水性涂料在车身涂装中的应用现状及发展趋势

水性涂料在车身涂装中的应用现状及发展趋势 吴 涛 （中国第一汽车集团公司生产制造技术部，长春130011）

［摘 要］ 水性涂料在汽车涂装中被广泛应用，显著降低涂装的VOC排放，同时带来的成本、能耗的提高，施工管理复杂化等问题，近几年材料、工艺、设备等方面的技术进步，已使这些问题逐步得到解决。但随着对汽车生命周期管理的相关法规的推出，汽车涂装水性化仍然面临诸多挑战。

［关键词］ 汽车 水性涂料 趋势 0 前言 如果说阴极电泳涂料普及应用是涂装技术进步的突出体现的话，那么，上世纪90年代初开始逐步普及应用的水性中涂和面漆则是汽车涂装应对环保法规的重要体现，应用水性涂料，可使车身涂装的VOC排放降到20g/m2，低于欧洲45g/m2的VOC标准[1]。然而，在VOC排放显著降低的同时，带来成本、能耗的提高和施工管理复杂化等问题，近几年材料、工艺、设备等方面的技术进步，已使这些问题逐步得到解决。但随着对汽车生命周期管理的相关法规的推出，汽车涂装水性化仍然面临诸多挑战。本文围绕水性涂料在车身涂装领域相关的技术进步作以小结和展望，供同行参考。

1 水性涂料在车身涂装上的应用现状 众所周知，欧、美、日等汽车发达国家和地区，对汽车涂装均有严格的强制VOC排放要求。为应对VOC排放的标准要求，汽车涂装是以采用少无VOC的环保材料为主，普及应用电泳涂料、高固体份涂料、水性涂料、 粉末涂料等， 基于电泳涂装和粉末涂装的诸多优势，在国内外汽车零部件涂装领域已经十分普及，涂装面积最大、装饰性要求最高、涂层结构最复杂的车身，底漆也早已普及电泳涂装。然而，车身的中涂、底色和面漆采用的涂料品种对

图1 不同涂装材料的VOC排放数据 注：图表资料来源Dupont Herberts

051015202530354045CEDHS 溶剂型中涂

水性中涂粉末中涂

MS 溶剂型BCHS 溶剂型BC水性 BC粉末 BCMS 溶剂型CCHS 溶剂型CC

水性CC 1K水性CC 2K

粉末C

C

喷漆室清理运输防护蜡

VOC g/m2 图2 典型轿车车身涂装总VOC排放量 注：图表资料来源Dupont Herberts

VOC排放影响很大（详见图1和图2），图中可见溶剂型底色涂装占整车涂装VOC排放的50%以上，水性底色VOC排放仅相当于中固体份溶剂型底色的15.5%，粉末涂料的VOC几乎为零。从上世纪90年代开始，水性底色、水性中涂和粉末中涂、高固体份清漆和粉末清漆在欧美的新涂装线上应用，到2008年，水性底色的普及率，德国接近100%，西欧超过80%，日本接近70%，美国由于新建涂装线不多，普及率在40%左右（见图3）[2]。中国于2006年颁布了针对汽车制造业涂装的清洁生产标准（HJ/T 293-2006），虽然此标准只是推荐性的，但也促进了水性中涂和底色的应用。到2008年国内汽车车身底漆几乎与国际同步，普及了阴极电泳，水性中涂和水性底色的应用如表1所示。

图3 欧美日水性底色的应用 注：图表资料来源Dupont Herberts

表1 国内水性中涂及水性底色应用情况 集团名称 工厂名称 线名称 车型 中涂2008 底色2008

GM GM 上海 2 轿车 溶剂型 水性 GM 山东 1 轿车 溶剂型 水性 GM 沈阳 2 新线 水性 水性

HONDA 1工厂 1 轿车 水性 水性 2工厂 1 轿车 水性 水性 武汉 1 轿车 水性 水性

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2002200320042005200620072008年

