用水性涂料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溶劑型涂料可以大幅減少汽車涂裝過程中揮發(fā)性有機化合物VOC的排放量，是目前在汽車行業(yè)中正在被大力推廣的環(huán)保型涂裝工藝。本文詳細介紹了水性漆噴涂系統(tǒng)在我國汽車涂裝中的實際設(shè)計和應(yīng)用情況。

    【關(guān)鍵詞】汽車涂裝水性漆環(huán)保

    0.前言

    改革開放以來，我國經(jīng)濟快速增長，各項經(jīng)濟建設(shè)取得巨大成就，但也付出了很大的資源和環(huán)境代價，經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳，人民群眾對環(huán)境污染問題反映強烈。我國在十一五規(guī)劃中明確提出了“落實節(jié)約資源和保護環(huán)境基本國策，建設(shè)低投入、高產(chǎn)出，低消耗、少排放，能循環(huán)、可持續(xù)的國民經(jīng)濟體系和資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”的發(fā)展目標。國家環(huán)保局于2006年8月15日發(fā)布了《汽車涂裝清潔生產(chǎn)標準》，并且規(guī)定從2006年12月1日起開始實施，從生產(chǎn)源頭上開始控制污染物的產(chǎn)生，而不是只抓污染物如何處理。

    在汽車制造過程中，涂裝車間是三廢排放最多的生產(chǎn)車間。因此近年來在汽車制造相關(guān)法規(guī)的驅(qū)動下，減少涂裝公害、降低涂裝成本、提高涂裝質(zhì)量一直是汽車涂裝技術(shù)發(fā)展的主題。其中如何減少汽車涂裝過程中大量揮發(fā)性有機化合物VOC的排放量是汽車涂裝工藝主要研究的課題之一。

    目前國內(nèi)大多數(shù)汽車涂裝生產(chǎn)線仍采用溶劑型中涂+溶劑型面涂底色漆+單組份罩光清漆的工藝體系，VOC排放量高達120g/m2,遠高于《汽車涂裝清潔生產(chǎn)標準》中3C3B涂層三級標準VOC排放量≤80g/m2的基本要求，距離標準中規(guī)定的國際清潔生產(chǎn)先進水平一級標準VOC排放量≤40g/m2的要求差的更遠。而采用水性漆涂裝工藝可以從源頭上對污染物進行控制，大幅減少涂裝過程中的VOC排放量，是目前正被大力推廣使用的環(huán)保型涂裝工藝。

    上汽臨港產(chǎn)業(yè)基地涂裝車間是由上海汽車股份有限公司與機械工業(yè)第四設(shè)計研究院聯(lián)合自主開發(fā)建設(shè)的，在安全、環(huán)保、節(jié)能等方面具有世界先進水平的涂裝車間，產(chǎn)品為中國上汽自主品牌“榮威”系列中高級轎車。上汽臨港涂裝車間在中面涂工序上均使用了水性涂料，其涂裝工藝是水性中涂+水性底色面漆+雙組份罩光清漆，可以使VOC的排放量小于40g/m2，達到國際清潔生產(chǎn)先進水平。

    本文對臨港涂裝車間項目中有關(guān)水性漆噴涂系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況進行簡述。

    1.水性涂料的特性

    傳統(tǒng)溶劑型涂料是用有機溶劑作為分散介質(zhì)和稀釋劑的涂料，而水性涂料就是用水作為分散介質(zhì)和稀釋劑的涂料。水與溶劑作為涂料分散介質(zhì)和稀釋劑的特性差別主要表現(xiàn)在：

    1.1揮發(fā)性差異：水更加難于揮發(fā)，在高濕度條件下容易使漆膜產(chǎn)生流掛現(xiàn)象。

    1.2表面張力差異：水的表面張力要高于溶劑，不對涂料加以調(diào)整會影響到漆膜成品的表面質(zhì)量。

    1.3導(dǎo)電率差異：水的導(dǎo)電率遠高于溶劑，會對靜電噴涂帶來影響。

    1.4粘度特性差異：水的粘度受剪切力影響變化很大，在受到高剪切作用時，水性涂料的粘度會下降很多，會對輸調(diào)漆系統(tǒng)帶來很大影響。

    1.5對金屬材料的腐蝕性差異：水對金屬材料有較大的腐蝕性，會對與之接觸的涂裝設(shè)備造成腐蝕。

    正因為水與溶劑存在上述不同的特性從而導(dǎo)致了水性涂料和溶劑性涂料在諸多方面的差異性，也導(dǎo)致了在噴涂施工時，水性漆與傳統(tǒng)溶劑型漆需要不同的設(shè)備系統(tǒng)與之相適應(yīng)。

