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水性涂料在車身涂裝中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

如果說(shuō)陰極電泳涂料普及應(yīng)用是涂裝技術(shù)進(jìn)步的突出體現(xiàn)的話,那么,上世紀(jì)90年代初開(kāi)始逐步普及應(yīng)用的水性中涂和面漆則是汽車涂裝應(yīng)對(duì)環(huán)保法規(guī)的重要體現(xiàn),應(yīng)用水性涂料,可使車身涂裝的VOC排放降到20g/m2,低于歐洲45g/m2的VOC標(biāo)準(zhǔn)。

然而,在VOC排放顯著降低的同時(shí),帶來(lái)成本、能耗的提高和施工管理復(fù)雜化等問(wèn)題,近幾年材料、工藝、設(shè)備等方面的技術(shù)進(jìn)步,已使這些問(wèn)題逐步得到解決。

但隨著對(duì)汽車生命周期管理的相關(guān)法規(guī)的推出,汽車涂裝水性化仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。本文圍繞水性涂料在車身涂裝領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步作以小結(jié)和展望,供同行參考。

水性涂料在車身涂裝上的應(yīng)用現(xiàn)狀

眾所周知,歐、美、日等汽車發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū),對(duì)汽車涂裝均有嚴(yán)格的強(qiáng)制VOC排放要求。為應(yīng)對(duì)VOC排放的標(biāo)準(zhǔn)要求,汽車涂裝是以采用少無(wú)VOC的環(huán)保材料為主,普及應(yīng)用電泳涂料、高固體份涂料、水性涂料、 粉末涂料等;

基于電泳涂裝和粉末涂裝的諸多優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外汽車零部件涂裝領(lǐng)域已經(jīng)十分普及,涂裝面積最大、裝飾性要求最高、涂層結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的車身,底漆也早已普及電泳涂裝。

然而,車身的中涂、底色和面漆采用的涂料品種對(duì)VOC排放影響很大(詳見(jiàn)圖1和圖2),圖中可見(jiàn)溶劑型底色涂裝占整車涂裝VOC排放的50%以上,水性底色VOC排放僅相當(dāng)于中固體份溶劑型底色的15.5%,粉末涂料的VOC幾乎為零。

從上世紀(jì)90年代開(kāi)始,水性底色、水性中涂和粉末中涂、高固體份清漆和粉末清漆在歐美的新涂裝線上應(yīng)用,到2008年,水性底色的普及率,德國(guó)接近100%,西歐超過(guò)80%,日本接近70%,美國(guó)由于新建涂裝線不多,普及率在40%左右(見(jiàn)圖3)。

中國(guó)于2006年頒布了針對(duì)汽車制造業(yè)涂裝的清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T 293-2006),雖然此標(biāo)準(zhǔn)只是推薦性的,但也促進(jìn)了水性中涂和底色的應(yīng)用。到2008年國(guó)內(nèi)汽車車身底漆幾乎與國(guó)際同步,普及了陰極電泳,水性中涂和水性底色的應(yīng)用如表1所示。

圖1 不同涂裝材料的VOC排放數(shù)據(jù)

圖2 典型轎車車身涂裝總VOC排放量

圖3 歐美日水性底色的應(yīng)用

水性涂料應(yīng)用面臨的問(wèn)題

應(yīng)用水性涂料減少VOC排放效果十分顯著,火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)也相應(yīng)下降。

與粉末涂裝相比,水性涂料噴涂施工更具有對(duì)傳統(tǒng)溶劑型涂料噴涂的繼承性,技術(shù)上相對(duì)好掌握,粉末涂料除中涂和清漆應(yīng)用比較成熟外,粉末底色的裝飾性還無(wú)法和液態(tài)涂料相比,所以,水性面漆底色應(yīng)用是主流。

然而,與溶劑型涂料相比,水性涂料應(yīng)用需要面對(duì)一系列新問(wèn)題。

1 能耗和環(huán)保方面

由于水和有機(jī)溶劑物化特性有較大差別,水性涂料和溶劑型涂料組成不同(見(jiàn)表2和表3),所以水性涂料和溶劑型涂料施工條件要求不同(見(jiàn)表4)。

水的蒸發(fā)氣壓和熱熔[u8] 比有機(jī)溶劑高,在噴涂過(guò)程中,溶劑型底色約有(60~70)% 的溶劑蒸發(fā),而水性底色只有(15~20)%的“溶劑”蒸發(fā)。若使底色晾干到殘余濕度小于10%(噴下一道涂層之前的要求),必須采取強(qiáng)制加熱法加速晾干。水性中涂烘干也需要水分預(yù)烘干。

