汽車用(yòng)水(shuǐ)性漆技術

摘要：介紹汽車用(yòng)水(shuǐ)性漆的(de)性能、施工工藝、設備、運輸及庫存。并簡要分(fēn)析其經濟效益。
關鍵詞：水(shuǐ)性漆；塗裝工藝；環境保護 0 前言

　爲保護人(rén)類生存環境，現今汽車塗裝的(de)發展趨 勢是低公害、無公害化(huà)。水(shuǐ)性漆的(de)最大(dà)優點是塗層質量堪與傳統溶劑型漆相當，但 VOC 排放量小。其排放量約爲溶劑型漆的(de)三分(fēn)之一，且是實現金屬閃光(guāng)漆低公害化(huà)的(de)唯一途徑。因此，采用(yòng)水(shuǐ)性漆具有 重要意義。

　　近年來(lái)，國際上對(duì) VOC 排放量的(de)要求越來(lái)越嚴。如 1995 年德國大(dà)氣淨化(huà)法就規定，車身被塗 面積的(de) VOC 排放量應小于 35 g ／ m2 在嚴格限制 VOC 排放量的(de)環保要求促使下(xià)，國際上 （ 特别是歐 美(měi)國家 ） 大(dà)力發展水(shuǐ)性漆。目前，歐美(měi)汽車工業發達國家均實現了(le)汽車塗裝水(shuǐ)性化(huà)，汽車塗裝普遍采 用(yòng)水(shuǐ)性漆，汽車用(yòng)水(shuǐ)性漆及其塗裝技術也(yě)已成熟， 水(shuǐ)性漆在品種配套、塗層質量方面可(kě)與傳統溶劑型漆相媲美(měi)。國際上大(dà)力發展的(de)是水(shuǐ)性漆技術，而不是溶劑型漆技術，我國如不用(yòng)水(shuǐ)性漆，将來(lái)在塗裝 技術方面的(de)國際交流與合作會越來(lái)越困難，不利于 我國汽車塗裝技術水(shuǐ)平的(de)提高(gāo)。

　　目前我國正大(dà)力弘揚科學發展觀，走可(kě)持續發展道路，可(kě)以預見對(duì) VOC 排放量的(de)要求會越來(lái)越 嚴格。爲了(le)保護我們的(de)生存環境，增強在塗裝技術 方面的(de)國際交流與合作，提高(gāo)我國汽車塗裝技術水(shuǐ)平。我國汽車公司應考慮用(yòng)水(shuǐ)性漆。實際上，國内 幾家大(dà)汽車公司，如上海大(dà)衆、一汽大(dà)衆等在近年新建的(de)油漆車問裏均有水(shuǐ)性漆預留區(qū)，将來(lái)隻要對(duì)設備稍加改造即可(kě)應用(yòng)水(shuǐ)性漆工藝。

　　1 水(shuǐ)性漆的(de)性能

　　水(shuǐ)性漆與傳統溶劑型漆一樣，基本成分(fēn)包括溶劑、樹脂、顔料和(hé)添加劑等。水(shuǐ)性中塗漆主要有 聚酯和(hé)聚氨酯漆，其施工固體分(fēn)較高(gāo)，一般爲 50 ％ ～ 60 ％。水(shuǐ)性中塗漆的(de)抗石擊性能優于傳統溶劑型 中塗漆。水(shuǐ)性面漆的(de)底色漆主要有丙烯酸和(hé)聚氨酯 漆。水(shuǐ)性清漆由于價格較高(gāo)，目前尚未廣泛應用(yòng)，普遍采用(yòng)的(de)罩光(guāng)清漆是高(gāo)固體分(fēn)雙組分(fēn)溶劑型漆。水(shuǐ)性金屬底漆與溶劑型金屬底漆的(de)溶劑含量比 較見表 1 。從表 1 可(kě)看出，水(shuǐ)性漆所含溶劑主要是水(shuǐ)， 樹脂分(fēn)散在水(shuǐ)中形成聚合物(wù)分(fēn)散體系；而傳統溶劑型漆的(de)溶劑主要是有機溶劑，樹脂在溶劑中形成聚合物(wù)溶液。這(zhè)就是水(shuǐ)性漆與溶劑型漆的(de)最大(dà)差别。

