汽車用水性漆技術(shù)及研究進(jìn)展

1、汽車用水性漆技術(shù)及研究進(jìn)展摘要：本文主要介紹汽車用水性漆的性能、施工工藝、設(shè)備、運(yùn)輸及庫(kù)存。簡(jiǎn)要 分析其經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)水性漆技術(shù)在汽車上的運(yùn)用前景及研究進(jìn)展作了簡(jiǎn)要的介 紹。關(guān)鍵詞：水性漆；涂裝工藝；環(huán)境保護(hù)前言隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重。基于環(huán)保護(hù)人類 生存環(huán)境，現(xiàn)今汽車涂裝的發(fā)展趨勢(shì)變?yōu)榈凸Α?無(wú)公害化。水性漆的最大優(yōu)點(diǎn) 是涂層質(zhì)量堪與傳統(tǒng)溶劑型漆相當(dāng)，但 VOC排放量小。其排放量約為溶劑型漆 的三分之一，且是實(shí)現(xiàn)金屬閃光漆低公害化的唯一途徑。 因此，采用水性漆具有 重要意義。近年來，國(guó)際上對(duì) VOC排放量的要求越來越嚴(yán)。如 1995年德國(guó)大氣凈 化法就規(guī)定，車身被

2、涂面積的 VOC排放量應(yīng)小于35 g / m2在嚴(yán)格限制VOC 排放量的環(huán)保要求促使下，國(guó)際上（特別是歐 美國(guó)家）大力發(fā)展水性漆。目 前，歐美汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均實(shí)現(xiàn)了汽車涂裝水性化， 汽車涂裝普遍采用水性漆， 汽車用水性漆及其涂裝技術(shù)也已成熟，水性漆在品種配套、涂層質(zhì)量方面可與傳 統(tǒng)溶劑型漆相媲美。國(guó)際上大力發(fā)展的是水性漆技術(shù)， 而不是溶劑型漆技術(shù)，我 國(guó)如不用水性漆，將來在涂裝技術(shù)方面的國(guó)際交流與合作會(huì)越來越困難，不利于我國(guó)汽車涂裝技術(shù)水平的提高。隨著國(guó)際上來的壓力越來越大，可以預(yù)見對(duì) VOC排放量的要求會(huì)越來越 嚴(yán)格，我國(guó)也必須跟上國(guó)際的潮流。為了保護(hù)我們的生存環(huán)境，增強(qiáng)在涂裝技術(shù) 方面的

3、國(guó)際交流與合作，提高我國(guó)汽車涂裝技術(shù)水平。我國(guó)汽車公司應(yīng)考慮用水 性漆。1、水性漆簡(jiǎn)介水性漆就是以水稀釋劑、不含有機(jī)溶劑的涂料，不含苯、甲苯、二甲苯、甲 醛、游離TDI有毒重金屬，無(wú)毒無(wú)刺激氣味，對(duì)人體無(wú)害，不污染環(huán)境，漆膜豐 滿、晶瑩透亮、柔韌性好并且具有耐水、耐磨、耐老化、耐黃變、干燥快、使用 方便等特點(diǎn)?？墒褂迷冢耗酒?、金屬、塑料、玻璃、建筑表面等多中材質(zhì)上。水溶性漆是以水溶性樹脂為成膜物，以聚乙烯醇及其各種改性物為代 表，除此之外還有水溶醇酸樹脂、水溶環(huán)氧樹脂及無(wú)機(jī)高分子水性樹脂等。 1. 2水性漆分類凡是用水作溶劑或者作分散介質(zhì)的涂料，都可稱為水性漆。水性漆包括水溶型、水稀釋型、水分

4、散型（乳膠漆）3種。水溶型：水溶型是以水溶性樹脂為成膜物，以聚乙烯醇及其各種改性 物為代表，除此之外還有水溶醇酸樹脂、水溶環(huán)氧樹脂及無(wú)機(jī)高分子水性 樹脂等。水稀釋型：水稀釋型是指后乳化乳液為成膜物配制的漆，使溶劑型樹 脂溶在有機(jī)溶劑中，然后在乳化劑的幫助下靠強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌使樹脂分散 在水中形成乳液，稱為后乳化乳液，制成的漆在施工中可用水來稀釋。水分散型：水分散型主要是指以合成樹脂乳液為成膜物配制的漆。乳 液是指在乳化劑存在下，在機(jī)械攪拌的過程中，不飽和乙烯基單體在一定溫度條件下聚合而成的小粒子團(tuán)分散在水中組成的分散乳液。將水溶性樹 脂中加入少許乳液配制的漆不能稱為乳膠漆。嚴(yán)格來講水稀釋漆也不能

