 即涂膜表面升温至 150〜180°C， 在此温度下固化后， 接着降温至 120〜140°C， 完成一次中波 红外脉冲辐照加热。

这种脉冲式红外辐照加热是一种断续式小剂量 的辐照加热方法， 它使木板表层有充裕时 间将热量传递给木板深处， 避免了木板表层产生热损伤。 红外辐照的热量首先由涂膜吸热升 温， 再通过木板表层传递给木板基体。 因此， 只要表层有充分向深处散热的时间， 其温度就 不会快速积累升高。

这种红外脉冲辐照加热单元技术使涂膜获得能 量分配的比例大大提高， 使涂膜处于高温 固化状态得到保持， 而总的固化时间则相应减少。 木板接受的辐照总能量减少， 木板基材的 热容量又远大于覆盖其表面的涂膜。 所以当涂膜已达到充分固化时， 木板基材仍可处于较低 的温度状态。

3、 藉助脉冲高温固化的积累效应， 缩短涂膜固化时间。

阿累尼乌斯定律中， 化学反应速度与温度呈指数曲线关系， 可近似用 10°C规律描述。 即 固化温度每增高 10°C， 其化学反应速度加快一倍， 也就是完成固化所需的时间缩短一半。 以 固化条件为 130°C/20min的粉末涂料为例， 其固化温度与固化时间的相应关系如表 1所示。

表 1 固化温度与固化时间的相应关系

实践得知 MDF木板处于 160~180°C瞬时髙温， 表面不会出现热损伤。 因而加热过程中， 只要全部脉冲加热中上述的高温固化时间的总 和达到 150~40秒钟， 涂膜就能完成固化。 从 安全裕度考虑，设计脉冲烘道选用的高温为 160°C，则相应的固化时间应为 150秒钟。同 130'C 温度的固化吋间相比要缩短 8倍。 所以脉冲瞬间高温作用的累积效果， 可有效加快涂膜的固 化速度。

本发明的操作步骤如下：

( 1 )将涂有粉末涂料的 MDF木板通过按中波脉冲辐照加热单元要求且中 波红外管立式 排布的脉冲辐照烘道；

(2) 通过熔平段时， 粉末涂料快速熔融流平， 随即降温至 120~140°C _;

(3 )通过固化段时， 每个中波红外脉冲辐照加热单元区域， 对涂膜进行短时高温强辐照 和降温 （低温） 的交替固化；

每个中波红外脉冲辐照加热单元的工作曲线是 涂膜表面升温至 150〜180°C， 在此温度下 固化后， 接着降温至 120〜140Ό， 完成一次中波红外脉冲辐照加热。

MDF木板通过固化段全部的中波红外脉冲辐照单 元加热的积累固化效果，快速完成涂膜 固化， 并使木板保持在安全的低温状态。

本发明的有益效果如下- 本发明所述的加热方法运用中波红外脉冲辐照 加热单元的新概念， 釆取短时脉冲高温对 MDF木板表面粉末涂料进行脉冲式高温固化的方 法， 避免了木板表面产生热损伤。藉助脉冲 高温固化的累积效应， 不仅大大缩短涂膜的固化时间， 同时使木材基体的吸热量大幅度减少， 保证 MDF人造木板出炉时能处于低于 100°C的低温状态。

本发明依据等概率的不均匀辐照理念， 在供道中采取立式排布中波红外管方式， 使生产 线中运行的每个工件表面涂膜获得等同的均匀 固化。这种脉冲波浪式不均匀的福照加热烘道 ， 与传统的追求烘道温度均匀同一性的理念有着 根本区别。

实现该技术的设备可以缩小有效的加热空间和 长度， 不仅保证了自动涂装生产线中的 MDF木板表面处于相同的受热状态， 使涂膜获得均匀固化， 而且节能效果非常显著。 该方法 特别适合作为 MDF木板、 塑料制品等平板产品进行粉末涂料快速熔平固 化的热处理方法。 附图说明