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　　表 2 水(shuǐ)與有機溶劑的(de)物(wù)理(lǐ)性質比較

　　（1） 顔料分(fēn)散性不好。

　　水(shuǐ)性漆屬于聚合物(wù)分(fēn)散體系，顔料分(fēn)散性不是很好，因此須采取措施加以改善。

　　（2） 分(fēn)散粒子的(de)穩定性差。

　　溶解的(de)分(fēn)子對(duì)剪切力、熱(rè)、 pH 等都很穩定，而分(fēn)散的(de)粒子不穩定，因此要對(duì)分(fēn)散體系采取穩定措 施。分(fēn)散粒子受剪切力後會被破壞，因而須考慮在 制造、輸送水(shuǐ)性漆過程中避免剪切力的(de)作用(yòng)。分(fēn)散 粒子對(duì) pH 值很敏感，漆中混入酸性物(wù)質會形成酸 性粒子，從而産生膠化(huà)破壞水(shuǐ)性漆。還(hái)有水(shuǐ)性漆在運輸過程中受寒凍結後分(fēn)散粒子也(yě)會被破壞。

　　（3） 表面張力大(dà)。

　　水(shuǐ)的(de)表面張力大(dà) （ 見表 2） ，故水(shuǐ)性漆的(de)表面張力也(yě)較大(dà)，在施工過程中要加強管理(lǐ)，否則塗裝時(shí)易産生下(xià)列缺陷和(hé)漆膜弊病：

　　a ．易流挂；

　　b ．展平性不好；

　　c ．易産生縮孔、針孔；

　　d ．不易伸人(rén)被塗物(wù)表面的(de)小細縫中。

　　（4） 蒸發熱(rè)和(hé)熱(rè)容值高(gāo)，受溫度、濕度的(de)影(yǐng)響大(dà)。

　　水(shuǐ)的(de)高(gāo)蒸發熱(rè)和(hé)熱(rè)容值 （ 見表 2） 使水(shuǐ)性漆中的(de)水(shuǐ)蒸發慢(màn)。溶劑型漆中溶劑總量的(de) 50 ％在噴塗霧 化(huà)過程中揮發掉，而對(duì)于水(shuǐ)性漆僅爲 25 ％。水(shuǐ)蒸發慢(màn)在塗裝時(shí)易産生流挂，且使塗裝效率變差。因此，需設置中間加熱(rè)區(qū)将水(shuǐ)從水(shuǐ)性底漆塗層中強制揮發出去。在噴塗清漆前必須把 90 ％的(de)水(shuǐ)從水(shuǐ)性底漆 塗層中除掉 （ 防止在最終烘烤時(shí)沸騰的(de)水(shuǐ)穿過清漆 揮發出來(lái) ） 以獲得(de)最佳的(de)漆膜外觀，從而避免水(shuǐ)性底漆被清漆返溶。

　　水(shuǐ)的(de)蒸發速率與相對(duì)濕度密切相關，相對(duì)濕度高(gāo)時(shí)，水(shuǐ)的(de)蒸發速率很低。因此，噴漆室的(de)相對(duì)濕度和(hé)溫度必須控制在一定範圍内，以确保噴漆霧化(huà)過程中适量的(de)水(shuǐ)揮發掉，并且使水(shuǐ)和(hé)有機溶劑在塗 膜中保持适當平衡。這(zhè)個(gè)适當的(de)平衡是很重要的(de)，其可(kě)使塗料有合适的(de)表面張力以潤濕噴塗表面 （ 見 表 2） 。

　　（5） 導電性好。

　　水(shuǐ)的(de)介電常數大(dà) （ 見表 2） ，因此水(shuǐ)性漆的(de)導電性好，一般水(shuǐ)性漆的(de)電阻小于 0 ． 1 M Ω ，而溶劑型漆 有一定的(de)電阻： 0 ． 5 ～ 20 M Ω 。水(shuǐ)性漆的(de)導電性好，當采用(yòng)靜電噴塗時(shí)有特殊要求。