5、稱 為乳膠漆，但習(xí)慣上也將其歸類為乳膠漆。2、水性漆的性能水性漆與傳統(tǒng)溶劑型漆一樣，基本成分包括溶劑、樹脂、顏料和添加劑等。 水性中涂漆主要有聚酯和聚氨酯漆，其施工固體分較高，一般為50 %60 %。水性中涂漆的抗石擊性能優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑型中涂漆。水性面漆的底色漆主 要有丙烯酸和聚氨酯漆。水性清漆由于價(jià)格較高，目前尚未廣泛應(yīng)用，普遍采用 的罩光清漆是高固體分雙組分溶劑型漆。水性金屬底漆與溶劑型金屬底漆的溶劑 含量比，水性漆所含溶劑主要是水，樹脂分散在水中形成聚合物分散體系；而傳統(tǒng)溶劑型漆的溶劑主要是有機(jī)溶劑，樹脂在溶劑中形成聚合物溶液。這就是水 性漆與溶劑型漆的最大差別。(1)顏料分散性不好。水性

6、漆屬于聚合物分散體系，顏料分散性不是很好，因此須采取措施加以 改善。(2)分散粒子的穩(wěn)定性差。溶解的分子對(duì)剪切力、熱、pH等都很穩(wěn)定，而分散的粒子不穩(wěn)定，因此 要對(duì)分散體系采取穩(wěn)定措施。分散粒子受剪切力后會(huì)被破壞，因而須考慮在制 造、輸送水性漆過程中避免剪切力的作用。分散粒子對(duì) pH值很敏感，漆中混入 酸性物質(zhì)會(huì)形成酸性粒子，從而產(chǎn)生膠化破壞水性漆。還有水性漆在運(yùn)輸過程中 受寒凍結(jié)后分散粒子也會(huì)被破壞。(3)表面張力大。水的表面張力大，故水性漆的表面張力也較大，在施工過程中要加強(qiáng)管理， 否則涂裝時(shí)易產(chǎn)生下列缺陷和漆膜弊?。篴 .易流掛；b .展平性不好；c .易產(chǎn)生縮孔、針孔；d .不易伸人被

7、涂物表面的小細(xì)縫中。(4)蒸發(fā)熱和熱容值高，受溫度、濕度的影響大。水的高蒸發(fā)熱和熱容值使水性漆中的水蒸發(fā)慢。溶劑型漆中溶劑總量的50 %在噴涂霧化過程中揮發(fā)掉，而對(duì)于水性漆僅為 25 %。水蒸發(fā)慢在涂裝時(shí) 易產(chǎn)生流掛，且使涂裝效率變差。因此，需設(shè)置中間加熱區(qū)將水從水性底漆涂層 中強(qiáng)制揮發(fā)出去。在噴涂清漆前必須把90 %的水從水性底漆 涂層中除掉(防 止在最終烘烤時(shí)沸騰的水穿過清漆揮發(fā)出來 )以獲得最佳的漆膜外觀，從而避 免水性底漆被清漆返溶。水的蒸發(fā)速率與相對(duì)濕度密切相關(guān)，相對(duì)濕度高時(shí)，水的蒸發(fā)速率很低。因此，噴漆室的相對(duì)濕度和溫度必須控制在一定范圍內(nèi)， 以確保噴漆霧化過程中 適量的水揮發(fā)掉，

8、并且使水和有機(jī)溶劑在涂膜中保持適當(dāng)平衡。 這個(gè)適當(dāng)?shù)钠胶?是很重要的，具可使涂料有合適的表面張力以潤(rùn)濕噴涂表面(5)導(dǎo)電性好。水的介電常數(shù)大，因此水性漆的導(dǎo)電性好，一般水性漆的電阻小于0 .1 M Q ,而溶劑型漆 有一定的電阻：0 . 520 M Q。水性漆的導(dǎo)電性好，當(dāng)采用靜電噴涂時(shí)有特殊要求。(6)腐蝕性大。水性漆含有大量水，因而對(duì)容器、輸送管路、噴漆室體等易受潮部位有腐蝕性，需用不銹鋼或塑 料制品。(7)流變行為。流體粘度隨剪切率的增加而減少時(shí)稱為假塑性流體。假塑性流體的流變行為與其流變所走路徑有關(guān)，也就是對(duì)時(shí)間有依賴，故稱之為觸變性流體。杜邦公司的水性金屬漆和水性色漆本質(zhì)上屬假塑性流