图 1是中波红外管在烘道内的立式排布图。

图 2是本发明中波红外脉冲辐照单元的时间曲线� �。

图 3是本发明中波红外脉冲辐照烘道结构示意图� �

图 4是本发明辐照距离调节器结构示意图。

图 5是本发明烘道内风管排布结构示意图。 图中： 1、 烘道； 2、 中波红外加热管： 3、 支架； 4、 中波红外脉冲辐照加热装置； 5、 脉 冲辐照加热器； 6、 中波红外辐照加热装置； 7、 MDF木板； 8、 熔平段电压调节器； 9、 通道； 10、 固化段电压调节器； 11、 调节杆； 12、 导向管； 13、 固定销； 14、 烘道壁； 15、 循环风 机； 16、 电机； 17、 吹风管； 18、 吸风管； A、 单个中波红外脉冲辐照加热时间单元； B、 熔 平段； C、 固化段； D、 熔平段中的冷却段； E、 中波红外脉冲辐照加热单元中的的辐照区域； F、 中波红外脉冲辐照加热单元中的降温段； S!、 熔平段与板材之间的距离； S ₂ 、 固化段与板 材之间的距离。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例 1

如图 1~5所示， 实施例中以 MDF木板为例：

1、本发明所述的木板表面粉末固化的红外脉� �辐照加热方法， 包括依次进行的熔平和固 化， 固化是将涂有粉末涂料的 MDF木板 7通过中波红外脉冲辐照区域进行加热， 加热是高 温和低温的交替加热，所述中波红外脉冲辐照 区域由连续的单个中波脉冲辐照加热单元组成 ， 中波红外脉冲辐照区域中的中波红外加热管 2采用立式排布的方式。

所述单个中波红外脉冲辐照加热单元的工作曲 线是： 升温一►高温一►降温， 涂膜表面升 温至 160°C， 在此温度下固化后， 接着降温至 120〜140°C， 完成一次中波红外脉冲辐照加热。

所述单个中波红外脉冲辐照加热单元的工作曲 线中， 各个阶段的时间一般根据烘道中输 送链的运行速度来确定， 输送链为匀速直线运动， 速度为 1.5米 /分钟， 这时候的工作曲线如 下： 在第 1秒钟涂膜表面升温至 160'C， 再在此温度下固化 4秒钟， 接着降温至 130°C历时 15秒钟， 总时间为 20秒钟完成一次中波红外脉冲辐照加热。

所述熔平是将涂有粉末涂料的 MDF木板 7通过中波红外辐照区域进行加热， 获得平整 光滑的涂膜， 中波红外辐照区域中的中波红外加热管 2采用立式密集排布的方式。

2、 烘道结构- 实现上述加热方法的烘道，包括熔平段 B和固化段 C，熔平段 B分为加热段和冷却段 D， 加热段两侧对称设置中波红外辐照加热装置 6， 该装置由多根中波红外加热管 2采用立式密 集排布方式组成， 其与外侧相应的辐照距离调节器固定连接； 固化段 C的两侧对称设置中波 红外脉冲辐照加热装置 4， 该装置是由间隔均布设置的脉冲辐照加热器 5组成， 脉沖辐照加 热器 5由单根或双根中波红外加热管 2采用立式排布方式组成， 中波红外脉冲辐照加热装置 4与外侧相应的辐照距离调节器固定连接。

所述中波红外辐照加热装置 6与外侧的相应的辐照距离调节器通过设置在� �热装置上的 支架 3固定连接。

所述中波红外脉冲辐照加热装置 4与外侧的相应的辐照距离调节器通过设置在� �热装置 上的支架 3固定连接。

所述辐照距离调节器中的调节杆 11的一端与支架 3相连， 调节杆 11上均布设置通孔， 调节杆 11的另一端套装在带有通孔的导向管 12内， 导向管 12与烘道壁 14固定连接， 导向 管 12和调节杆 11由烘道壁 14外侧固定销 13连接。 固定销 13的作用是定位。

所述中波红外辐照加热装置 6与熔平段电压调节器 8相连。

所述中波红外脉冲辐照加热装置 4与固化段电压调节器 10相连。

所述中波红外加热管 2到被加热 MDF木板 7的单侧最小垂直距离为 120mm。

具体结构和操作如下：

( 1 ) 熔平段的中波红外辐照加热装置 6是由 12根中波红外加热管 2采用立式密集排布 组成。 它与辐照距离调节器固定连接。 进入熔平段的 MDF木板 7表面的粉末涂膜快速由室 温升至 160Ό，并随之熔化流平。 MDF木板 7的一侧与中波红外加热管 2的垂直距离为 100mm。

