汽车用水性漆技术

汽车水性涂料技术大 中 小李自松(上海大众汽车有限公司200072 )摘要：介绍汽车水性涂料的性能、施工技术、设备、运输和库存。 简要分析经济效益。关键词：水性涂料涂装工艺环境保护0前言为了保护人类的生存环境，目前汽车涂装的发展趋势是低公害、无公害化。 水性涂料的最大优点是涂层质量与传统溶剂型涂料相同，但VOC排放量少。 其排放量约为溶剂型涂料的三分之一，是实现金属闪光涂料低公害化的唯一方法。 因此，采用水性涂料具有重要意义。近年来，国际对VOC排放的要求越来越严格。 1995年德国大气净化法规定，车身复盖面积的VOC排放量不足35 g/m2，在严格限制VOC排放量的环境保护要求下，国际上(特别是欧美国家)必须大力发展水性涂料。 目前，欧美汽车工业发达国家已实现汽车涂装水性化，汽车涂装采用水性涂料，汽车用水性涂料及其涂装技术也已成熟，水性涂料在品种配套、涂装质量方面可与传统溶剂型涂料相媲美。 国际上发展很大的是水性涂料技术，而不是溶剂型涂料技术，我国如果不使用水性涂料，将来在涂装技术方面国际交流与合作会越来越困难，不利于我国汽车涂装技术水平的提高。目前，我国大力推广科学发展观，走可持续发展道路，对VOC排放的要求将越来越严格。 为保护我们的生存环境，在涂装技术方面加强国际交流与合作，提高我国汽车涂装技术水平。 我国汽车公司应考虑使用水性涂料。 事实上，国内的大型汽车公司，如上海的大众、一汽的大众等，在近年新建的油漆车的查询中有水性涂料预约区，将来只要设备稍作改造就可以应用水性涂料技术。1水性涂料的性能水性涂料和传统溶剂型涂料一样，基本成分是溶剂、树脂、颜料和添加剂等。 水性中涂层主要有聚酯和聚氨酯涂料，其施工固体成分高，一般为50 % 60 %。 水性中涂层的抗打石性能优于传统溶剂型中涂层。 水性面漆底色涂料主要是丙烯酸和聚氨酯涂料。 水性清漆因价格高，目前应用不广，但一般采用的清漆为高固体成分双组分溶剂型涂料。 水性金属底漆和溶剂型金属底漆溶剂含量的比较如表1所示。 如表1所示，水性涂料中所含溶剂主要为水，树脂分散在水中而形成聚合物分散体系. 这就是水性涂料和溶剂型涂料最大的区别。表1水性金属底漆和溶剂型金属底漆溶剂含量比较水的独特性质(表2 )水性涂料的性质也不寻常，在许多方面与传统溶剂型涂料不同。表2水与有机溶剂物性比较(1)颜料分散性差。水性涂料为聚合物分散体系，颜料分散性不太好，必须采取改善措施。(2)分散粒子稳定性差。溶解的分子对剪切力、热、pH等稳定，但分散的粒子不稳定，必须对分散体系采取稳定的措施。 由于分散粒子受剪切力时会被破坏，因此在水性涂料的制造、运输中必须考虑避免剪切力的作用。 分散粒子对pH值敏感，涂料中混入酸性物质后形成酸性粒子，凝胶化破坏水性涂料。 另外，水性涂料在运输中冷冻时分散粒子也会被破坏。(3)表面张力大。由于水的表面张力大(参照表2 )，水性涂料的表面张力也大，如果施工中不强化管理，涂装时容易发生以下缺陷和涂膜的弊病a .容易流动b .展平性差c .容易产生缩痕、针孔d .人的被涂物表面的小缝难以伸长。(4)蒸发热和热容量值高，温度、湿度影响大。水的高蒸发热和热容量值(参照表2 )使水性涂料中水的蒸发变慢。 溶剂型涂料中溶剂总量的50 %在喷雾雾化过程中挥发，但相对于水性涂料只有25 %。 水蒸发慢的话，涂装时容易发生下垂，涂装效率变差。 因此，需要设置中间加热区使水从水性底涂层中强制挥发。 涂漆前，必须从水性底漆层中清除90 %的水(最终烧结时沸腾的水不能通过清漆挥发)，优化涂料的外观，防止水性底漆溶解于清漆中。水的蒸发速度与相对湿度密切相关，相对湿度高时，水的蒸发速度低。 因此，应将喷涂室的相对湿度和温度控制在一定范围内，使喷涂雾化过程中适量的水挥发，使水和有机溶剂在喷涂膜中保持适当的平衡。 