水性漆在中国汽车涂装线的应用及展望

水性漆在中国汽车涂装线的应用及展望

周杰陈慕祖（上海大众汽车有限公司201805）

摘要：介绍了水性漆的特点以及水性漆施工的设备和工艺技术特性，并对水性漆在国内外的应用现状及其发展趋势进行了阐述。

1 前言

随着国内汽车市场竞争的日益激烈以及中国对清洁生产的日渐重视，汽车涂装在保证高装饰性、高防腐蚀性能的同时，正朝着采用环保性能良好的材料和工艺、简化处理工序、减少设备投资和运行费用、降低生产成本的方向发展。

中国国家环保局于2006年8月15日发布了《汽车涂装清洁生产标准》，并且规定从2006年12月1日起开始实施，从生产源头上开始控制污染物的产生，而不是只抓污染物如何处理。中国“十一五”规划要求污染物排放总量降低10％，要达到“十一五”规划的要求，只能通过工艺、材料和设备的革新才能满足。

降低挥发性有机化合物（VOC）的排放是汽车涂装的发展趋势。由于水性漆稀释剂的主要成份为水，与溶剂型漆相比最大的优点是对保护环境有利，即VOC排放大大降低。如水性色漆的有机溶剂含量为10%~15%，而溶剂型底色漆的有机溶剂含量为80%左右，使用水性底色漆替代溶剂型底色漆，可使VOC排放量从45g/m2降至7g/m2。欧美国家为了严格限制VOC 排放量都制定了相应的环保法规，促使汽车涂装向着高固体份、水性化和粉末化方向发展。欧洲国家近年来新建的涂装生产线，全部采用了水性中涂和水性底色漆。水性中涂和面漆在中国汽车涂装线上处于起步阶段，仅在个别涂装生产线上使用。随着国内清洁生产要求的日益严格，它们将逐步替代传统的溶剂型中涂和面漆，成为现代环保型汽车涂料的主流。

2 水性漆的特点

水性漆与溶剂型漆相比具有低挥发速率、高表面张力、高导电性、腐蚀性以及易产生气泡的特点，导致水性漆在设备和施工工艺方面与溶剂型漆相比有所不同。

水与一般溶剂的特性比较如表1所示：

表1 水与溶剂的特性对比表

水性漆中水的挥发主要是通过控制喷漆室的温度和湿度来进行控制的，而溶剂型漆可以通过调整稀释剂的蒸发速率来调整涂着固体份。水性色漆的涂着固体份通常为20～30％，而溶剂型色漆的涂着固体份高达60～70％，因此水性色漆的平滑性较好，但同时需增加加热闪干区，否则容易出现流挂、气泡等质量问题。

涂料流变性的控制技术是水性漆的设计关键，水性色漆的流变特性如图1所示。当水性

漆喷涂时，在高剪切力的状态下，水性漆的粘度迅速下降，保证涂料具有良好的微粒化效果；当剪切消除后，迅速恢复高粘度状态，从而保证了金属颜料良好的定向效果以及抗流挂性能。

图1 水性色漆的流变特性

水的表面张力是一般溶剂的2.5倍，因而难以浸润底材，易产生缩孔，只有通过添加表面活性剂来降低表面张力，提高浸润性能，防止缩孔产生。

水性漆与溶剂型漆相比最大的优点是VOC排放量低，不同工艺体系的VOC排放量如表2所示：

表2 不同涂装工艺体系的VOC排放量对比表

目前欧洲采用水性中涂＋水性色漆＋双组份罩光清漆的工艺体系较为普遍，从而满足了欧洲对VOC排放的标准。

3. 水性漆施工的技术特点

3.1 设备技术特性

3.1.1喷漆室和烘干室

由于水的腐蚀性比溶剂要大，因此喷漆室尤其是循环水处理系统均需采用不锈钢制成。同样烘干室中由于空气中水份含量较高也会对设备造成腐蚀，所以烘房内壁也需采用不锈钢制造。

3.1.2 自动喷涂系统

水性漆的主要溶剂是水，具有高导电性，如果采用溶剂型漆通常使用的内部加电式旋杯(如图2所示)，高压静电会从输漆系统泄漏出去，因此水性漆在应用初期一般使用外部加电式旋杯，如图3所示：

图2 内部加电式旋杯图3 外部加电式旋杯但由于外部加电式旋杯系统中外置的加电手指容易积油漆，导致清洁频次增加；同时手指对旋杯移动速度和环境湿度较为敏感，会造成油漆利用率降低8％～13％，影响油漆外观质量。随着技术的发展，目前内部加电式旋杯已开始在水性漆喷涂线上使用，在喷涂开始前，油漆从调漆桶中吸到一个储存器中，然后与主循环回路断开。这样可防止高压静电漏到调漆间去，影响生产和造成危险。

