天恒涂料汽车用水性漆技术
摘要：介绍汽车用水性漆的性能、施工工艺、设备、运输及库存。并简要分析其经济效益。
关键词：水性漆；涂装工艺；环境保护 0 前言
为保护人类生存环境，现今汽车涂装的发展趋 势是低公害、无公害化。水性漆的最大优点是涂层质量堪与传统溶剂型漆相当，但 VOC 排放量小。其排放量约为溶剂型漆的三分之一，且是实现金属闪光漆低公害化的唯一途径。因此，采用水性漆具有 重要意义。
近年来，国际上对 VOC 排放量的要求越来越严。如 1995 年德国大气净化法就规定，车身被涂 面积的 VOC 排放量应小于 35 g ／ m2 在严格限制 VOC 排放量的环保要求促使下，国际上 （ 特别是欧 美国家 ） 大力发展水性漆。目前，欧美汽车工业发达国家均实现了汽车涂装水性化，汽车涂装普遍采 用水性漆，汽车用水性漆及其涂装技术也已成熟， 水性漆在品种配套、涂层质量方面可与传统溶剂型漆相媲美。国际上大力发展的是水性漆技术，而不是溶剂型漆技术，我国如不用水性漆，将来在涂装 技术方面的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。
目前我国正大力弘扬科学发展观，走可持续发展道路，可以预见对 VOC 排放量的要求会越来越 严格。为了保护我们的生存环境，增强在涂装技术 方面的国际交流与合作，提高我国汽车涂装技术水平。我国汽车公司应考虑用水性漆。实际上，国内 几家大汽车公司，如上海大众、一汽大众等在近年新建的油漆车问里均有水性漆预留区，将来只要对设备稍加改造即可应用水性漆工艺。
1 水性漆的性能
水性漆与传统溶剂型漆一样，基本成分包括溶剂、树脂、颜料和添加剂等。水性中涂漆主要有 聚酯和聚氨酯漆，其施工固体分较高，一般为 50 ％ ～ 60 ％。水性中涂漆的抗石击性能优于传统溶剂型 中涂漆。水性面漆的底色漆主要有丙烯酸和聚氨酯 漆。水性清漆由于价格较高，目前尚未广泛应用，普遍采用的罩光清漆是高固体分双组分溶剂型漆。水性金属底漆与溶剂型金属底漆的溶剂含量比 较见表 1 。从表 1 可看出，水性漆所含溶剂主要是水， 树脂分散在水中形成聚合物分散体系；而传统溶剂型漆的溶剂主要是有机溶剂，树脂在溶剂中形成聚合物溶液。这就是水性漆与溶剂型漆的最大差别。
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表 2 水与有机溶剂的物理性质比较
（1） 颜料分散性不好。
水性漆属于聚合物分散体系，颜料分散性不是很好，因此须采取措施加以改善。
（2） 分散粒子的稳定性差。
溶解的分子对剪切力、热、 pH 等都很稳定，而分散的粒子不稳定，因此要对分散体系采取稳定措 施。分散粒子受剪切力后会被破坏，因而须考虑在 制造、输送水性漆过程中避免剪切力的作用。分散 粒子对 pH 值很敏感，漆中混入酸性物质会形成酸 性粒子，从而产生胶化破坏水性漆。还有水性漆在运输过程中受寒冻结后分散粒子也会被破坏。
（3） 表面张力大。
水的表面张力大 （ 见表 2） ，故水性漆的表面张力也较大，在施工过程中要加强管理，否则涂装时易产生下列缺陷和漆膜弊病：
a ．易流挂；
b ．展平性不好；
c ．易产生缩孔、针孔；
d ．不易伸人被涂物表面的小细缝中。
（4） 蒸发热和热容值高，受温度、湿度的影响大。