这种适当的平衡很重要，能给涂料以适当的表面张力润湿表面(参照表2 )。(5)导电性好。由于水的介电常数大(参照表2 )，水性涂料的导电性好，一般水性涂料的电阻小于0.1m，溶剂型涂料有一定的电阻： 0.520m。 水性涂料导电性好，采用静电喷涂有特殊要求。(6)腐蚀性大。由于水性涂料含有大量的水，容器、输送管路、涂装室体等容易受潮的部位有腐蚀性，需要不锈钢或塑料制品。(七)流变行为。流体的粘度随着剪切率的增加而减少的情况称为拟塑性流体。 假塑性流体的流变行为与流变行走的路径有关，即依赖于时间，因此被称为触变性流体。 杜邦公司水性金属涂料和水性涂料本质上是假塑性流体。 BASF公司的水性涂料具有触变性，其粘度取决于使用的剪切速度和剪切历史。 基于水性涂料的特性，流杯测定的粘度值没有再现性，只有用旋转粘度计测定包括低剪切速度下和高剪切速度下在内的数据点的完全流变曲线，才能给出水性涂料流变行为的完全特性。双水性涂料的施工技术目前欧美普遍采用的水性涂料涂装技术体系是阴极电泳涂料水性中涂装水性底色涂料固体成分溶剂型涂装清漆。 水性涂料的施工技术与溶剂型涂料不同，水性涂装干燥需要增加红外线的升温和保温过程，增加水性底漆涂装后加热挥发的过程。 一般水性涂料的施工技术如下(1)喷涂水性毛巾进行涂装。(2)涂装干燥、工艺参数如下：挥发：室内条件下5 min；红外线升温：2 3 min，70(车身)红外线保温：3 5 min、70(车身)循环热风升温：约5 min，165 175 (车体)循环热风保温： 15 min，165 175 % (车身)冷却：冷却至车身温度低于35 。(3)喷涂水性底色涂料。(4)加热挥发、工艺参数如下：挥发：室内条件下1 . 5 min :升温：红外线，1 . 5 min，70% (车身)保温：循环热风，2 . 5 min，70% (车身)冷却：冷却至车身温度低于35 % (约2min )。加热挥发区应确保水性涂料中90 %以上的水分挥发。(5)喷涂双组分清漆。(6)面漆干燥。 工艺参数包括挥发：室内条件下3 min；升温：红外线、10 min、125(车身)保温：循环热风、20 min、125 1O (车身)冷却：冷却至车身温度低于35 。3水性涂料的涂装设备3 . 1涂装室涂装室的室体、油箱等受潮部分均须采用不锈钢。 涂装室内温度和湿度应严格控制，施工区域内温度波动在1 以下，相对湿度波动在5 %以下，基材和车身温度应保持在涂装室条件下的露点以上。 温度和湿度影响水性涂膜的颜色、金属闪光效果、涂膜粗糙度、颜色均匀性、防流性、结构形态、对涂装的润湿性，同时也影响电极的污染(适用静电涂装时)。 最佳涂装室的条件如下：温度： 23 1 ；相对湿度： 65 % 5 %。涂装室的下降风速：手动区域0 . 45 m/s静电喷涂区域0 . 30 m/s挥发区0.20米/秒底漆室的下降风速：手动区域0 . 45 m/s静电喷涂区域0 . 30 m/s空气自动涂装区域0 . 50m/s挥发区0 . 30m/s采用水性涂料时，必须将涂装室内的温度和湿度控制在较小的范围内，因此采用水性涂料的难点是如何在国内气候条件下保证涂装室的温度、湿度条件。 目前国内没有采用水性涂料的经验。 采用水性涂料技术，应加强生产管理和人员培训。3 . 2涂装室和涂装系统喷漆室应尽量靠近喷漆室。 涂装室需要进行温度调节，以保证施工时的最高涂装温度(20 25 )。 喷漆房需要足够的水性涂料库存空间。 将水性涂料从外部输送到涂装室时，需要在涂装室保管足够的时间，将水性涂料升温到施工温度。 例如，涂装室的室温为23 ，在普通的空调条件下，装有水性涂料的250 L容器从5 升温到20 需要48小时。 根据该计算，采用250 L输送容器，油漆厂需要5班水性涂料库存旋转量(溶剂型涂料的涂装室需要2班涂料库存旋转量) 。