9、體。BASF公司的水性漆具有觸變性，其粘度取 決于所用的剪切速率及其剪切歷程?；谒云岬奶匦?， 用流杯測(cè)量粘度值不具有重現(xiàn)性，只有用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)出包括低剪切速率下和高 剪切速率下的數(shù)據(jù)點(diǎn)完整流變曲線才能給出水性漆流變行為的完整特性。3、水性漆的噴涂設(shè)備簡(jiǎn)介3 .1噴漆室噴漆室的室體、槽子等受潮部位需全部采用不銹鋼。 噴漆室內(nèi)的溫度和濕 度必須嚴(yán)格控制，施工區(qū)域內(nèi)溫度波動(dòng)不超過1 C ,相對(duì)濕度波動(dòng)不超過5 %,基材或車身溫度應(yīng)保持在噴漆室條件下的露點(diǎn)以上。溫度和濕度會(huì)影響到水性漆膜的顏色、金屬閃光效果、漆膜粗糙度、色勻性、防流掛性、結(jié)構(gòu)形態(tài)以 及對(duì)中涂的潤(rùn)濕性能，同時(shí)還將影響到電極的污染(應(yīng)

10、用靜電噴涂時(shí))。最佳 噴漆室條件如下： 溫度：23 1 C ；相對(duì)濕度：65 % 5 %。中涂噴 漆室下降風(fēng)速：手工區(qū) 0 45 m / s 靜電噴涂區(qū)0 .30 m / s 揮發(fā)區(qū) 0 . 20m / s底漆噴漆室的下降風(fēng)速：手工區(qū) 0 . 45 m / s靜電噴涂區(qū)0 .30 m / s空氣自動(dòng)噴涂區(qū)0 .50m / s 揮發(fā)區(qū)0 .30m / s由于采用水性漆時(shí)，噴漆室內(nèi)的溫度和濕度必須控制在很小的范圍內(nèi)， 因 此采用水性漆的難點(diǎn)是在國(guó)內(nèi)的氣候條件下，如何保證噴漆室的溫度、濕度條件。 目前，在國(guó)內(nèi)還沒有采用水性漆的經(jīng)驗(yàn)， 如采用水性漆工藝，必須加強(qiáng)生產(chǎn)管理 和人員培訓(xùn)。調(diào)漆室及輸漆系統(tǒng)調(diào)

11、漆室應(yīng)盡可能靠近噴漆室。調(diào)漆室要有溫度調(diào)節(jié)，以保證施工時(shí)最佳的 油漆溫度(2025 C )。調(diào)漆室要有足夠的水性漆庫(kù)存空間。當(dāng)將水性漆 從外送往調(diào)漆室時(shí)，需在調(diào)漆室存放足夠的時(shí)間，以將水性漆升溫到施工溫度。調(diào)漆罐必須用不銹鋼，內(nèi)表面要盡可能光潔，容器尺寸要盡可能小。盡量 減少容器中的空氣交換來保持漆面上空氣的濕度，避免油漆可能在器壁和攪拌器軸上干結(jié)，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) 產(chǎn)生氣泡。避免污染。輸漆管路系統(tǒng)采用大直徑循環(huán)管道，避免系統(tǒng)高壓。避免使用會(huì)留下死角 的管道附件和短徑彎頭，應(yīng)該用直徑不變的連接管。變徑時(shí)用分級(jí)管來代替漸縮 管。管路需采用不銹鋼或塑性

12、材料，系統(tǒng)中其它的受潮部分也應(yīng)為不銹鋼制品。 所有部件，尤其是焊接接頭等，必須經(jīng)過鈍化處理。應(yīng)避免使用含硅樹脂、兩性 電解質(zhì)等材料用于密封的襯墊、閥門、活塞等，這些材料會(huì)導(dǎo)致油漆縮孔。輸漆系統(tǒng)一般設(shè)有兩道過濾，金屬漆的前道過濾器規(guī)格為100150卜 m ,單色漆的前道過濾器規(guī)格為 4660卜m。后道過濾均可采用100 150 n m的過濾器。噴涂設(shè)備水性漆可用空氣噴槍、靜電空氣噴槍或高速旋杯進(jìn)行施工。高速旋杯的 外置式荷電系統(tǒng)已經(jīng)在德國(guó)、歐洲和美國(guó)市場(chǎng)誕生，直接荷電的水性漆系統(tǒng)和后 來與地絕緣的輸漆系統(tǒng)現(xiàn)正在許多生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。霧化方面的基本情況(如油漆液滴的分散、沉積、噴涂效率等)和溶劑