涂料儲(chǔ)運(yùn)及噴涂室的溫濕度要求也需要相應(yīng)的能源保證。所以,相對(duì)溶劑型涂料,水性涂料施工能耗增加很多,如果采用燃料能源則[u9] 溫室氣體(CO2)排放將增加;廢水廢渣的產(chǎn)生與溶劑型相當(dāng)。

2 成本和質(zhì)量方面

如果不考慮溶劑型涂料VOC的處理因素,應(yīng)用水性涂料無(wú)論是材料成本、管理成本、設(shè)備投資和能源成本都高于溶劑型涂料,而涂裝質(zhì)量沒(méi)有提高或可能降低。

水性涂料的價(jià)格高于傳統(tǒng)涂料,它的導(dǎo)電性使靜電噴涂設(shè)備復(fù)雜化,噴涂的傳輸效率也有所降低,如外部荷電方式的傳輸效率比傳統(tǒng)內(nèi)部荷電方式低約10%,意味著增加材料消耗。涂料的粘度觸變性對(duì)輸漆和噴涂系統(tǒng)的特殊要求,它的腐蝕性直接導(dǎo)致涂裝車間建設(shè)投資的增加。

水性涂料的施工工藝窗范圍較窄,工藝參數(shù)控制要求高,參數(shù)波動(dòng)容易導(dǎo)致產(chǎn)生漆膜弊病,降低涂裝一次合格率。

材料、工藝及設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步

針對(duì)水性涂料應(yīng)用中面臨的突出問(wèn)題,在過(guò)去的十年中,持續(xù)地圍繞材料、工藝及設(shè)備的技術(shù)改進(jìn),已經(jīng)使水性涂料涂裝技術(shù)進(jìn)一步成熟,明顯降低成本的新工藝已經(jīng)得到應(yīng)用,進(jìn)一步促進(jìn)了水性涂料的普及。

一代水性中涂已經(jīng)開(kāi)始被低成本轉(zhuǎn)換概念(LCCC)水性中涂所替代,烘干規(guī)范和溶劑型完全相同(晾干20℃/6~8分鐘、升溫6~8分鐘、保溫160℃/12~15分鐘),外觀質(zhì)量?jī)?yōu)于第一代;寬施工工藝窗(50%~80%RH、20~32℃)的金屬和塑料通用的水性底色開(kāi)始應(yīng)用、底色噴涂和罩光漆之間不需要紅外烘干和冷卻,可以降低設(shè)備和生產(chǎn)運(yùn)行成本。

DUPONT公司的EcoConcept雙組分水性底色,BASF公司的ColorPro系列水性底色,PPG公司的B1 B2水性底色和Dura-Prime® 電泳漆等,都可適應(yīng)底漆后直接噴涂面漆,也就是所謂的免中涂工藝。

試驗(yàn)證明當(dāng)鋼板表面粗糙度(Ra)不大于1.0μm時(shí),電泳后表面粗糙度為0.2~0.35μm的條件下,采用無(wú)中涂工藝進(jìn)行涂裝,面漆的桔皮值可滿足LW≤10和SW≤25的要求[3],BASF公司的研究結(jié)果表明,電泳涂層的粗糙度(Ra) ≤0.4μm,免中涂工藝的裝飾性和傳統(tǒng)工藝相當(dāng),同時(shí),涂層的其它性能與傳統(tǒng)涂層也沒(méi)有明顯的差別。

顯然,采用無(wú)中涂工藝,可以省去中涂涂裝線的建設(shè)投資、相應(yīng)的材料消耗、人工費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用等,在大幅度降低涂裝成本的同時(shí),提高了生產(chǎn)效率。DC公司Bremen工廠的一條線于2003年1月轉(zhuǎn)換為無(wú)中涂工藝,VW、BMW、AUDI、FIAT等公司也已經(jīng)開(kāi)始或準(zhǔn)備應(yīng)用此工藝。

一汽自主開(kāi)發(fā)的一體化涂裝技術(shù)中的溶劑型無(wú)中涂工藝于07年在青島汽車廠駕駛室涂裝中正式應(yīng)用。

隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步,多功能噴涂機(jī)器人(Vario-Robot)得到應(yīng)用,顯示出其功能方面的突出優(yōu)點(diǎn)。不僅使標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)噴涂段噴杯數(shù)量由9支減少到6支,標(biāo)準(zhǔn)噴漆室寬度由4.6米減少到3.8米,可節(jié)能17%,而且,取消了頂噴機(jī)橫梁,消除了典型自動(dòng)噴涂機(jī)的種種弊端。