水的高蒸发热和热容值 （ 见表 2） 使水性漆中的水蒸发慢。溶剂型漆中溶剂总量的 50 ％在喷涂雾 化过程中挥发掉，而对于水性漆仅为 25 ％。水蒸发慢在涂装时易产生流挂，且使涂装效率变差。因此，需设置中间加热区将水从水性底漆涂层中强制挥发出去。在喷涂清漆前必须把 90 ％的水从水性底漆 涂层中除掉 （ 防止在最终烘烤时沸腾的水穿过清漆 挥发出来 ） 以获得最佳的漆膜外观，从而避免水性底漆被清漆返溶。
水的蒸发速率与相对湿度密切相关，相对湿度高时，水的蒸发速率很低。因此，喷漆室的相对湿度和温度必须控制在一定范围内，以确保喷漆雾化过程中适量的水挥发掉，并且使水和有机溶剂在涂 膜中保持适当平衡。这个适当的平衡是很重要的，其可使涂料有合适的表面张力以润湿喷涂表面 （ 见 表 2） 。
（5） 导电性好。
水的介电常数大 （ 见表 2） ，因此水性漆的导电性好，一般水性漆的电阻小于 0 ． 1 M Ω ，而溶剂型漆 有一定的电阻： 0 ． 5 ～ 20 M Ω 。水性漆的导电性好，当采用静电喷涂时有特殊要求。
（6） 腐蚀性大。
水性漆含有大量水，因而对容器、输送管路、 喷漆室体等易受潮部位有腐蚀性，需用不锈钢或塑 料制品。
（7） 流变行为。
流体粘度随剪切率的增加而减少时称为假塑 性流体。假塑性流体的流变行为与其流变所走路径有关，也就是对时间有依赖，故称之为触变性流体。 杜邦公司的水性金属漆和水性色漆本质上属假塑 性流体。 BASF 公司的水性漆具有触变性，其粘度取 决于所用的剪切速率及其剪切历程。基于水性漆的特性，用流杯测量粘度值不具有重现性，只有用旋转粘度计测出包括低剪切速率下和高剪切速率下的数据点完整流变曲线才能给出水性漆流变行为的完整特性。
2 水性漆的施工工艺
目前欧美普遍采用的水性漆涂装 工 艺体系是：阴极电泳漆 ＋ 水性中涂漆 ＋ 水性底色漆 ＋ 高固体分溶剂型罩光清漆。水性漆的施工工艺与溶剂型漆不同，水性中涂烘干时需增加红外线升温和保温过程，水性底漆喷涂后增加加热挥发过程。一般的水 性漆施工工艺如下：
（1） 喷涂水性巾涂漆。
（2） 中涂烘干，工艺参数如下：
挥发：室内条件下 5 min ；
红外线升温： 2 ～ 3 min ， 70 ± 10 ℃ （ 车身 ） ；
红外线保温： 3 ～ 5 min ， 70 ± 10 ℃ （ 车身 ） ；
循环热空气升温：约 5 min ， 165 175 ℃ （ 车身 ） ；
循环热空气保温： 15 min ， 165 ～ 175 ％ （ 车身 ） ；
冷却：车身温度冷却到小于 35 ℃ 。
（3） 喷涂水性底色漆。
（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 ± 10 ％ （ 车身 ） ；
保温：循环热空气， 2 ． 5 min ， 70 ± 10% （ 车身 ） ；
冷却：车身温度冷却到小于 35 ％ （ 约 2min） 。
在加热挥发区必须确保水性漆中 90 ％以上的 水分挥发掉。
（5） 喷双组分清漆。
（6） 面漆烘干。工艺参数如下：
挥发：室内条件下 3 min ；
升温：红外线， 10 min ， 125 ± 20 ℃ （ 车身 ） ；
保温：循环热空气， 20 min ， 125 ± 1O ℃ （ 车身 ） ；
冷却：车身温度冷却到小于 35 ℃ 。