    2.水性涂料的施工工藝窗口

    涂料施工工藝窗口是指涂料施工所必須具備的環(huán)境溫度和濕度要求的上下限值為四條邊長所構(gòu)成的近似四邊形，它是噴漆設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計必須具備的基本輸入條件。與傳統(tǒng)溶劑型涂料相對寬松的施工工藝窗口相比較，水性涂料對于噴涂環(huán)境溫度和濕度條件有著更加嚴格的要求，通常水性涂料要求的施工溫度為20℃～26℃，濕度為60%～70%，但為了選擇涂料供應(yīng)商的裕度更大以及更好的保證生產(chǎn)質(zhì)量，在噴漆設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計時設(shè)定的窗口條件都要更為嚴格，一般要達到：溫度23±1℃、濕度65±3%的控制精度要求。

圖1 水性涂料施工工藝窗口

    3.中面涂噴漆室系統(tǒng)

    中面涂噴漆室系統(tǒng)是用于完成中涂、面涂噴漆施工的作業(yè)場所與裝備，該系統(tǒng)需要具備兩方面的主要功能：一是根據(jù)噴涂工藝要求提供最佳的涂裝作業(yè)環(huán)境條件；二是能夠及時捕集噴涂過程中產(chǎn)生的過噴漆霧并洗滌后將廢氣排出，防止污染工作環(huán)境和涂裝面。噴漆室系統(tǒng)一般由噴漆室本體、送風(fēng)系統(tǒng)、漆霧捕集及洗滌系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)及漆渣處理系統(tǒng)組成。

    臨港涂裝車間噴漆室溫濕度設(shè)計參數(shù)：溫度為23±1℃，濕度為65±3%，詳見下表。涂料采用美國杜邦Dupont公司和PPG公司的產(chǎn)品。

    根據(jù)生產(chǎn)中試驗結(jié)果，臨港涂裝車間噴漆室實際設(shè)定值為：溫度為22℃±1℃，濕度為60±3%；測定值為：溫度為21℃～23℃，濕度為59%～61%，完全滿足了上述水性涂料供應(yīng)商提出的施工工藝窗口要求，實現(xiàn)了水性涂料施工的高質(zhì)量。

    4.中涂烘干系統(tǒng)

    與傳統(tǒng)溶劑型中涂噴涂施工后即進行烘干不同，由于水的揮發(fā)性較低，水性中涂噴涂施工后直接進行高溫烘干會產(chǎn)生氣泡等弊病，因此需要進行低溫預(yù)烘，即在80℃的溫度下保持5分鐘，使涂料中的水分充分蒸發(fā)后，再升溫至160℃保溫20分鐘使涂膜完成固化。

    水性中涂烘干工件溫度曲線見下圖：

附圖2 水性中涂烘干工件溫度曲線

    臨港涂裝車間采用Π型中涂烘干爐，加熱區(qū)分為預(yù)烘干、升溫、保溫等三個功能區(qū)，其中預(yù)烘干區(qū)和升溫區(qū)采用輻射加熱方式，保溫區(qū)采用熱風(fēng)循環(huán)加熱方式。輻射與熱風(fēng)循環(huán)相結(jié)合的加熱方式使工件的升溫曲線既滿足了烘干工藝要求又提高了烘干爐的潔凈度，保證了中涂漆膜的高質(zhì)量。

    5.水性面涂底色漆熱閃干系統(tǒng)

    對于溶劑型面漆涂裝工藝，面涂底色漆和罩光清漆均為溶劑型油漆，在底色漆噴涂后僅需要常溫流平數(shù)分鐘，就可以直接噴涂罩光清漆。而在水性漆面涂工藝中，由于水的難揮發(fā)性，需要在噴涂罩光漆之前通過加熱干燥的方式將水性底色漆中的水分充分蒸發(fā)掉，才能進行下道罩光清漆的噴涂，否則面涂烘干時會產(chǎn)生氣泡弊病。

    水性面涂底色漆熱閃干系統(tǒng)用于在水性面涂底色漆噴涂后，罩光清漆噴涂之前將底色漆進行加熱烘烤，使之脫水率達到90%以上，保證面涂的成膜質(zhì)量。

    熱閃干系統(tǒng)作為水性面涂工藝中的關(guān)鍵，核心在于加熱循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的溫濕度控制。臨港涂裝車間將熱閃干段分為一個升溫區(qū)、兩個保溫區(qū)，并對每個區(qū)的溫濕度分別進行精確控制，保證了罩光清漆噴涂之前的底色漆脫水率指標。