為解決水性涂料靜電噴涂外部接電方式傳遞效率低的問(wèn)題,一種彈匣式旋杯系統(tǒng)(VOLTAGE BLOCK SYSTEM)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并得到應(yīng)用。此系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是:

  • 水性涂料直接帶電進(jìn)行涂裝,提高了材料利用率;

  • 同時(shí)適用于溶劑型涂料和水性涂料;

  • 只要增加彈匣即可實(shí)現(xiàn)臨時(shí)的小批量顏色涂裝;

  • 換色時(shí)只要更換彈匣即可,在短時(shí)間內(nèi)即可完成;

  • 因?yàn)閾Q色時(shí)不需要清洗彈匣,涂料和溶劑損失為零;

  • 換色時(shí)只需要清洗噴杯,與其它系統(tǒng)相比,清洗溶劑消耗減少93%以上,更有利于節(jié)省資源的減少公害;

  • 機(jī)械人手臂不再需要搭載換色閥和涂料泵送系統(tǒng),設(shè)備簡(jiǎn)潔易維護(hù)。彈匣旋杯系統(tǒng)在日本應(yīng)用較多。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

安全、環(huán)保是21世紀(jì)汽車行業(yè)發(fā)展的主題,旨在不斷降低汽車對(duì)人類生存環(huán)境不良影響的法規(guī)不斷出臺(tái)和實(shí)施。

2000年9月,歐盟委員會(huì)和歐洲議會(huì)制定了關(guān)于報(bào)廢機(jī)動(dòng)車回收利用管理的指令(DIRECTIVE 2000/53/EC),規(guī)定成員國(guó)要在2001年完成國(guó)內(nèi)立法,見(jiàn)表5、表6。

2005年開(kāi)始新車車輛型式認(rèn)證要求85%再使用,限期禁用鎘、汞、鉛和六價(jià)鉻等重金屬。

2006年12月,歐盟化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)和限制(concerning the registration, evaluation, authorization and restriction of chemicals)制度(簡(jiǎn)稱歐盟REACH法規(guī))獲得通過(guò),于2007年6月1日正式實(shí)施,它取代了現(xiàn)行的40個(gè)法規(guī),成為統(tǒng)一的化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)、許可的管理法規(guī)。REACH內(nèi)容涉及汽車產(chǎn)品。

2002年7月日本國(guó)會(huì)通過(guò)了報(bào)廢汽車再生利用法,于2005年1月1日起正式實(shí)施[4]。生命周期評(píng)估(LCA)概念也已經(jīng)開(kāi)始用于評(píng)價(jià)汽車的環(huán)境兼容性。LAC是對(duì)汽車生產(chǎn)、汽車燃料生產(chǎn)、汽車使用和報(bào)廢處理全過(guò)程中,CO2排放、資源消耗和引起的環(huán)境負(fù)擔(dān)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表5 歐盟指令時(shí)間表

圖4 某品牌轎車的LAC評(píng)估結(jié)果

所以環(huán)境友對(duì)未來(lái)汽車涂裝的要求,將是在減少VOC、減少HAPs、消除有毒重金屬的基礎(chǔ)上,對(duì)涂裝用材料的生產(chǎn),涂裝生產(chǎn)直至報(bào)廢處理過(guò)程等全壽命周期的諸多要素進(jìn)行評(píng)估,近幾年,歐洲各大汽車公司推出的新產(chǎn)品都有LAC評(píng)估數(shù)據(jù),生產(chǎn)過(guò)程對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生直接影響,見(jiàn)圖4。

綜上所述,水性涂料在減少VOC排放方面有明顯的優(yōu)勢(shì),但在能耗和CO2排放方面高于溶劑型涂料,按LAC評(píng)估和REACH法規(guī)要求,汽車水性涂料及涂裝還面臨諸多技術(shù)課題。

所以,未來(lái)水性涂料發(fā)展趨勢(shì)是不斷減少法規(guī)禁用物質(zhì)的使用,不斷改進(jìn)施工性能,減少涂裝能耗和CO2排放,追求用戶對(duì)產(chǎn)品性能要求、法規(guī)的要求和企業(yè)的利益三者之間的最佳平衡。北京高能防水涂料有限公司


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