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铝型材立式喷房烘烤炉中炉壁沉积物和冒烟原因的浅析
1 前言
铝型材粉末涂料作为建筑行业用粉末涂料品种之一，在粉末涂料品种中占有很重要的地位。由于铝型材用粉末涂料量的迅速增加，使建筑行业用粉末涂料用量已占我国粉末涂料总量的 27%，超过了家用电器粉末涂料，成为我国粉末涂料用量最多的应用领域。特别是粉末涂装铝型材的需求迅速增加，过去的卧式粉末喷涂线远远不能满足要求，以大型立式V型或U型粉末喷涂线代替卧式粉末喷涂线。相应的烘烤炉也改变过去的卧式烘烤炉，代替高而窄的立式烘烤炉。在立式喷房烘烤炉中，工件排布密集，单位体积烘烤炉中粉末涂料的使用量，远远高于卧式烘烤炉中的使用量，不仅用粉量大大提高，同时带来了新的问题。这个问题是，发现在立式烘烤炉中的沉积物比卧式烘烤炉明显增加的快，需要定期经常清理沉积物；还有有些个别单位在烘烤炉中出现冒烟的现象，影响了正常生产，带来了不安全的因素。 为了分析了解烘烤炉中沉积物的主要成分，我们请铝型材公司分别取了烘烤炉的上、下、左、右壁上沉积物，分别用烘箱烘烤法、马福炉煅烧法和仪器（ TGA）分析法进行分析。另外，模拟烘烤炉的烘烤温度和烘道中工件的停留时间，对于可能在烘烤过程中挥发的成分，进行单一组成和复合组成进行挥发分的测定试验。通过上述试验初步确定烘烤炉中沉积物的主要成分，分析冒烟的主要原因，具体的试验情况论述如下。
2 试验部分
2.1 试验用仪器
千分之一天平、马福炉、带鼓风烘箱。
2.2 试验用原料
聚酯树脂1、聚酯树脂 2、 TGIC、流平剂、增光剂、安息香、助剂 1、助剂 2、助剂 3（只选择可燃烧的有机和高分子化合物）和上述原料配制铝型材粉末涂料。
2.3 试验方法
1）烘烤炉中沉积物称 1.0g 左右， 200℃烘箱中烘烤 20min，冷却至室温测挥发分百分含量；然后再放在 220℃烘箱中烘烤 20min，冷却至室温测挥发分百分含量。
2）对于配方中的各种成分（除颜填料外），分别称量 1.0g 左右按上述方法测定挥发分百分含量。
3）对于配方中的各种成分（除颜填料外），分别称量 0.5g 左右放在2.0g 左右的粉末涂料样品中混合，然后按上述方法测定挥发分百分含量。
4）称量0.5g 左右烘烤炉中沉积物，放在马福炉中 600℃煅烧 30min，冷却至室温测定燃烧物百分含量。
5）部分样品进行红外光谱图和热失重（ TGA）分析。
3 结果与讨论
3.1 沉积物的挥发份含量的分析
根据铝型材粉末涂料立式烘烤炉的烘烤温度是 200℃，烘烤时间是 20min，烘道最高温度是 220℃的生产工艺条件，分别设计如下试验条件。取1.0g 左右沉积物样品，在 200℃烘箱中烘烤 20min 冷却至室温称量；然后再放进 220℃烘箱中烘烤20min 后冷却至室温称量，分别测定挥发物的百分含量，其试验数据如下表 1。 表 1 烘烤炉沉积物在200℃/20min 和 220℃/20min 烘烤后挥发物百分含量 
从表 1 的试验结果说明，烘烤炉中的沉积物在 200℃/20min烘烤后，继续在 220℃/20min烘烤时，还是有挥发物继续挥发。在相同的温度下，样品 3（烘道上部样品）的挥发物含量最高，样品 4 的挥发物挥发物含量最少。样品 1、样品 2、样品 3在 200℃的挥发物占94%以上， 220℃的挥发物占96.7%以上，说明沉积物的主要成分是粉末涂料配方中的有机物和高分子化合物中的挥发性物质；样品 4 中除了大部分是有机物和高分子化合物中的挥发性物质以外，还含少部分从工件落下来的粉末涂料颗粒。从这个结果可以说明，烘烤炉中的沉积物的绝大部分为粉末涂料配方中的有机物和高分子化合物中的挥发性物质。 3.2 沉积物锻烧残留物含量的分析