　　（6） 腐蝕性大(dà)。

　　水(shuǐ)性漆含有大(dà)量水(shuǐ)，因而對(duì)容器、輸送管路、 噴漆室體等易受潮部位有腐蝕性，需用(yòng)不鏽鋼或塑 料制品。

　　（7） 流變行爲。

　　流體粘度随剪切率的(de)增加而減少時(shí)稱爲假塑 性流體。假塑性流體的(de)流變行爲與其流變所走路徑有關，也(yě)就是對(duì)時(shí)間有依賴，故稱之爲觸變性流體。 杜邦公司的(de)水(shuǐ)性金屬漆和(hé)水(shuǐ)性色漆本質上屬假塑 性流體。 BASF 公司的(de)水(shuǐ)性漆具有觸變性，其粘度取 決于所用(yòng)的(de)剪切速率及其剪切曆程。基于水(shuǐ)性漆的(de)特性，用(yòng)流杯測量粘度值不具有重現性，隻有用(yòng)旋轉粘度計測出包括低剪切速率下(xià)和(hé)高(gāo)剪切速率下(xià)的(de)數據點完整流變曲線才能給出水(shuǐ)性漆流變行爲的(de)完整特性。

　　2 水(shuǐ)性漆的(de)施工工藝

　　目前歐美(měi)普遍采用(yòng)的(de)水(shuǐ)性漆塗裝 工 藝體系是：陰極電泳漆 ＋ 水(shuǐ)性中塗漆 ＋ 水(shuǐ)性底色漆 ＋ 高(gāo)固體分(fēn)溶劑型罩光(guāng)清漆。水(shuǐ)性漆的(de)施工工藝與溶劑型漆不同，水(shuǐ)性中塗烘幹時(shí)需增加紅外線升溫和(hé)保溫過程，水(shuǐ)性底漆噴塗後增加加熱(rè)揮發過程。一般的(de)水(shuǐ) 性漆施工工藝如下(xià)：

