粉末涂料激光固化之路

今年四月，阿克苏诺贝尔（AkzoNobel）宣布与IPG Photonics建立了开创性的合作伙伴关系，专注于将激光技术应用于固化粉末涂料。这一突破性的过程包括使用IPG的激光固化解决方案校准公司的Interpon粉末涂料配方，以获得最佳效果。这将提供一个更快\更节能的替代传统的固化方法。两家公司签署了一项合作协议，专门为EMEA（欧洲、中东和非洲）地区的客户提供服务。

该过程包括激光在“冷炉”中选择性地加热所应用的粉末涂层。这意味着没有热量泄漏到工厂车间，也没有能源浪费在加热大气或固化外壳上。高强度激光加热也使固化时间缩短到几分钟，而目前使用传统固化方法需要15到20分钟。IPG光子学工艺还使固化在不到传统烤箱所需空间的一半的空间内进行。

鉴于阿克苏诺贝尔在涂料行业的领先地位，此次和IPG的合作协议定将粉末涂料激光固化推上了更广阔的市场舞台。它适用于温度敏感基板，消除了典型生产线中明显的长时间冷却等待时间。在大批量生产环境中，客户可以实现投资和运营成本降低50%以上，同时大幅减少碳足迹和能源消耗。

粉末涂料激光固化之路

粉末涂料在对流烘箱中固化，其固化时间可定义为 “峰值金属温度，即基材达到的最高温度”。因此，如果涂层涂覆在热质量较大的物体上，则需要更长的时间才能达到建议的固化温度。粉末涂料通常在130°C-180°C之间发生交联，并且通常需要在烘箱中停留约10-20分钟。较长的固化时间要求使用“5米或更长”的烘箱，以维持合理的生产量。出于这些原因以及其他原因，激光固化代表着降低工业环境中固化涂层所需能量的一个机会。

Abhinandin 等人于1999年首次对激光固化进行了详细研究，报告称“尽管各种粉末涂料的配方取得了重大进展，但在开发新型固化技术方面似乎缺乏相应的努力。” 利用当时可用的二氧化碳气体激光器，作者们在不到一分钟的时间内实现了工业级固化。气体激光器仅能将约10%的电能转化为光能，难以在大面积表面上均匀投射。近红外二极管激光器的出现，能够在米级表面均匀地输送数十千瓦的功率，功率转换效率超过50%，这使粉末涂料的激光固化成为热点。

在2010年的一项研究中，研究人员使用一台散焦（光斑尺寸为1.8毫米）、1.5千瓦、940纳米的二极管激光器对PPG工业公司的环氧-聚酯混合树脂进行局部固化。尽管“实验装置产生的涂层区域宽度非常窄，不适合实际应用”，但也得出结论：“局部激光固化可以带来多种潜在的成本效益，包括缩短工艺时间和降低能耗。”

粉末涂层试样激光固化的可见光（上）和FLIR（下）图像。FLIR热像仪捕捉到粉末转变成连续涂层的过程，该过程在几秒钟内发生，但速率会根据粉末配方的厚度和光学特性而有所不同。

前些年，美国能源部向研究人员提供了120万美元的资助，用于寻找在较低温度下固化粉末涂料的方法。密歇根州劳伦斯理工大学及其合作伙伴 IPG Photonics、PPG和惠而浦公司“旨在验证并全面试行一种用于工业涂料应用的低能耗、基于激光的粉末涂料固化技术，以取代现有的低效天然气固化炉。” 该研究团队“将推进基于激光的固化技术，用于粉末涂料系统等低温涂层系统（<250°C）以及针对搪瓷和其他特种涂层应用的高温系统（>400°C）。”

激光固化的工作原理和优势

现如今，IPG Photonics 已生产出利用激光加热固化粉末涂料的设备。据该公司介绍，激光固化最快可在一分钟内完成，将固化时间缩短了十分之一。该系统的能源效率提高了 55%，并且长达七年无需维护。

激光固化技术采用近红外激光器，首先使静电喷涂在零件表面的粉末涂料颗粒快速凝胶化，随后完成最终固化。熔化的颗粒在交联过程中发生化学反应，形成通常比油漆更厚、更硬、更耐用的涂层。激光固化粉末涂料可实现各种常见的粉末涂料表面效果，包括光滑、精细和粗糙的纹理、河纹、皱纹以及混合和粘合金属效果。

传统上，粉末涂料是在利用对流加热或红外灯的工业烤箱中固化的。激光工艺在两个主要方面与这些传统方法有很大不同。首先，激光固化只选择性地加热照明区域，而不是对整个部件和烤箱环境进行大面积加热。这大大提高了能效。其次，加热过程本身效率更高，大大缩短了所需的固化时间。对于工业粉末涂料操作而言，这极大地提高了工艺吞吐量。

激光固化是一项创新技术，它克服了旧方法的局限性，能以更快的速度和更低的成本提供高质量的效果。激光固化粉末涂料的主要优势包括

快速：近红外二极管激光器可提供快速的局部加热，只需几分钟即可固化粉末涂料。涂层凝固后，底层材料迅速冷却。相比之下，传统烤箱需要数十分钟才能均匀加热整个部件，固化粉末涂层，然后再冷却下来。

能量效率：激光二极管光源具有很高的电气效率，几乎所有能量都能直接进入目标区域。激光可选择性地对粉末进行高效加热，从而减少了加热工件时的能源消耗，并且几乎不会对烤箱环境造成能源消耗。

无废热： 激光固化系统是一种 "冷 "烤箱，几乎不会向周围空间散发废热，从而降低了对设备温度控制系统的要求。

热应力最小：激光粉末涂层固化适用于塑料和木材等热敏材料，以及具有薄金属特征的精密部件。

过程控制：室温操作可使用热像仪等机载计量装置，将涂层温度精确控制在正负1摄氏度范围内。

灵活性： 激光烤箱具有近乎即时启动/停止的功能，这意味着无需空闲或预热时间。此外，目标工件的质量对涂层性能的影响很小，因为激光烤箱会加热并监控涂层表面温度。在传统固化炉中，低质量工件不能直接在高质量工件旁边固化，否则会有缺陷或质量问题。

占地面积小：激光固化系统结构紧凑，占地面积不会超过其加工零件的面积。此外，该工艺本身与连续零件流兼容，可最大限度地减少整体占地面积，并最大限度地提高生产量。

低拥有成本：通过降低能耗、不产生废热（否则会使周围生产环境升温）和大幅减少维护费用，可降低运营成本。

低碳足迹： 固有的电能效率、消除设备辐射的废热以及耗材的缺乏都使激光固化成为一种更环保、更可持续的工艺。

 
哪些场合需要激光粉末涂料固化

从汽车生产到医疗设备制造，粉末涂料是一种广泛应用的技术。主要行业包括汽车、农业设备、航空航天、设备、建筑与施工、家具、工业设备、电子产品、医疗设备等。

激光固化与几乎所有类型的粉末涂料和基底材料兼容，因此具有广泛的适用性。常见的应用包括增强汽车部件（包括车轮、底盘部件和车身底部部件）的抗腐蚀能力；提高飞机部件的耐用性，为极端条件提供保护；为冰箱、洗衣机、烤箱和户外家具等消费品提供坚固、美观的表面处理 ；提高窗框和栏杆等建筑构件的耐候性能；保护工业机械、工具和外壳免受磨损和恶劣环境的影响；为工业设备中的金属外壳、机箱和连接器提供电气绝缘和保护；为医院设备和医疗器械制作生物兼容和抗菌涂层。

来源：荣格-《涂料与油墨—中国版》

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