3 水性漆的喷涂设备
3 ． 1 喷漆室
喷漆室的室体、槽子等受潮部位需全部采用不锈钢。喷漆室内的温度和湿度必须严格控制，施工区域内温度波动不超过± 1 ℃ ，相对湿度波动不超过± 5 ％，基材或车身温度应保持在喷漆室条件下的露点以上。温度和湿度会影响到水性漆膜的颜色、金属闪光效果、漆膜粗糙度、色匀性、防流挂性、结构形态以及对中涂的润湿性能，同时还将影响到电极的污染 （ 应用静电喷涂时 ） 。最佳喷漆室条件如下：
温度： 23 ± 1 ℃ ；
相对湿度： 65 ％ ± 5 ％。
中涂喷漆室下降风速：
手工区 0 ． 45 m ／ s
静电喷涂区 0 ． 30 m ／ s
挥发区 0 ． 20m ／ s
底漆喷漆室的下降风速：
手工区 0 ． 45 m ／ s
静电喷涂区 0 ． 30 m ／ s
空气自动喷涂区 0 ． 50m ／ s
挥发区 0 ． 30m ／ s
由于采用水性漆时，喷漆室内的温度和湿度必须控制在很小的范围内，因此采用水性漆的难点是在国内的气候条件下，如何保证喷漆室的温度、湿度条件。目前，在国内还没有采用水性漆的经验，如采用水 性漆工艺，必须加强生产管理和人员培训。
3 ． 2 调漆室及输漆系统
调漆室应尽可能靠近喷漆室。调漆室要有温度调节，以保证施工时最佳的油漆温度 （20 ～ 25 ℃ ） 。 调漆室要有足够的水性漆库存空间。当将水性漆从外送往调漆室时，需在调漆室存放足够的时间，以 将水性漆升温到施工温度。例如，在调漆室内室温 23 ℃ ，普通空调条件下，一个装有水性漆的 250 L 容器从 5 ℃ 升温到 20 ℃ 需 48 h 。按此计算，如采用 250 L 的运输容器，油漆车间必须有 5 班的水性漆库存周转量 （ 溶剂型漆的调漆室需 2 班的油漆库存周转量 ） 。
调漆罐必须用不锈钢，内表面要尽可能光洁，容器尺寸要尽可能小。尽量减少容器中的空气交换来保持漆面上空气的湿度，避免油漆可能在器壁和搅拌器轴上干结，因此漆罐必须保持密封。容器中油漆液面不能低于回管，避免搅拌时产生气泡。避免污染。
输漆管路系统采用大直径循环管道，避免系统高压。避免使用会留下死角的管道附件和短径弯头，应该用直径不变的连接管。变径时用分级管来代替渐缩管。管路需采用不锈钢或塑性材料，系统中其它的受潮部分也应为不锈钢制品。所有部件，尤其是焊接接头等，必须经过钝化处理。应避免使用含硅树脂、两性电解质等材料用于密封的衬垫、 阀门、活塞等，这些材料会导致油漆缩孔。
输漆系统一般设有两道过滤，金属漆的前道过滤器规格为 100 ～ 150 μ m ，单色漆的前道过滤器规格为 46 ～ 60 μ m 。后道过滤均可采用 100 ～ 150 μ m 的过 滤器。
3 ． 3 喷涂设备
水性漆可用空气喷枪、静电空气喷枪或高速旋杯进行施工。高速旋杯的外置式荷电系统已经在德国、欧洲和美国市场诞生，直接荷电的水性漆系统和后来与地绝缘的输漆系统现正在许多生产线上得到应用。
雾化方面的基本情况 （ 如油漆液滴的分散、沉积、喷涂效率等 ） 和溶剂型金属底漆大致相同。但水性漆对流量和漆雾变化更加敏感，如有不当，容易导致漆膜发花和针 孔 。因此需增加工艺控制内容，如流体环路控制、雾化空气控制、瞬时触发控制和喷枪目标距离环路控制。
水性底漆喷涂设备要求特殊的清洗溶剂和增加换色次数，以确保设备内部清洁。此外，易受潮部位要全部采用不锈钢。