　　（1） 噴塗水(shuǐ)性巾塗漆。

　　（2） 中塗烘幹，工藝參數如下(xià)：

　　揮發：室内條件下(xià) 5 min ；

　　紅外線升溫： 2 ～ 3 min ， 70 ± 10 ℃ （ 車身 ） ；

　　紅外線保溫： 3 ～ 5 min ， 70 ± 10 ℃ （ 車身 ） ；

　　循環熱(rè)空氣升溫：約 5 min ， 165 175 ℃ （ 車身 ） ；

　　循環熱(rè)空氣保溫： 15 min ， 165 ～ 175 ％ （ 車身 ） ；

　　冷(lěng)卻：車身溫度冷(lěng)卻到小于 35 ℃ 。

　　（3） 噴塗水(shuǐ)性底色漆。

　　（4） 加熱(rè)揮發，工藝參數如下(xià)：

　　揮發：室内條件下(xià) 1 ． 5 min ：

　　升溫：紅外線， 1 ． 5 min ， 70 ± 10 ％ （ 車身 ） ；

　　保溫：循環熱(rè)空氣， 2 ． 5 min ， 70 ± 10% （ 車身 ） ；

　　冷(lěng)卻：車身溫度冷(lěng)卻到小于 35 ％ （ 約 2min） 。

　　在加熱(rè)揮發區(qū)必須确保水(shuǐ)性漆中 90 ％以上的(de) 水(shuǐ)分(fēn)揮發掉。

　　（5） 噴雙組分(fēn)清漆。

　　（6） 面漆烘幹。工藝參數如下(xià)：

　　揮發：室内條件下(xià) 3 min ；

　　升溫：紅外線， 10 min ， 125 ± 20 ℃ （ 車身 ） ；

　　保溫：循環熱(rè)空氣， 20 min ， 125 ± 1O ℃ （ 車身 ） ；

　　冷(lěng)卻：車身溫度冷(lěng)卻到小于 35 ℃ 。

　　3 水(shuǐ)性漆的(de)噴塗設備

　　3 ． 1 噴漆室

　　噴漆室的(de)室體、槽子等受潮部位需全部采用(yòng)不鏽鋼。噴漆室内的(de)溫度和(hé)濕度必須嚴格控制，施工區(qū)域内溫度波動不超過± 1 ℃ ，相對(duì)濕度波動不超過± 5 ％，基材或車身溫度應保持在噴漆室條件下(xià)的(de)露點以上。溫度和(hé)濕度會影(yǐng)響到水(shuǐ)性漆膜的(de)顔色、金屬閃光(guāng)效果、漆膜粗糙度、色勻性、防流挂性、結構形态以及對(duì)中塗的(de)潤濕性能，同時(shí)還(hái)将影(yǐng)響到電極的(de)污染 （ 應用(yòng)靜電噴塗時(shí) ） 。最佳噴漆室條件如下(xià)：

　　溫度： 23 ± 1 ℃ ；

　　相對(duì)濕度： 65 ％ ± 5 ％。

　　中塗噴漆室下(xià)降風速：

　　手工區(qū) 0 ． 45 m ／ s

　　靜電噴塗區(qū) 0 ． 30 m ／ s

　　揮發區(qū) 0 ． 20m ／ s

　　底漆噴漆室的(de)下(xià)降風速：

　　手工區(qū) 0 ． 45 m ／ s

　　靜電噴塗區(qū) 0 ． 30 m ／ s

　　空氣自動噴塗區(qū) 0 ． 50m ／ s

　　揮發區(qū) 0 ． 30m ／ s

　　由于采用(yòng)水(shuǐ)性漆時(shí)，噴漆室内的(de)溫度和(hé)濕度必須控制在很小的(de)範圍内，因此采用(yòng)水(shuǐ)性漆的(de)難點是在國内的(de)氣候條件下(xià)，如何保證噴漆室的(de)溫度、濕度條件。目前，在國内還(hái)沒有采用(yòng)水(shuǐ)性漆的(de)經驗，如采用(yòng)水(shuǐ) 性漆工藝，必須加強生産管理(lǐ)和(hé)人(rén)員(yuán)培訓。

　　3 ． 2 調漆室及輸漆系統

　　調漆室應盡可(kě)能靠近噴漆室。調漆室要有溫度調節，以保證施工時(shí)最佳的(de)油漆溫度 （20 ～ 25 ℃ ） 。 調漆室要有足夠的(de)水(shuǐ)性漆庫存空間。當将水(shuǐ)性漆從外送往調漆室時(shí)，需在調漆室存放足夠的(de)時(shí)間，以 将水(shuǐ)性漆升溫到施工溫度。例如，在調漆室内室溫 23 ℃ ，普通(tōng)空調條件下(xià)，一個(gè)裝有水(shuǐ)性漆的(de) 250 L 容器從 5 ℃ 升溫到 20 ℃ 需 48 h 。按此計算(suàn)，如采用(yòng) 250 L 的(de)運輸容器，油漆車間必須有 5 班的(de)水(shuǐ)性漆庫存周轉量 （ 溶劑型漆的(de)調漆室需 2 班的(de)油漆庫存周轉量 ） 。

　　調漆罐必須用(yòng)不鏽鋼，内表面要盡可(kě)能光(guāng)潔，容器尺寸要盡可(kě)能小。盡量減少容器中的(de)空氣交換來(lái)保持漆面上空氣的(de)濕度，避免油漆可(kě)能在器壁和(hé)攪拌器軸上幹結，因此漆罐必須保持密封。容器中油漆液面不能低于回管，避免攪拌時(shí)産生氣泡。避免污染。