我们在烘烤炉的不同位置上取的沉积物样品，分别用坩埚称取 0.5g 左右盖上盖子，放在马福炉中 600℃煅烧 30min，冷却至室温后称量，并计算燃烧物百分含量。试验结果见表2。 
从表 2 的试验结果说明，烘烤炉的上部取的沉积物（样品 3） 600℃煅烧时完全烧掉，说明基本上是配方中的有机或高分子化合物。烘烤炉的左侧和右侧的沉积物（样品 1 和样品2）绝大部分（ 95%以上）还是配方中的有机或高分子化合物。而烘烤炉的下部沉积物（样品 4）中含有一部分粉末涂料配方中的无机物成分（ 14%左右）。从这些试验数据基本上说明，引起烘烤炉堵塞或引起冒烟的主要物质是粉末涂料配方中的有机或高分子化合物。这些物质是，从粉末涂料烘烤固化时挥发或者分解出来的物质。究竟是什么成分，有待于进一步2014 年中国粉末涂料与研究。
3.3 铝型材粉末涂料配方组成物挥发份含量的分析
为了了解铝型材粉末涂料配方中，哪些成分在烘烤固化过程中容易挥发，而且烘烤炉中沉积物是哪些成分，我们对配方中的有机物和高分子化合物成分，每种分别取 1.0g 左右样品，在 200℃/20min烘箱中烘烤，并冷却至室温测定挥发份百分含量，然后继续放在 220℃/20min 烘箱中烘烤，并冷却至室温测定挥发份百分含量，其试验结果在表 3。我们考虑到实际配方中，其它成分的干扰，分别取0.5g 左右配方组成的样品，放到2.0g 左右的粉末涂料中分散，然后放在 200℃烘箱中烘烤 20min，并冷却至室温测定挥发份百分含量，接着再放进 220℃烘箱烘烤 20min，并冷却至室温测定挥发份百分含量，具体的试验结果在表 3。
从表 3 单一组分挥发份的试验结果来说，聚酯树脂1、聚酯树脂 2、助剂 3 的挥发份非常少在 1.1%以下；挥发份比较大的是安息香、 TGIC、助剂 1、助剂 2，其中安息香的挥发份特别明显的大，几乎大部分都挥发掉。从这个试验结果可以肯定粉末涂料配方中，最主要的烘烤挥发物为安息香，其次是固化剂 TGIC、助剂 1、助剂 2。各种组分在粉末涂料载体中时，其挥发份的比例跟单独时的情况不一样，有的是明显减少，例如：流平剂、光亮剂、助剂 1、助剂 2 ；有的是反而增加，例如： TGIC。说明这些组成在粉末涂料配方中存在时，其组成之间的相互作用，挥发性是受到影响的。
3.4 不同配方铝型材粉末涂料挥发分的比较
我们分别选择不同公司的 11 个铝型材用粉末涂料产品：平光白、高光白、绿平光、灰亚光、砂纹粉末涂料，在不同烘烤温度下的挥发份测定结果如下表 4。
从表 4 的结果说明，铝型材用粉末涂料在烘烤时的挥发物含量是不算太多，在 200℃烘烤时都在 1%以下，不同品种之间的差别也是比较大的。在 11 个配方中样品 10 和11 的挥发分最少，其原因是该配方中没有安息香有关系。从白色平光样品 2 和样品 3中可知，降低安息香的含量一半以后，该配方的挥发分也明显降低，说明安息香对铝型材粉末涂料的挥发分的含量起重要的作用。同时挥发分就成为烘烤炉中的烟气，特别是在冬季气温低时，低温空气碰到挥发性物质，很容易变成雾霾，形成白烟。从这些挥发物量的分析结果也说明，铝型材粉末涂料中的冒烟的产物主要是安息香。
3.5 不同厂家和不同规格安息香的挥发性
我们取不同厂家和不同规格（纯度）的安息香 6 个样品，每种大约取 1.0g 左右，分别在 200℃/20min烘烤，并冷却至室温测定挥发份百分含量；然后继续在 220℃/20min 烘烤，并冷却至室温测定挥发份百分含量，其试验结果见表 5。
高纯度安息香的热失重分析在图 1，普通安息香的热失重分析在图 2. 