4 水性漆的运输及库存
水性漆对温度很敏感，如果贮存在低于冰点的温度时会改变油漆的溶解特性，由此导致油漆中活性物质沉淀，材料就不均匀。经过重新加热后，水性漆不会回到均质状态，它的特性将被破坏。因此， 水 性 漆运输和贮存时有较高要求。温度控制在 ＋ 5 ℃ 到 30 ℃ ，在冬季和夏季运输过程中需有加热或冷却 装置，为此必须使用控热的卡车或运载装置，在仓 库和调漆室内需有空调。
因水性漆中含水，故会使传统油漆运输设备产生腐蚀，不仅损坏设备，而且油漆本身易受 3 价离子如 Fe 3＋ 的影响，这些离子将影响油漆的流变特性。因此，要求所有接触到水性漆的设备需用不锈钢或塑料制品。
水性漆贮存稳定性仅 3 个月，对运输和贮存又有较高要求。因此，国内汽车公司如采用水性漆不宜从国外进口，最好就近生产，便于及时供货。 BASF 、杜邦等油漆供应商均表示过，如中国汽车公司考虑采用水性漆，他们准备在中国建立水性漆生产基地。
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漆时每平方米 车身涂装面积的 VOC 排放量约为 130 g ／ m2 ，远不 能满足环保要求。如采用水性漆 （ 阴极电泳 ＋ 水性 中涂 ＋ 水性底漆 ＋ 溶剂型双组分高固体分清漆 ） ， 每平方米车身涂装面积的 VOC 排放量可降低到约 36 g ／ m2 。因此，采用水性漆可大幅降低油漆车间的 VOC 排放量。
5 ． 2 能耗分析
水性漆的能耗与溶剂型漆存在 3 个方面不同： 喷漆室温湿度调节，中间加热挥发，排风净化过程。综合来看，采用水性漆的能耗较大。
（1） 喷漆室温度、湿度调节。
水性漆喷漆室的温度最佳控制在 23 ± 1 ℃ ，相 对湿度控制在 65 ％± 5 ％。温度、湿度调节需要消耗额外的能量，能耗大小取决于外部天气条件。
（2） 中间加热挥发。
金属底漆涂覆后的中间挥发过程中，由于蒸发时间不能任意延长，因此需设置中间加热区 （ 以红外辐射和热空气的形式 ） ，为此能耗增加。
（3） 排风净化过程。
使用传统的溶剂型底漆时，为达到环保标准， 喷漆室的排风需经一定程度的处理，这需要增加能耗和投资。如在采用旋转吸收器解决问题的过程中需要额外的能耗来克服整个排风系统的压差 （ 微粒的精细过滤、旋转器、排风净化 ） ，解吸也需要耗能，如采用水性漆就可以节省这方面的能耗和投资。
5 ． 3 水性漆材料成本分析
据资料介绍 ，如采用水性漆，单位质量的油漆材料成本可能比溶剂型漆增加约 15 ％～ 20 ％。
5 ． 4 设备成本分析
按同样规模建造一个水性漆的油漆车间，其设备投资比溶剂型漆的油漆车间增加约 10 ％。
6 结语
（1） 目前国际上汽车用水性漆及其涂装技术已经发展成熟，同内采用水性漆工艺技术上可行。
（2） 采用水性漆工艺可大幅降低 VOC 的排放量，有利于环境保护。
（3） 水性漆性能与传统溶剂型漆相比大不相同，采用水性漆工艺必须严格控制工艺参数，对设备及运输储存均有特殊要求，还需要高质量的生产管理和人员培训。
（4） 水性漆不能从国外进口，需就近生产。
（5） 采用水性漆工艺的设备投资增加，能耗增加，材料成本增加。
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