油漆罐应由不锈钢制成，内表面应尽量清洁，容器尺寸应尽量小。 为了尽量减少容器中的空气交换，保持油漆面的空气湿度，防止油漆干燥附着在器壁和搅拌轴上，油漆罐必须密封。 容器内的油漆液面不要低于回流管，搅拌时不要产生气泡。 避免污染。送漆管道系统采用大直径循环管道，避免系统高压。 请勿使用有死角的配管附件或短径弯管，请使用直径一定的连接管。 改变直径时，用分级管代替渐变管。 管路必须采用不锈钢或塑料材料，系统的其他湿气部分也必须是不锈钢制品。 所有部件，尤其是焊接接头等，必须钝化。 请勿使用将硅酮树脂、两性电解质等材料用于密封的密封垫片、阀门、活塞等。涂装系统一般设有两根过滤，金属涂料的前路过滤器规格为100 150 m，单色涂料的前路过滤器规格为46 60 m。 后道过滤均可使用100 150 m的过滤器。3 . 3涂装设备水性涂料可以用喷气枪、静电喷气枪或高速杯施工。 高速旋转杯的外接式带电系统诞生于德国、欧洲和美国市场，直接带电的水性涂料系统和后与地面绝缘的涂料输送系统目前在许多生产线上应用。雾化的基本情况(油漆液滴的分散、堆积、涂装效率等)与溶剂型金属底漆基本相同。 但是水性涂料对流量和涂料雾沫的变化敏感，如果不适当，容易导致涂膜的发花和针孔。 因此，需要增加流体环路控制、雾化空气控制、瞬时触发控制、喷枪目标距离环路控制等过程控制内容。水性底漆涂装设备为了清洁设备内部，需要增加特别的清洗溶剂和换色次数。 此外，所有潮湿的部分应采用不锈钢。4水性涂料的运输和库存水性涂料对温度敏感，贮藏在冰点以下的温度会改变涂料的溶解特性，使涂料中的活性物质沉淀，材料变得不均匀。 再加热后，水性涂料不能恢复均质状态，其特性受损。 因此，对水性涂料的运输和贮藏有很高的要求。 温度控制在5 30，冬夏运输中需要加热和冷却装置，因此必须使用控制热量的卡车和搬运装置，仓库和涂装室需要空调。由于水性涂料含水，传统的涂料输送设备发生腐蚀，不仅损坏了设备，而且涂料本身容易受到Fe 3等三价离子的影响，因此这些离子会影响涂料的流变特性。 因此，接触水性涂料的所有设备都需要不锈钢或塑料制品。水性涂料贮藏稳定性仅为3个月，对运输和贮藏要求很高。 因此，国内汽车公司如果采用水性涂料，不得从国外进口，最好在附近生产，能及时上市。 BASF、杜邦等油漆供应商表示，如果中国汽车公司考虑采用水性涂料，他们将在中国建立水性涂料生产基地。5经济效益分析5 . 1 VoC分析目前国内汽车公司采用溶剂型涂料时，车身涂装面积的VOC排放量约为130 g/m2，远远不能满足环境保护的要求。 采用水性涂料(阴极电泳水性涂层水性底漆溶剂型双组分高固体清漆)，每个车身涂装面积的VOC排放量可降低到约36 g/m2。 因此，采用水性涂料可大幅度降低涂料厂的VOC排放量。5 . 2能源消耗分析水性涂料的能耗与溶剂型涂料有三个不同点：调节涂装室温湿度、中间加热挥发、排风净化过程。 综合来看，采用水性涂料的能耗很大。(1)涂装室的温度、湿度调节。水性涂料涂装室的温度最好控制在23 1 ，相对湿度最好控制在65 % 5 %。 温度、湿度的调节需要消耗额外的能源，能源的消耗量取决于外部气象条件。(2)中间加热挥发。在金属底漆涂布后的中间挥发过程中，由于不能任意延长蒸发时间，因此需要设置中间加热区域(红外线辐射和热风的形状)，因此能量消耗增加。(3)排风净化过程。使用传统溶剂型底漆时，为了达到环境标准，涂装室的排气需要进行一定程度的处理，需要增加能源消耗和投资。 在采用旋转吸收器解决问题的过程中，如果需要额外的能量消耗来克服整个排气系统的压差(微粒子的微过滤、旋转器、排气净化)，装卸也需要能量消耗，采用水性涂料可以节约这方面的能量消耗和投资。5 . 3水性涂料材料成本分析资料显示，采用水性涂料，每单位质量的涂料材料成本可能比溶剂型涂料增加约15