3.1.3 输调漆系统

溶剂型漆的输调漆系统可采用碳钢制成，而水性漆由于水会使金属生锈而腐蚀，因此水性漆的输调漆系统必须使用不锈钢材料。相对溶剂型色漆而言，水性色漆的输调漆系统更需注重低剪切应力控制、稳定的流量以及避免高压系统，高剪切力、高流量以及高压力均会使水性色漆加速老化，直接影响喷涂质量，如输调漆系统的回压阀和搅拌桨必须采用低剪切力类型，否则将破坏水性树脂的乳化性能；溶剂型色漆在循环系统中的流速要求为0.3~0.7m/s，而水性色漆的流速则要求为0.15~0.4m/s。

3.2 工艺技术特性

3.2.1 喷漆室温度和湿度的要求

水性漆中稀释剂的主体是水，水的挥发与喷漆室的温湿度有较大关系。当湿度一定时，随着温度的升高，水的挥发度增加；当温度一定时，则湿度增加，水的挥发受阻；当相对湿度过大时，水份挥发很慢，施工过程中易产生流挂等漆膜缺陷。

水性漆的施工参数如图4所示：

图4 水性漆的施工窗口

水性漆施工喷漆室的最佳温度为20℃～26℃，最佳相对湿度为60％～75％。允许温度为20℃～32℃，允许相对湿度为50％～80％。因此喷漆室内的送风必须有适当的调温调湿装置。

国内汽车涂装喷漆室冬天都可以调温调湿，夏天却很少有调温调湿的，因为需要的制冷量太大，所以很少有送冷风的。因此在高温高湿地区，如果使用水性漆，必须安装喷漆室中央空调，夏季也需要送冷风，这样才能保证水性漆的施工质量。

3.2.2 水性中涂的烘干要求

由于水在100℃会急剧沸腾，引起水性涂膜起泡，因此水性中涂烘干要求先采用低温（80℃左右）预烘干，待水份蒸发后再升至工艺要求的烘干温度（约140℃左右）进行烘干。升温曲线如图5所示：

图5 水性中涂的烘干示意图

从图5可看出，水性中涂烘干要求如下：红外加热5分钟至80℃；在80℃条件下保温5分钟；然后从80℃升至140℃，升温时间为5分钟；在140℃条件下保温20分钟，从而确保树脂的交联固化。

3.2.3 水性底色漆的闪干要求

由于水性底色漆和罩光清漆是“湿碰湿”施工的，因此水性底色漆存在预烘干的问题，即将底色漆涂层中的绝大部分水份、助溶剂挥发掉。试验表明水性底色漆涂层的溶剂含量（主要为水）应降低到10％以下，喷涂的罩光清漆才不至于将底色漆层再溶起和产生水泡，影响外观质量。如果在通常的温湿度条件下闪干，水性底色漆的溶剂含量不可能达到10％以下。因此在水性底色漆上喷涂罩光清漆之前必须进行适当的强制干燥。

某厂水性底色漆加热闪干烘房设计方案如下：第一段为1分钟左右的静置区，防止漆雾进入烘房；第二段为1.5分钟左右的辐射区，利用红外线将车身温度加热至70℃±10℃；第三段为保温区，采用热空气加热，车身温度在70℃±10℃条件下保温2.5分钟左右，相对湿度保持在2％以下，车身经过闪干烘房后失水率在90％左右；第四段为1.5分钟左右的冷却区，将车身表面温度冷却至30℃左右，从而达到可喷涂清漆的温度要求。

4 水性漆在国内外的应用情况

4.1 水性漆在国外的应用

欧美、日本等发达国家对汽车涂装中的VOC的排放已有严格的要求。欧洲明确规定1997

年新建的轿车涂装线VOC排放量不得超过45g/m2；德国的VOC排放标准更为严格，要求不超过35g/m2；美国规定新建的轿车涂装线VOC排放量为35~40g/m2，老线VOC排放量不超过50g/m2；日本规定轿车涂装线VOC排放量不超过60g/m2。

欧洲国家近年来新建的涂装生产线，全部采用了水性中涂和水性底色漆。在北美新的生产线，有的使用水性中涂，也有使用粉末中涂的，由于粉末漆换色困难，因此色漆均为水性的。罩光清漆在欧洲主要仍为双组份溶剂型清漆，水性清漆和粉末清漆应用并不广泛，除性能和价格等因素外，主要是由于采用水性中涂+水性色漆+双组份罩光清漆工艺体系的VOC排放量为34g/m2，已满足欧洲甚至德国的VOC排放标准。北美情况相似，但采用粉末清漆的比例要高一些。

4.2 水性漆在国内的应用

目前国内轿车涂装线绝大多数采用溶剂型中涂+溶剂型底色漆+单组份罩光清漆工艺体系。上海大众PASSA T和POLO生产线、一汽大众新线、上海通用北厂等近几年新建的涂装线的生产工艺流程直接按照水性漆的工艺标准设计，如输调漆和喷漆室采用不锈钢材料、中涂烘干室预留了预烘区、色漆和清漆之间预留了中间烘干区等。近期采用溶剂型中涂面漆，今后通过设备改造即可进行水性中涂面漆的应用。

