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水性涂料在車身涂裝中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢如果說陰極電泳涂料普及應用是涂裝技術進步的突出體現(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。
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、設備等方面的技術進步，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域相關的技術進步作以小結和展望，供同行參考。 水性涂料在車身涂裝上的應用現(xiàn)狀 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，在國內外汽車零部件涂裝領域已經(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）。 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)
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用
水性涂料應用面臨的問題 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。 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。
2 成本和質量方面 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、設備投資和能源成本都高于溶劑型涂料，而涂裝質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。 材料、工藝及設備的技術進步 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、工藝及設備的技術改進，已經(jīng)使水性涂料涂裝技術進一步成熟，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，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。 一汽自主開發(fā)的一體化涂裝技術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：
未來發(fā)展趨勢 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、許可的管理法規(guī)。REACH內容涉及汽車產(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
圖4 某品牌轎車的LAC評估結果 所以環(huán)境友對未來汽車涂裝的要求，將是在減少VOC、減少HAPs、消除有毒重金屬的基礎上，對涂裝用材料的生產(chǎn)，涂裝生產(chǎn)直至報廢處理過程等全壽命周期的諸多要素進行評估，近幾年，歐洲各大汽車公司推出的新產(chǎn)品都有LAC評估數(shù)據(jù)，生產(chǎn)過程對評估結果產(chǎn)生直接影響，見圖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(guī)要求，汽車水性涂料及涂裝還面臨諸多技術課題。 所以，未來水性涂料發(fā)展趨勢是不斷減少法規(guī)禁用物質的使用，不斷改進施工性能，減少涂裝能耗和CO2排放，追求用戶對產(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 |