转换百分率

日本美国西欧德国

0102030405060708090溶剂型 PS, MS BC, MSCC水性 PS, BC, 溶剂型HS CC水性 PS, BC, 粉末 CCVOC g/m2运输防护蜡喷漆室清理CCBC中涂CEDTOYOTA 天津 2 轿车 溶剂型 水性 3 轿车 水性 水性 广州 1 轿车 水性 水性

NISSAN 武汉1工厂 1 轿车 溶剂型 水性 武汉2工厂 1 轿车 水性 水性 襄樊3工厂 1 卡车 溶剂型 水性

HYUNDAI 北京1工厂 1 轿车 溶剂型 水性 北京2工厂 1 轿车 水性 水性 DC 北京工厂 1 轿车 水性 水性 KIA 盐城 2 轿车 水性 水性 SAIC 新上海工厂 1 轿车 水性 水性 JAC 2工厂-轿车 1 轿车 水性 水性

2 水性涂料应用面临的问题

应用水性涂料减少VOC排放效果十分显著，火灾危险性等级也相应下降。与粉末涂装相比，水性涂料喷涂施工更具有对传统溶剂型涂料喷涂的继承性，技术上相对好掌握，粉末涂料除中涂和清漆应用比较成熟外，粉末底色的装饰性还无法和液态涂料相比，所以，水性面漆底色应用是主流。然而，与溶剂型涂料相比，水性涂料应用需要面对一系列新问题。

2.1 能耗和环保方面 由于水和有机溶剂物化特性有较大差别，水性涂料和溶剂型涂料组成不同（见表2和表3），所以水性涂料和溶剂型涂料施工条件要求不同（见表4）。水的蒸发气压和热熔比有机溶剂高，在喷涂过程中，溶剂型底色约有(60～70)% 的溶剂蒸发，而水性底色只有(15～20)%的“溶剂”蒸发。若使底色晾干到残余湿度小于10%（喷下一道涂层之前的要求），必须采取强制加热法加速晾干。水性中涂烘干也需要水分预烘干。涂料储运及喷涂室的温湿度要求也需要相应的能源保证。所以，相对溶剂型涂料，水性涂料施工能耗增加很多，如果采用燃料能源则温室气体（CO2）排放将增加；废水废渣的产生与溶剂型相当。

表2 水和有机溶剂有关物化特性参数对比 相关参数 单位 水 有机溶剂 表面张力 mN/m 72.0 29.0 蒸发气压 h Pa 24.0 5.0～12.5 热容 kJ/(kg·K) 4.18 1.6～2.0 介电常数 80.37 2.37～5.10

表3 某种水性底色和溶剂型底色组成对比 组分 单位 水性BC 溶剂型BC 水 % 63.0 - 溶剂或助溶剂 % 12.0 76.0 颜料 % 2.0 2.0 树脂 % 23.0 22.0

表4 某种水性底色和溶剂型底色施工条件对比 水性BC 溶剂型BC 储运温度 （5～30） Cº 无特殊要求 喷涂温度 （23±2） Cº （15～30） Cº 喷涂相对湿度 （65±5）% （40～80）% 晾干 红外加热或热空气吹 室温

2.2 成本和质量方面 如果不考虑溶剂型涂料VOC的处理因素，应用水性涂料无论是材料成本、管理成本、设备投资和能源成本都高于溶剂型涂料，而涂装质量没有提高或可能降低。水性涂料的价格高于传统涂料，它的导电性使静电喷涂设备复杂化，喷涂的传输效率也有所降低，如外部荷电方式的传输效率比传统内部荷电方式低约10%，意味着增加材料消耗。涂料的粘度触变性对输漆和喷涂系统的特殊要求，它的腐蚀性直接导致涂装车间建设投资的增加。水性涂料的施工工艺窗范围较窄，工艺参数控制要求高，参数波动容易导致产生漆膜弊病，降低涂装一次合格率。