    6．涂料循環(huán)系統(tǒng)

    涂料循環(huán)系統(tǒng)是將涂料以一定的壓力和流量輸送到噴漆工位的管道供給系統(tǒng)，并在涂裝作業(yè)過程中控制和保持適當(dāng)?shù)耐苛瞎に噮?shù)，它包括中央供漆設(shè)備、溫度控制系統(tǒng)、槍站出口組件和管路等。由于水性漆與溶劑型油漆的粘度特性不同導(dǎo)致了涂料循環(huán)系統(tǒng)的差異性，臨港涂裝車間涂料循環(huán)系統(tǒng)要點如下：

    ·采用不銹鋼材質(zhì)以避免涂料對循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備及管路的腐蝕；

    ·采用液壓動力系統(tǒng)以保證涂料供給壓力的穩(wěn)定；

    ·采用低剪切的設(shè)備消除水性漆粘度特性對涂料特性的影響；

    ·采用特殊的液位控制系統(tǒng)保證涂料穩(wěn)定供給和避免干結(jié)；

    ·采用高精度的溫度控制系統(tǒng)保證涂料溫度的高穩(wěn)定性；

    ·純水加注系統(tǒng)。

    7.機器人自動靜電噴涂系統(tǒng)

    高壓靜電旋杯噴涂是以高壓靜電旋杯為負極、以接地的被涂物為正極，將涂料形成帶負電荷的霧化粒子在電場力的作用下均勻的涂裝在被涂物表面上。由于水性涂料的導(dǎo)電特性，在加電施工作業(yè)前，被加電的涂料必須與循環(huán)管路中的涂料絕緣，通常加電方式可分為外部加電和內(nèi)部加電。外部加電是通過外部加電手指對涂料進行加電的方式，其缺點是外部加電手指容易被污染，且對旋杯移動速度和環(huán)境濕度較為敏感而會造成噴涂效率降低，影響漆膜外觀質(zhì)量，比較適用于對現(xiàn)有溶劑型涂料進行使用水性涂料改造的項目；內(nèi)部加電又有兩種類型，一種是在機器人手臂內(nèi)部集成涂料罐，每次噴涂前將涂料注入涂料罐加電后進行噴涂，另一種是將涂料注入專用的涂料罐，機器人在每次噴涂時取一個涂料罐進行噴涂，噴涂完畢將空罐放回重新加注涂料，機器人同時取另一個涂料罐噴涂，這種方式也稱為“彈匣式供漆系統(tǒng)”。

    臨港涂裝車間采用的是FANUC公司最新的P500型壁掛式機器人自動靜電噴涂系統(tǒng)，配備了FANUC公司的zhuanli技術(shù)-水性漆加電組件和VersabellII型旋杯，其采用的是在機器人手臂內(nèi)部集成涂料罐的內(nèi)部加電方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、低成本等優(yōu)勢，噴涂效率可達到80%以上。

附圖5 P-500水性漆加電組件

    8.結(jié)語

    通過對臨港涂裝車間產(chǎn)品漆膜性能的全面檢測，包括外觀指標(光澤度、鮮映性、流勻度、顏色等)、力學(xué)性能(附著力、強度、耐刷洗、抗高壓清洗性能等)、抗石擊性能、耐水性、耐化學(xué)介質(zhì)(酸、堿、車用化學(xué)品、溶劑等)、耐腐蝕、耐老化、耐溫度變化等一系列項目檢測，證明水性漆涂膜質(zhì)量性能已經(jīng)全面達到或者超過了溶劑型涂層的質(zhì)量性能指標。

    近幾年水性漆涂裝工藝在歐美汽車行業(yè)的涂裝線上已經(jīng)得到了普遍使用，在國內(nèi)合資汽車工廠中水性漆涂裝工藝也已經(jīng)逐漸成為主流，在上海通用、北京奔馳、北京現(xiàn)代、天津豐田、廣州豐田、廣州本田、東風(fēng)日產(chǎn)等合資企業(yè)中已經(jīng)開始用水性漆涂裝工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溶劑性漆涂裝工藝。

    上汽臨港產(chǎn)業(yè)基地作為國內(nèi)第一批采用水性漆涂裝工藝的企業(yè)，已經(jīng)成為我國自主品牌汽車工廠中的節(jié)能環(huán)保先鋒。該項目的成功實施實現(xiàn)上汽集團“高質(zhì)量、低成本”的建設(shè)目標，為水性漆涂裝工藝在國內(nèi)自主品牌汽車企業(yè)中的推廣起到了一定的示范效應(yīng)。

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