上海通用南厂是国内首家采用水性底色漆的汽车涂装生产线。目前国内使用水性底色漆的公司还有上海通用东岳新线和天津一汽丰田，使用水性中涂和水性底色漆的公司有广州本田第二工厂、武汉本田和广州丰田，北京奔驰是国内率先采用水性中涂+水性底色漆+双组分罩光清漆工艺体系的涂装生产线，可满足德国的VOC排放标准。上海汽车制造有限公司正在建设的新线也将采用与北京奔驰相同的工艺体系。

5. 水性漆在中国的应用前景

水性漆和粉末漆在降低VOC排放方面效果显著，粉末漆甚至还要优于水性漆。但在中国，今后使用水性漆的可能性比使用粉末漆的可能性要大，主要原因如下：

（1）国内近几年新建的轿车涂装线直接按照水性漆工艺设计，为水性漆的应用预留了空间，今后只要通过设备改造，就可进行水性漆的应用。

（2）粉末漆施工时换色比水性漆困难，因此粉末漆的应用有一定的局限性，特别是对于粉末色漆而言。

（3）欧洲主要以水性漆为主，而北美水性漆和粉末漆并存。中国国内主要的涂料合资公司如BASF，Dupont Herberts均来自欧洲，它们在水性漆研发生产方面具有丰富的经验，在一定程度上为中国水性漆的应用创造了条件。目前，BASF在中国上海的合资公司已率先将水性漆国产化，PPG公司在中国天津的独资公司也开始进行水性漆的生产，为水性漆的供应提供了条件。

5.1 制约水性漆应用的因素

（1）设备投资大：水性中涂烘干需增加预升温段，水性底色漆与罩光清漆之间需增加色

漆加热闪干烘房，因此对油漆车间的场地要求更大。输调漆系统、喷漆室和烘房需采用不锈钢材料制造。喷漆室需增加中央空调系统。

（2）能耗大：由于要采用色漆加热闪干和中涂预升温工艺、以及喷漆室需严格控制温湿度，夏季也要送冷风，因此所需要的能耗大大提高，同时也增加了CO2的排放。

（3）国内1996年之前建设的汽车涂装线未按照水性漆施工工艺设计，很难进行设备改造来进行水性漆的施工。

5.2 促进水性漆应用的因素

（1）水性漆应用的最大优势是对环境的保护，VOC排放量大大降低。

（2）汽车涂料厂家正在对水性漆材料进行优化改进来降低能耗。如进一步扩大水性漆的施工范围，主要是温湿度的控制范围；进一步缩短水性色漆的闪干时间以及中涂的预升温时间；开发低温固化技术等。这样可使水性漆的使用更加方便。

（3）中国以往限制VOC排放的标准为1996年颁布的中国国家大气污染物综合排放标准（GB16297-1996），该标准主要针对不同的排气筒（烟囱）高度所允许的污染物（苯、甲苯、二甲苯）的排放浓度、排放速率等做出具体规定。在2006年发布的《汽车涂装清洁生产标准》中，对VOC的排放量第一次做出了具体规定（如表3所示），从政策角度进一步促进了水性漆的应用。

表3 不同涂层体系VOC排放量的规定

注：根据不同的清洁生产水平划分为三级技术指标。一级：国际清洁生产先进水平；二级：国内清洁生产先进水平；三级：国内清洁生产基本水平。

今后中国对于新建的大型汽车涂装线将按照一级排放标准要求。这样对于今后新建的大型汽车涂装线就不得不按照水性漆的工艺技术标准进行规划设计了。

5.3 中国限制VOC排放量的实施方案设想

目前国内绝大多数汽车涂装生产线仍采用溶剂型中涂+溶剂型底色漆+单组份罩光清漆工艺体系，VOC排放量高达120g/m2，要达到4C4B涂层规定的三级标准≤90g/m2还有较大难度。

因此中国能否参照欧洲的相关规定，依据生产规模、产品类别、涂装线的新旧程度来区别对待，分阶段实施。如欧洲1994年7月颁布的《溶剂控制指令-汽车涂装过程排放的限制》如表4所示：

表4 欧洲溶剂控制指令-汽车涂装过程排放的限制

对于今后国内新建的汽车涂装线，在审批过程中强制要求采用水性漆工艺进行设计，使用水性中涂和水性色漆。

对于已按照水性漆工艺设计的现有汽车涂装线，给予一定的时间限制和政策鼓励，要求对涂装线进行设备改造，以适应水性漆的应用。

对于未按照水性漆工艺设计的现有汽车涂装线，在水性涂料施工条件放宽之前，适当放宽VOC排放量的限制，并且同样给予一定的时间限制和政策鼓励。为了达到VOC排放量降低的目的，汽车涂装线可通过采用先进的涂装设备、使用高固体份涂料和双组份清漆以及采用3C1B工艺等方案来满足VOC排放量降低的要求。

虽然水性漆存在设备投资大和能耗大的缺点，但相信随着环保呼声的日益提高以及中国对清洁生产的日渐重视，在建设和谐社会的进程中水性漆在中国汽车涂装线的应用将越来越广泛。