　　輸漆管路系統采用(yòng)大(dà)直徑循環管道，避免系統高(gāo)壓。避免使用(yòng)會留下(xià)死角的(de)管道附件和(hé)短徑彎頭，應該用(yòng)直徑不變的(de)連接管。變徑時(shí)用(yòng)分(fēn)級管來(lái)代替漸縮管。管路需采用(yòng)不鏽鋼或塑性材料，系統中其它的(de)受潮部分(fēn)也(yě)應爲不鏽鋼制品。所有部件，尤其是焊接接頭等，必須經過鈍化(huà)處理(lǐ)。應避免使用(yòng)含矽樹脂、兩性電解質等材料用(yòng)于密封的(de)襯墊、 閥門、活塞等，這(zhè)些材料會導緻油漆縮孔。

　　輸漆系統一般設有兩道過濾，金屬漆的(de)前道過濾器規格爲 100 ～ 150 μ m ，單色漆的(de)前道過濾器規格爲 46 ～ 60 μ m 。後道過濾均可(kě)采用(yòng) 100 ～ 150 μ m 的(de)過 濾器。

　　3 ． 3 噴塗設備

　　水(shuǐ)性漆可(kě)用(yòng)空氣噴槍、靜電空氣噴槍或高(gāo)速旋杯進行施工。高(gāo)速旋杯的(de)外置式荷電系統已經在德國、歐洲和(hé)美(měi)國市場(chǎng)誕生，直接荷電的(de)水(shuǐ)性漆系統和(hé)後來(lái)與地絕緣的(de)輸漆系統現正在許多(duō)生産線上得(de)到應用(yòng)。

　　霧化(huà)方面的(de)基本情況 （ 如油漆液滴的(de)分(fēn)散、沉積、噴塗效率等 ） 和(hé)溶劑型金屬底漆大(dà)緻相同。但水(shuǐ)性漆對(duì)流量和(hé)漆霧變化(huà)更加敏感，如有不當，容易導緻漆膜發花和(hé)針 孔 。因此需增加工藝控制内容，如流體環路控制、霧化(huà)空氣控制、瞬時(shí)觸發控制和(hé)噴槍目标距離環路控制。

　　水(shuǐ)性底漆噴塗設備要求特殊的(de)清洗溶劑和(hé)增加換色次數，以确保設備内部清潔。此外，易受潮部位要全部采用(yòng)不鏽鋼。

　　4 水(shuǐ)性漆的(de)運輸及庫存

　　水(shuǐ)性漆對(duì)溫度很敏感，如果貯存在低于冰點的(de)溫度時(shí)會改變油漆的(de)溶解特性，由此導緻油漆中活性物(wù)質沉澱，材料就不均勻。經過重新加熱(rè)後，水(shuǐ)性漆不會回到均質狀态，它的(de)特性将被破壞。因此， 水(shuǐ) 性 漆運輸和(hé)貯存時(shí)有較高(gāo)要求。溫度控制在 ＋ 5 ℃ 到 30 ℃ ，在冬季和(hé)夏季運輸過程中需有加熱(rè)或冷(lěng)卻 裝置，爲此必須使用(yòng)控熱(rè)的(de)卡車或運載裝置，在倉 庫和(hé)調漆室内需有空調。

　　因水(shuǐ)性漆中含水(shuǐ)，故會使傳統油漆運輸設備産生腐蝕，不僅損壞設備，而且油漆本身易受 3 價離子如 Fe 3＋ 的(de)影(yǐng)響，這(zhè)些離子将影(yǐng)響油漆的(de)流變特性。因此，要求所有接觸到水(shuǐ)性漆的(de)設備需用(yòng)不鏽鋼或塑料制品。

　　水(shuǐ)性漆貯存穩定性僅 3 個(gè)月(yuè)，對(duì)運輸和(hé)貯存又有較高(gāo)要求。因此，國内汽車公司如采用(yòng)水(shuǐ)性漆不宜從國外進口，最好就近生産，便于及時(shí)供貨。 BASF 、杜邦等油漆供應商均表示過，如中國汽車公司考慮采用(yòng)水(shuǐ)性漆，他(tā)們準備在中國建立水(shuǐ)性漆生産基地。