3 材料、工艺及设备的技术进步 针对水性涂料应用中面临的突出问题，在过去的十年中，持续地围绕材料、工艺及设备的技术改进，已经使水性涂料涂装技术进一步成熟，明显降低成本的新工艺已经得到应用，进一步促进了水性涂料的普及。一代水性中涂已经开始被低成本转换概念（LCCC）水性中涂所替代，烘干规范和溶剂型完全相同（晾干20℃／6～8分钟、升温6～8分钟、保温160℃／12～15分钟），外观质量优于第一代；宽施工工艺窗（50％～80％RH、20～32℃）的金属和塑料通用的水性底色开始应用、底色喷涂和罩光漆之间不需要红外烘干和冷却，可以降低设备和生产运行成本[2]。DUPONT公司的EcoConcept双组分水性底色，BASF公司的ColorPro系列水性底色，PPG公司的B1 B2水性底色和Dura-Prime® 电泳漆等，都可适应底漆后直接喷涂面漆，也就是所谓的免中涂工艺。试验证明当钢板表面粗糙度(Ra)不大于1.0μm时，电泳后表面粗糙度为0.2~0.35μm的条件下，采用无中涂工艺进行涂装，面漆的桔皮值可满足LW≤10和SW≤25的要求[3]，BASF公司的研究结果表明，电泳涂层的粗糙度(Ra) ≤0.4μm，免中涂工艺的装饰性和传统工艺相当，同时，涂层的其它性能与传统涂层也没有明显的差别。显然，采用无中涂工艺，可以省去中涂涂装线的建设投资、相应的材料消耗、人工费用、运行费用等，在大幅度降低涂装成本的同时，提高了生产效率。DC公司Bremen工厂的一条线于2003年1月转换为无中涂工艺，VW、BMW、AUDI、FIAT等公司也已经开始或准备应用此工艺[2]。一汽自主开发的一体化涂装技术中的溶剂型无中涂工艺于07年在青岛汽车厂驾驶室涂装中正式应用。

随着机器人技术的进步，多功能喷涂机器人（Vario-Robot）得到应用，显示出其功能方面的突出优点。不仅使标准的自动喷涂段喷杯数量由9支减少到6支，标准喷漆室宽度由4.6米减少到3.8米，可节能17％，而且，取消了顶喷机横梁，消除了典型自动喷涂机的种种弊端。为解决水性涂料静电喷涂外部接电方式传递效率低的问题，一种弹匣式旋杯系统（VOLTAGE BLOCK SYSTEM）被开发出来并得到应用。此系统的突出优点是：水性涂料直接带电进行涂装，提高了材料利用率；同时适用于溶剂型涂料和水性涂料；只要增加弹匣即可实现临时的小批量颜色涂装；换色时只要更换弹匣即可，在短时间内即可完成；因为换色时不需要清洗弹匣，涂料和溶剂损失为零；换色时只需要清洗喷杯，与其它系统相比，清洗溶剂消耗减少93％以上，更有利于节省资源的减少公害；机械人手臂不再需要搭载换色阀和涂料泵送系统，设备简洁易维护。弹匣旋杯系统在日本应用较多[2]。

4 未来发展趋势 安全、环保是21世纪汽车行业发展的主题，旨在不断降低汽车对人类生存环境不良影响的法规不断出台和实施。2000年9月，欧盟委员会和欧洲议会制定了关于报废机动车回收利用管理的指令（DIRECTIVE 2000/53/EC），规定成员国要在2001年完成国内立法，见表5、表6。2005年开始新车车辆型式认证要求85％再使用，限期禁用镉、汞、铅和六价铬等 重金属。2006年12月，欧盟化学品注册、评估、授权和限制(concerning the registration, evaluation, authorization and restriction of chemicals)制度(简称欧盟REACH法规)获得通过，于2007年6月1日正式实施，它取代了现行的40个法规，成为统一的化学品注册、评估、授权、许可的管理法规。REACH内容涉及汽车产品。2002年7月日本国会通过了报废汽车再生利用法，于2005年1月1日起正式实施[4]。生命周期评估（LCA）概念也已经