(2) 区域 D为涂膜熔平后的冷却段， 粉末涂膜很快冷却至 130°C。

(3 ) 固化段 C的中波红外脉冲辐照加热器 5由双根中波红外加热管 2组成。 MDF人造 板的涂膜通过辐照区域 E, 即完成一次中波红外脉冲辐照加热单元中的升 温和高温辐照加热 过程， 该段时间为 5秒钟， 中波红外脉冲辐照加热装置 4与辐照距离调节器固定连接。

(4) 区域 F为红外脉冲辐照加热单元中的降温段， 这阶段中涂膜仍处在 130Ό温度下继 续进行固化。 只是固化速度逐渐下降至 130°C温度下的固化速度水平， 该段时间为 15秒钟。

(5 ) 辐照距离 S的调节是通过辐照距离调节器来完成的。 如图 4所示， 调节杆 11在导 向管 12内移动可改变辐照距离 S的大小。 调节杆 11上均布通孔， 导向管 12在烘道壁 14外 侧的管段上有一个通孔， 将固定销 13穿过导向管 12和调节杆 11的通孔， 就可把辐照距离调 节器锁定于所需的位置。

(6)烘道 1内腔顶部与底部均设置与烘道 1长度方向一致的中波红外管 2， 作为固化木 板上边和底边的顶灯和底灯， 并配置相应的电压调节器。

(7)烘道 1内采用自上向下的对流循环热风调节上下区� �空气温度的均匀性， 烘道 1内 腔顶部设置吹风管 17， 烘道内腔底部设置吸风管 18， 吹风管 17、 吸风管 18与循环风机 15 分别相连， 循环风机 15上设置电机 16。 如图 5所示。 工作时， 吹风管 17向外吹风， 吸风管 18吸入后， 由循环风机 15将吸风管 18吸入的风由吹风管 17吹出， 形成一个循环。

3、烘道固化段 C两侧配置脉冲辐照加热器 5数量 m的计算， 以固化条件为 130 ^e C/20min 的粉末涂料为例： 由图 2知涂膜在烘道固化段中每通过一个脉冲辐照� �热单元， 就经受 1次时间为 5秒的 高温固化和 15秒 130Ό的较低温度的固化。 由表一知涂膜在 Tx温度下固化 1 秒钟， 与在 T130'C温度下固化 η 秒钟的固化效果是等同的。 所以一个脉冲辐照加热的固化效果与在 T130°C温度下经历 （5n+15) 秒钟固化产生的固化效果是等同的。 从安全裕度考虑， 烘道设 计取 Tx=160'C， 由表 1可知 n=8。

为使涂膜达到相当于 13(TC下固化 1200秒的等同固化程度， 需要承受的红外辐照脉冲次 数 m可由下式求取。

(5n+15 ) m=1200, m=21.8次

取整数， 则烘道中两侧应各自配置 22个脉冲辐照加热器。

4、 烘道固化段 C长度的确定

烘道输送链运行速度 V=1.5米 /分 =0.025米 /秒

工件经过一次脉冲辐照加热单元所运行的距离 为

E+F=(5+15) V-0.5米

则烘道固化段总长 L=22 (E+F) =11米

由于降温段的最低温度为 130'C， 所以涂膜实际固化速度还会快一些。 因此烘道固化段 的长度可短于 11米。 如果采用循环热风传统烘道固化同一种粉末所 需要时间大于 20分钟， 其烘道的长度需大于 30米。

由以上可知， 本发明的烘道可以缩小有效的加热空间和长度 ， 不仅保证了自动涂装生产 线中的 MDF人造木板表面处于相同的受热状态， 使涂膜获得均匀固化， 而且节能效果非常 显著。

按本发明研制的中波红外脉冲辐照烘道的生产 型试验线， 通过涂装生产实践已经证实该 项新颖加热技术的可行性和实用性。 已涂装成功尺寸为： 长 X宽 X厚 =1400x800x30mm的医疗 设备用的刨花板工作台面以及儿童桌椅等多种 规格的家具。 并己小批量涂装生产餐厅用的长 桌和衣帽柜等。