从这些试验结果说明，不同安息香在200℃至 220℃的挥发性都比较大， 200℃的最少挥发份在 51.59%； 220℃的最少挥发份在 68.58%。这些挥发份的量跟安息香的纯度和规格有密切的联系，纯度高的挥发物更多。这些数据进一步说明，安息香在粉末涂料配方组成中，对烘烤炉中沉积物的形成起最重要的作用。 图 1 高纯度安息香的热失重分析 
图 2 普通安息香的热失重分析
再从安息香的热失重（ TGA）分析数据来看，这个数据是在升温的动态进行测定的，高纯度安息香在200℃挥发分是 12%和 220℃挥发分是24%，最终挥发分是 98%；普通安息香2014 年中国粉末涂料与涂装行业年会论文集电子版在 200℃挥发分是 13%和 220℃挥发分是 27%，最终挥发分是87%。安息香的热失重分析（ TGA）在 200℃和220℃的测定数据明显低于静态在 200℃和 220℃烘箱中测定20min 的挥发分数据，而最终挥发分的数据是差不多的。不同规格安息香的热失重分析（ TGA）的数据也进一步说明在烘烤过程中安息香的严重挥发性，这种挥发性在粉末涂料熔融成膜过程中起到脱气剂的作用，
3.6 沉积物和粉末涂料部分组成物的红外光谱图分析
1）烘烤炉沉积物的红外光谱分析
烘烤炉沉积物的红外光谱图见如下图 3。
图 3 烘烤炉沉积物的红外光谱图
2）安息香的红外光谱分析
安息香的红外光谱见如下图 4。
图 4 安息香的红外光谱图
3）安息香氧化物二苯基乙二酮的红外光谱分析
安息香的氧化物二苯基乙二酮的红外光谱见如下图 5
图 5 安息香的氧化物二苯基乙二酮的红外光谱图
4） TGIC 的红外光谱分析
TGIC 的红外光谱见如下图 6。
图 6 TGIC 的红外光谱图 5） TGIC/安息香=1/1 混合物的红外光谱分析
TGIC/安息香=1/1 混合物的红外光谱见如下图 7。
图 7 TGIC/1/1 混合物的红外光谱图
从以上的烘烤炉的沉积物的红外光谱与烘烤条件下挥发物含量较多的安息香、安息香的氧化物、TGIC、 TGIC/安息香（ 1.0/1.0）的混合物的红外光谱比较，从官能团的特殊吸收峰的分析来说，还是比较接近 TGIC/安息香（ 1.0/1.0）的混合物。从这些结果也可以进一步确定，烘烤炉中的沉积物主要是安息香和TGIC。
3.7 烘烤炉冒烟原因的分析
从以前的卧式喷涂线的烘烤炉和现在的立式喷涂线的烘烤炉进行比较，在卧式喷涂线烘烤炉的高度比立式烘烤炉很低，工件排列的密度也较低，所以烘烤炉的单位体积中的铝型材体积占的比例比较少，粉末涂料的占有量也较少。然而立式喷涂线的烘烤炉的高度很高（8m~10m），宽度很窄只有几十厘米(40~50cm)，工件挂的很密，间隔也只有15~20cm 左右，所以烘烤炉单位体积中的铝型材体积占的比例很大，粉末涂料的占有量比卧式喷涂线的烘烤炉很大。因此，立式喷涂线烘烤炉中单位体积粉末涂料使用量，应该是卧式喷涂线烘烤炉中单位体积粉末涂料使用量的几倍。特别是烘烤炉顶上挥发物在立式喷涂线烘烤炉的浓度比卧式烘烤炉顶部的浓度比这个倍数还要高很多。这些挥发物又没有排放的排放口，随时间浓度增加，部分沉积在烘烤炉的壁上，甚至堵塞供热风道，引起局部过热，甚至发生着火冒烟，形成火灾的隐患。
虽然粉末涂料配方中在烘烤时的挥发物在0.5%~1%以内，但是粉末涂料的用量特别大时，挥发物的总量也不少，例如 50吨/月使用量的立式喷涂线烘道中，每月的挥发物是接近250kg,这是相当可观的数量。这些挥发物不及时处理，最终堵塞供热风烘道，无法及时扩散热量，这些热量积聚到一定程度，超过沉积物的着火点时，引起烘烤炉内的冒烟，甚至会着火。另外有的单位说法是，粉末涂料挥发沉积物中，黄色沉积物（主要的部分）是不容易着火， 500℃以上才能着火，直接遇到明火也不容易着火；而这些挥发物中一部分物质是结晶状的（量少），在较低的温度下，一遇到明火马上着火，这种物质是着火的主要原因，具体是什么成分还说不清楚，有待于深入探讨。
烘烤炉冒烟的主要原因是，烘烤炉中工件烘烤固化时从粉末涂料挥发物量过多累积，堵塞热源通道，阻碍热量扩散，最后引起着火冒烟。解决的主要方法是根据挥发物的堆积情况及时停炉清除烘烤炉中的沉积物。另外，在可能的情况下，烘烤炉中设计冷却系统，烘烤炉中的热气通过冷却系统，使挥发物沉积下来，降低挥发物沉积到烘道的沉积量。还有，从粉末涂料供应商来说，调整粉末涂料配方，提供挥发物含量低的粉末涂料，延长烘烤炉清除沉积物的周期。从试验结果来说，目前做到粉末涂料烘烤过程中完全没有挥发物是很难做到的。
4 结语
从烘烤炉沉积物的各种方法分析，粉末涂料配方组成物的挥发份的分析，初步判断铝型材立式喷涂线烘烤炉沉积物的主要成分是安息香及转化物，其次是TGIC。这些物质中安息香是最容易挥发（升华）及转化的物质，外界环境温度低时碰撞冷空气（特别是冬季）容易变成白烟或絮状物或雾霾状。当这些沉积物积累至热风道堵塞使热量过度集中，当炉内温度达到沉积物燃点时，容易着火冒烟成为不安全的隐患。根据粉末涂料使用量，定期及时清除烘烤炉的沉积物是最有效和简便的消除隐患和保证安全的措施。
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