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水性涂料在車(chē)身涂裝中的應用現狀及發(fā)展趨勢

如果說(shuō)陰極電泳涂料普及應用是涂裝技術(shù)進(jìn)步的突出體現的話(huà),那么,上世紀90年代初開(kāi)始逐步普及應用的水性中涂和面漆則是汽車(chē)涂裝應對環(huán)保法規的重要體現,應用水性涂料,可使車(chē)身涂裝的VOC排放降到20g/m2,低于歐洲45g/m2的VOC標準。

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

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

水性涂料在車(chē)身涂裝上的應用現狀

眾所周知,歐、美、日等汽車(chē)發(fā)達國家和地區,對汽車(chē)涂裝均有嚴格的強制VOC排放要求。為應對VOC排放的標準要求,汽車(chē)涂裝是以采用少無(wú)VOC的環(huán)保材料為主,普及應用電泳涂料、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,在國內外汽車(chē)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、涂層結構最復雜的車(chē)身,底漆也早已普及電泳涂裝。

然而,車(chē)身的中涂、底色和面漆采用的涂料品種對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(chē)涂裝VOC排放的50%以上,水性底色VOC排放僅相當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(xiàn)上應用,到2008年,水性底色的普及率,德國接近100%,西歐超過(guò)80%,日本接近70%,美國由于新建涂裝線(xiàn)不多,普及率在40%左右(見(jiàn)圖3)。

中國于2006年頒布了針對汽車(chē)制造業(yè)涂裝的清潔生產(chǎn)標準(HJ/T 293-2006),雖然此標準只是推薦性的,但也促進(jìn)了水性中涂和底色的應用。到2008年國內汽車(chē)車(chē)身底漆幾乎與國際同步,普及了陰極電泳,水性中涂和水性底色的應用如表1所示。

圖1 不同涂裝材料的VOC排放數據

圖2 典型轎車(chē)車(chē)身涂裝總VOC排放量

圖3 歐美日水性底色的應用

水性涂料應用面臨的問(wèn)題

應用水性涂料減少VOC排放效果十分顯著(zhù),火災危險性等級也相應下降。

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

然而,與溶劑型涂料相比,水性涂料應用需要面對一系列新問(wèn)題。

1 能耗和環(huán)保方面

由于水和有機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),必須采取強制加熱法加速晾干。水性中涂烘干也需要水分預烘干。

涂料儲運及噴涂室的溫濕度要求也需要相應的能源保證。所以,相對溶劑型涂料,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。

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,應用水性涂料無(wú)論是材料成本、管理成本、設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)格高于傳統涂料,它的導電性使靜電噴涂設備復雜化,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內部荷電方式低約10%,意味著(zhù)增加材料消耗。涂料的粘度觸變性對輸漆和噴涂系統的特殊要求,它的腐蝕性直接導致涂裝車(chē)間建設投資的增加。

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

材料、工藝及設備的技術(shù)進(jìn)步

針對水性涂料應用中面臨的突出問(wèn)題,在過(guò)去的十年中,持續地圍繞材料、工藝及設備的技術(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)始被低成本轉換概念(LCCC)水性中涂所替代,烘干規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(guān)質(zhì)量?jì)?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,可以降低設備和生產(chǎn)運行成本。

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,都可適應底漆后直接噴涂面漆,也就是所謂的免中涂工藝。

試驗證明當鋼板表面粗糙度(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(mǎn)足LW≤10和SW≤25的要求[3],BASF公司的研究結果表明,電泳涂層的粗糙度(Ra) ≤0.4μm,免中涂工藝的裝飾性和傳統工藝相當,同時(shí),涂層的其它性能與傳統涂層也沒(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(xiàn)的建設投資、相應的材料消耗、人工費用、運行費用等,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(chǎng)的一條線(xiàn)于2003年1月轉換為無(wú)中涂工藝,VW、BMW、AUDI、FIAT等公司也已經(jīng)開(kāi)始或準備應用此工藝。

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(chē)廠(chǎng)駕駛室涂裝中正式應用。

隨著(zhù)機器人技術(shù)的進(jìn)步,多功能?chē)娡繖C器人(Vario-Robot)得到應用,顯示出其功能方面的突出優(yōu)點(diǎn)。不僅使標準的自動(dòng)噴涂段噴杯數量由9支減少到6支,標準噴漆室寬度由4.6米減少到3.8米,可節能17%,而且,取消了頂噴機橫梁,消除了典型自動(dòng)噴涂機的種種弊端。

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(VOLTAGE BLOCK SYSTEM)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并得到應用。此系統的突出優(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)間內即可完成;

  • 因為換色時(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,與其它系統相比,清洗溶劑消耗減少93%以上,更有利于節省資源的減少公害;

  • 機械人手臂不再需要搭載換色閥和涂料泵送系統,設備簡(jiǎn)潔易維護。彈匣旋杯系統在日本應用較多。

未來(lái)發(fā)展趨勢

安全、環(huán)保是21世紀汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的主題,旨在不斷降低汽車(chē)對人類(lèi)生存環(huán)境不良影響的法規不斷出臺和實(shí)施。

2000年9月,歐盟委員會(huì )和歐洲議會(huì )制定了關(guān)于報廢機動(dòng)車(chē)回收利用管理的指令(DIRECTIVE 2000/53/EC),規定成員國要在2001年完成國內立法,見(jiàn)表5、表6。

2005年開(kāi)始新車(chē)車(chē)輛型式認證要求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、評估、授權和限制(concerning the registration, evaluation, authorization and restriction of chemicals)制度(簡(jiǎn)稱(chēng)歐盟REACH法規)獲得通過(guò),于2007年6月1日正式實(shí)施,它取代了現行的40個(gè)法規,成為統一的化學(xué)品注冊、評估、授權、許可的管理法規。REACH內容涉及汽車(chē)產(chǎn)品。

2002年7月日本國會(huì )通過(guò)了報廢汽車(chē)再生利用法,于2005年1月1日起正式實(shí)施[4]。生命周期評估(LCA)概念也已經(jīng)開(kāi)始用于評價(jià)汽車(chē)的環(huán)境兼容性。LAC是對汽車(chē)生產(chǎn)、汽車(chē)燃料生產(chǎn)、汽車(chē)使用和報廢處理全過(guò)程中,CO2排放、資源消耗和引起的環(huán)境負擔進(jìn)行評價(jià)。

表5 歐盟指令時(shí)間表

圖4 某品牌轎車(chē)的LAC評估結果

所以環(huán)境友對未來(lái)汽車(chē)涂裝的要求,將是在減少VOC、減少HAPs、消除有毒重金屬的基礎上,對涂裝用材料的生產(chǎn),涂裝生產(chǎn)直至報廢處理過(guò)程等全壽命周期的諸多要素進(jìn)行評估,近幾年,歐洲各大汽車(chē)公司推出的新產(chǎn)品都有LAC評估數據,生產(chǎn)過(guò)程對評估結果產(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,但在能耗和CO2排放方面高于溶劑型涂料,按LAC評估和REACH法規要求,汽車(chē)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)展趨勢是不斷減少法規禁用物質(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(hù)對產(chǎn)品性能要求、法規的要求和企業(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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