13、型金屬底漆大致相同。但水性漆對(duì)流量和漆霧變化更加敏感， 如有不當(dāng)，容易導(dǎo) 致漆膜發(fā)花和針孔。因此需增加工藝控制內(nèi)容，如流體環(huán)路控制、霧化空氣控 制、瞬時(shí)觸發(fā)控制和噴槍目標(biāo)距離環(huán)路控制。水性底漆噴涂設(shè)備要求特殊的清洗溶劑和增加換色次數(shù)，以確保設(shè)備內(nèi)部清潔。止匕外，易受潮部位要全部采用不銹鋼。4、水性漆的運(yùn)輸及庫(kù)存水性漆對(duì)溫度很敏感，如果貯存在低于冰點(diǎn)的溫度時(shí)會(huì)改變油漆的溶解 特性，由此導(dǎo)致油漆中活性物質(zhì)沉淀，材料就不均勻。經(jīng)過重新加熱后，水性漆 不會(huì)回到均質(zhì)狀態(tài)，它的特性將被破壞。因此，水性漆運(yùn)輸和貯存時(shí)有較高要求。 溫度控制在+ 5 c到30 C ,在冬季和夏季運(yùn)輸過程中需有加熱或冷卻裝置，

14、為此必須使用控?zé)岬目ㄜ嚮蜻\(yùn)載裝置，在倉(cāng)庫(kù)和調(diào)漆室內(nèi)需有空調(diào)。因水性漆中含水，故會(huì)使傳統(tǒng)油漆運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)生腐蝕， 不僅損壞設(shè)備，而 且油漆本身易受3價(jià)離子如Fe 3+的影響，這些離子將影響油漆的流變特性。 因此，要求所有接觸到水性漆的設(shè)備需用不銹鋼或塑料制品。水性漆貯存穩(wěn)定性僅3個(gè)月，對(duì)運(yùn)輸和貯存又有較高要求。因此，國(guó)內(nèi) 汽車公司如采用水性漆不宜從國(guó)外進(jìn)口， 最好就近生產(chǎn)，便于及時(shí)供貨。BASF、 杜邦等油漆供應(yīng)商均表示過，如中國(guó)汽車公司考慮采用水性漆，他們準(zhǔn)備在中國(guó) 建立水性漆生產(chǎn)基地。5、經(jīng)濟(jì)效益分析VoC排放量分析目前，國(guó)內(nèi)汽車公司采用溶劑型漆時(shí)每平方米 車身涂裝面積的VOC排放 量約為13

15、0 g / m2 ,遠(yuǎn)不能滿足環(huán)保要求。如采用水性漆 (陰極電泳+水 性中涂+水性底漆+溶劑型雙組分高固體分清漆)，每平方米車身涂裝面 積的VOC排放量可降低到約36 g / m2。因此，采用水性漆可大幅降低油漆 車間的VOC排放量。能耗分析水性漆的能耗與溶劑型漆存在 3個(gè)方面不同：噴漆室溫濕度調(diào)節(jié)，中間 加熱揮發(fā)，排風(fēng)凈化過程。綜合來看，采用水性漆的能耗較大。(1)噴漆室溫度、濕度調(diào)節(jié)。水性漆噴漆室的溫度最佳控制在 23 1 C，相對(duì)濕度控制在65 % 5 %。溫度、濕度調(diào)節(jié)需要消耗額外的能量，能耗大小取決于外部天氣條件。 (2)中間加熱揮發(fā)。金屬底漆涂覆后的中間揮發(fā)過程中，由于蒸發(fā)時(shí)間不能

16、任意延長(zhǎng)，因此需 設(shè)置中間加熱區(qū)(以紅外輻射和熱空氣的形式),為此能耗增加。(3)排風(fēng)凈化過程。使用傳統(tǒng)的溶劑型底漆時(shí)，為達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，噴漆室的排風(fēng)需經(jīng)一定程度 的處理，這需要增加能耗和投資。如在采用旋轉(zhuǎn)吸收器解決問題的過程中需要額 外的能耗來克服整個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)的壓差 （微粒的精細(xì)過濾、旋轉(zhuǎn)器、排風(fēng)凈化）， 解吸也需要耗能，如采用水性漆就可以節(jié)省這方面的能耗和投資。水性漆材料成本分析據(jù)資料介紹，如采用水性漆，單位質(zhì)量的油漆材料成本可能比溶劑型漆 增加約1520 %。設(shè)備成本分析按同樣規(guī)模建造一個(gè)水性漆的油漆車間，其設(shè)備投資比溶劑型漆的油漆車 間增加約10 %。6、汽車用水性漆技術(shù)的研究前景目前國(guó)際上汽車用水性漆及其涂裝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，同內(nèi)采用水性漆工藝技術(shù)上可行。采用水性漆