　　5 經濟效益分(fēn)析

　　5 ． 1 VoC 分(fēn)析

　　目前，國内汽車公司采用(yòng)溶劑型漆時(shí)每平方米 車身塗裝面積的(de) VOC 排放量約爲 130 g ／ m2 ，遠(yuǎn)不 能滿足環保要求。如采用(yòng)水(shuǐ)性漆 （ 陰極電泳 ＋ 水(shuǐ)性 中塗 ＋ 水(shuǐ)性底漆 ＋ 溶劑型雙組分(fēn)高(gāo)固體分(fēn)清漆 ） ， 每平方米車身塗裝面積的(de) VOC 排放量可(kě)降低到約 36 g ／ m2 。因此，采用(yòng)水(shuǐ)性漆可(kě)大(dà)幅降低油漆車間的(de) VOC 排放量。

　　5 ． 2 能耗分(fēn)析

　　水(shuǐ)性漆的(de)能耗與溶劑型漆存在 3 個(gè)方面不同： 噴漆室溫濕度調節，中間加熱(rè)揮發，排風淨化(huà)過程。綜合來(lái)看，采用(yòng)水(shuǐ)性漆的(de)能耗較大(dà)。

　　（1） 噴漆室溫度、濕度調節。

　　水(shuǐ)性漆噴漆室的(de)溫度最佳控制在 23 ± 1 ℃ ，相 對(duì)濕度控制在 65 ％± 5 ％。溫度、濕度調節需要消耗額外的(de)能量，能耗大(dà)小取決于外部天氣條件。

　　（2） 中間加熱(rè)揮發。

　　金屬底漆塗覆後的(de)中間揮發過程中，由于蒸發時(shí)間不能任意延長(cháng)，因此需設置中間加熱(rè)區(qū) （ 以紅外輻射和(hé)熱(rè)空氣的(de)形式 ） ，爲此能耗增加。

　　（3） 排風淨化(huà)過程。

　　使用(yòng)傳統的(de)溶劑型底漆時(shí)，爲達到環保标準， 噴漆室的(de)排風需經一定程度的(de)處理(lǐ)，這(zhè)需要增加能耗和(hé)投資。如在采用(yòng)旋轉吸收器解決問題的(de)過程中需要額外的(de)能耗來(lái)克服整個(gè)排風系統的(de)壓差 （ 微粒的(de)精細過濾、旋轉器、排風淨化(huà) ） ，解吸也(yě)需要耗能，如采用(yòng)水(shuǐ)性漆就可(kě)以節省這(zhè)方面的(de)能耗和(hé)投資。

　　5 ． 3 水(shuǐ)性漆材料成本分(fēn)析

　　據資料介紹 ，如采用(yòng)水(shuǐ)性漆，單位質量的(de)油漆材料成本可(kě)能比溶劑型漆增加約 15 ％～ 20 ％。

　　5 ． 4 設備成本分(fēn)析

　　按同樣規模建造一個(gè)水(shuǐ)性漆的(de)油漆車間，其設備投資比溶劑型漆的(de)油漆車間增加約 10 ％。

　　6 結語

　　（1） 目前國際上汽車用(yòng)水(shuǐ)性漆及其塗裝技術已經發展成熟，同内采用(yòng)水(shuǐ)性漆工藝技術上可(kě)行。

　　（2） 采用(yòng)水(shuǐ)性漆工藝可(kě)大(dà)幅降低 VOC 的(de)排放量，有利于環境保護。

　　（3） 水(shuǐ)性漆性能與傳統溶劑型漆相比大(dà)不相同，采用(yòng)水(shuǐ)性漆工藝必須嚴格控制工藝參數，對(duì)設備及運輸儲存均有特殊要求，還(hái)需要高(gāo)質量的(de)生産管理(lǐ)和(hé)人(rén)員(yuán)培訓。

　　（4） 水(shuǐ)性漆不能從國外進口，需就近生産。

　　（5） 采用(yòng)水(shuǐ)性漆工藝的(de)設備投資增加，能耗增加，材料成本增加。