水性涂料在車身涂裝中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

吳  濤

（中國第一汽車集團公司生產(chǎn)制造技術(shù)部，長春130011）

       水性涂料在汽車涂裝中被廣泛應用,，顯著降低涂裝的VOC排放,，同時帶來的成本、能耗的提高,，施工管理復雜化等問題,，近幾年材料、工藝,、設(shè)備等方面的技術(shù)進步,，已使這些問題逐步得到解決。但隨著對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),。

       如果說陰極電泳涂料普及應用是涂裝技術(shù)進步的突出體現(xiàn)的話，那么,，上世紀90年代初開始逐步普及應用的水性中涂和面漆則是汽車涂裝應對環(huán)保法規(guī)的重要體現(xiàn),，應用水性涂料，可使車身涂裝的VOC排放降到20g/m2,，低于歐洲45g/m2的VOC標準[1],。然而，在VOC排放顯著降低的同時,，帶來成本,、能耗的提高和施工管理復雜化等問題，近幾年材料,、工藝,、設(shè)備等方面的技術(shù)進步，已使這些問題逐步得到解決,。但隨著對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)進步作以小結(jié)和展望,，供同行參考,。

       眾所周知,，歐、美,、日等汽車發(fā)達國家和地區(qū),，對汽車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,，汽車涂裝是以采用少無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(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VOC排放影響很大（詳見圖1和圖2），圖中可見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用,，到2008年，水性底色的普及率,，德國接近100%,，西歐超過80%，日本接近70%,，美國由于新建涂裝線不多,，普及率在40%左右（見圖3）[2]。中國于2006年頒布了針對汽車制造業(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,，但也促進了水性中涂和底色的應用。到2008年國內(nèi)汽車車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(shù)據(jù)

注：圖表資料來源Dupont Herberts

圖2 典型轎車車身涂裝總VOC排放量

注：圖表資料來源Dupont Herberts

圖3 歐美日水性底色的應用

注：圖表資料來源Dupont Herberts

表1 國內(nèi)水性中涂及水性底色應用情況

       應用水性涂料減少VOC排放效果十分顯著，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(tǒng)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題,。

2.1 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（見表4）,。水的蒸發(fā)氣壓和熱熔[u8] 比有機溶劑高，在噴涂過程中,，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。

表2 水和有機溶劑有關(guān)物化特性參數(shù)對比

表3 某種水性底色和溶劑型底色組成對比

表4 某種水性底色和溶劑型底色施工條件對比

2.2 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)量沒有提高或可能降低,。水性涂料的價格高于傳統(tǒng)涂料，它的導電性使靜電噴涂設(shè)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(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輸漆和噴涂系統(tǒng)的特殊要求,，它的腐蝕性直接導致涂裝車間建設(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)波動容易導致產(chǎn)生漆膜弊病,，降低涂裝一次合格率。

     針對水性涂料應用中面臨的突出問題,，在過去的十年中，持續(xù)地圍繞材料,、工藝及設(shè)備的技術(shù)改進,，已經(jīng)使水性涂料涂裝技術(shù)進一步成熟，明顯降低成本的新工藝已經(jīng)得到應用,，進一步促進了水性涂料的普及,。一代水性中涂已經(jīng)開始被低成本轉(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)量優(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(shè)備和生產(chǎn)運行成本[2],。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,，電泳后表面粗糙度為0.2~0.35μm的條件下，采用無中涂工藝進行涂裝,，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，同時,，涂層的其它性能與傳統(tǒng)涂層也沒有明顯的差別,。顯然，采用無中涂工藝，可以省去中涂涂裝線的建設(shè)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,，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)換為無中涂工藝,，VW,、BMW、AUDI,、FIAT等公司也已經(jīng)開始或準備應用此工藝[2],。一汽自主開發(fā)的一體化涂裝技術(shù)中的溶劑型無中涂工藝于07年在青島汽車廠駕駛室涂裝中正式應用。

       隨著機器人技術(shù)的進步,，多功能噴涂機器人（Vario-Robot）得到應用,，顯示出其功能方面的突出優(yōu)點。不僅使標準的自動噴涂段噴杯數(shù)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(jié)能17％，而且,，取消了頂噴機橫梁,，消除了典型自動噴涂機的種種弊端。為解決水性涂料靜電噴涂外部接電方式傳遞效率低的問題,，一種彈匣式旋杯系統(tǒng)（VOLTAGE BLOCK SYSTEM）被開發(fā)出來并得到應用,。此系統(tǒng)的突出優(yōu)點是：水性涂料直接帶電進行涂裝，提高了材料利用率,；同時適用于溶劑型涂料和水性涂料,；只要增加彈匣即可實現(xiàn)臨時的小批量顏色涂裝；換色時只要更換彈匣即可,，在短時間內(nèi)即可完成,；因為換色時不需要清洗彈匣，涂料和溶劑損失為零,；換色時只需要清洗噴杯,，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)備簡潔易維護,。彈匣旋杯系統(tǒng)在日本應用較多[2],。

      安全,、環(huán)保是21世紀汽車行業(yè)發(fā)展的主題，旨在不斷降低汽車對人類生存環(huán)境不良影響的法規(guī)不斷出臺和實施,。2000年9月,，歐盟委員會和歐洲議會制定了關(guān)于報廢機動車回收利用管理的指令（DIRECTIVE 2000/53/EC），規(guī)定成員國要在2001年完成國內(nèi)立法,，見表5,、表6。2005年開始新車車輛型式認證要求85％再使用,，限期禁用鎘,、汞、鉛和六價鉻等 重金屬,。2006年12月,，歐盟化學品注冊、評估,、授權(quán)和限制(concerning the registration, evaluation, authorization and restriction of chemicals)制度(簡稱歐盟REACH法規(guī))獲得通過,，于2007年6月1日正式實施，它取代了現(xiàn)行的40個法規(guī),，成為統(tǒng)一的化學品注冊,、評估、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月日本國會通過了報廢汽車再生利用法,，于2005年1月1日起正式實施[4],。生命周期評估（LCA）概念也已經(jīng)開始用于評價汽車的環(huán)境兼容性,。LAC是對汽車生產(chǎn),、汽車燃料生產(chǎn)、汽車使用和報廢處理全過程中,CO2排放,、資源消耗和引起的環(huán)境負擔進行評價,。

表5 歐盟指令時間表

表 6　歐盟各個成員國報廢汽車回收利用的相關(guān)法律法規(guī)