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(chē)涂裝過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC的排放量，是目前在汽車(chē)行業(yè)中正在被大力推廣的環(huán)保型涂裝工藝。本文詳細(xì)介紹了水性漆噴涂系統(tǒng)在我國(guó)汽車(chē)涂裝中的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況。

    【關(guān)鍵詞】汽車(chē)涂裝水性漆環(huán)保

    0.前言

    改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)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(jià)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳，人民群眾對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題反映強(qiáng)烈。我國(guó)在十一五規(guī)劃中明確提出了“落實(shí)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境基本國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)體系和資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”的發(fā)展目標(biāo)。國(guó)家環(huán)保局于2006年8月15日發(fā)布了《汽車(chē)涂裝清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)》，并且規(guī)定從2006年12月1日起開(kāi)始實(shí)施，從生產(chǎn)源頭上開(kāi)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(chē)制造過(guò)程中，涂裝車(chē)間是三廢排放最多的生產(chǎn)車(chē)間。因此近年來(lái)在汽車(chē)制造相關(guān)法規(guī)的驅(qū)動(dòng)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(chē)涂裝技術(shù)發(fā)展的主題。其中如何減少汽車(chē)涂裝過(guò)程中大量揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC的排放量是汽車(chē)涂裝工藝主要研究的課題之一。

    目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽車(chē)涂裝生產(chǎn)線(xiàn)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(dá)120g/m2,遠(yuǎn)高于《汽車(chē)涂裝清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)》中3C3B涂層三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)VOC排放量≤80g/m2的基本要求，距離標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的國(guó)際清潔生產(chǎn)先進(jìn)水平一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)VOC排放量≤40g/m2的要求差的更遠(yuǎn)。而采用水性漆涂裝工藝可以從源頭上對(duì)污染物進(jìn)行控制，大幅減少涂裝過(guò)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(chē)間是由上海汽車(chē)股份有限公司與機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合自主開(kāi)發(fā)建設(shè)的，在安全、環(huán)保、節(jié)能等方面具有世界先進(jìn)水平的涂裝車(chē)間，產(chǎn)品為中國(guó)上汽自主品牌“榮威”系列中高級(jí)轎車(chē)。上汽臨港涂裝車(chē)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(dá)到國(guó)際清潔生產(chǎn)先進(jìn)水平。

    本文對(duì)臨港涂裝車(chē)間項(xiàng)目中有關(guān)水性漆噴涂系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)述。

    1.水性涂料的特性

    傳統(tǒng)溶劑型涂料是用有機(jī)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(duì)涂料加以調(diào)整會(huì)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(yuǎn)高于溶劑，會(huì)對(duì)靜電噴涂帶來(lái)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(shí)，水性涂料的粘度會(huì)下降很多，會(huì)對(duì)輸調(diào)漆系統(tǒng)帶來(lái)很大影響。

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

    正因?yàn)樗c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(shí)，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(zhǎng)所構(gòu)成的近似四邊形，它是噴漆設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須具備的基本輸入條件。與傳統(tǒng)溶劑型涂料相對(duì)寬松的施工工藝窗口相比較，水性涂料對(duì)于噴涂環(huán)境溫度和濕度條件有著更加嚴(yán)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(jì)時(shí)設(shè)定的窗口條件都要更為嚴(yán)格，一般要達(dá)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(chǎng)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(shí)捕集噴涂過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)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(chē)間噴漆室溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)：溫度為23±1℃，濕度為65±3%，詳見(jiàn)下表。涂料采用美國(guó)杜邦Dupont公司和PPG公司的產(chǎn)品。

    根據(jù)生產(chǎn)中試驗(yàn)結(jié)果，臨港涂裝車(chē)間噴漆室實(shí)際設(shè)定值為：溫度為22℃±1℃，濕度為60±3%；測(cè)定值為：溫度為21℃～23℃，濕度為59%～61%，完全滿(mǎn)足了上述水性涂料供應(yīng)商提出的施工工藝窗口要求，實(shí)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(jìn)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(jìn)行高溫烘干會(huì)產(chǎn)生氣泡等弊病，因此需要進(jìn)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(xiàn)見(jiàn)下圖：

附圖2 水性中涂烘干工件溫度曲線(xiàn)

    臨港涂裝車(chē)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(gè)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(xiàn)既滿(mǎn)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(duì)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(guò)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(jìn)行下道罩光清漆的噴涂，否則面涂烘干時(shí)會(huì)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(jìn)行加熱烘烤，使之脫水率達(dá)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(chē)間將熱閃干段分為一個(gè)升溫區(qū)、兩個(gè)保溫區(qū)，并對(duì)每個(gè)區(qū)的溫濕度分別進(jìn)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(biāo)。

    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(guò)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(chē)間涂料循環(huán)系統(tǒng)要點(diǎn)如下：

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

    ·采用液壓動(dòng)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(duì)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(jī)器人自動(dòng)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(fù)極、以接地的被涂物為正極，將涂料形成帶負(fù)電荷的霧化粒子在電場(chǎng)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(guò)外部加電手指對(duì)涂料進(jìn)行加電的方式，其缺點(diǎn)是外部加電手指容易被污染，且對(duì)旋杯移動(dòng)速度和環(huán)境濕度較為敏感而會(huì)造成噴涂效率降低，影響漆膜外觀(guān)質(zhì)量，比較適用于對(duì)現(xiàn)有溶劑型涂料進(jìn)行使用水性涂料改造的項(xiàng)目；內(nèi)部加電又有兩種類(lèi)型，一種是在機(jī)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(jìn)行噴涂，另一種是將涂料注入專(zhuān)用的涂料罐，機(jī)器人在每次噴涂時(shí)取一個(gè)涂料罐進(jìn)行噴涂，噴涂完畢將空罐放回重新加注涂料，機(jī)器人同時(shí)取另一個(gè)涂料罐噴涂，這種方式也稱(chēng)為“彈匣式供漆系統(tǒng)”。

    臨港涂裝車(chē)間采用的是FANUC公司最新的P500型壁掛式機(jī)器人自動(dòng)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(jī)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(jiǎn)單、維護(hù)方便、低成本等優(yōu)勢(shì)，噴涂效率可達(dá)到80%以上。

附圖5 P-500水性漆加電組件

    8.結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)臨港涂裝車(chē)間產(chǎn)品漆膜性能的全面檢測(cè)，包括外觀(guān)指標(biāo)(光澤度、鮮映性、流勻度、顏色等)、力學(xué)性能(附著力、強(qiáng)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(chē)用化學(xué)品、溶劑等)、耐腐蝕、耐老化、耐溫度變化等一系列項(xiàng)目檢測(cè)，證明水性漆涂膜質(zhì)量性能已經(jīng)全面達(dá)到或者超過(guò)了溶劑型涂層的質(zhì)量性能指標(biāo)。

    近幾年水性漆涂裝工藝在歐美汽車(chē)行業(yè)的涂裝線(xiàn)上已經(jīng)得到了普遍使用，在國(guó)內(nèi)合資汽車(chē)工廠(chǎng)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(kāi)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(guó)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(guó)自主品牌汽車(chē)工廠(chǎng)中的節(jié)能環(huán)保先鋒。該項(xiàng)目的成功實(shí)施實(shí)現(xiàn)上汽集團(tuán)“高質(zhì)量、低成本”的建設(shè)目標(biāo)，為水性漆涂裝工藝在國(guó)內(nèi)自主品牌汽車(chē)企業(yè)中的推廣起到了一定的示范效應(yīng)。

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