汽車高固含涂裝工藝的研究與應用

1. 概述
汽車產(chǎn)業(yè)作為現(xiàn)代化社會的標志性產(chǎn)業(yè)，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟中的支柱產(chǎn)業(yè)。然而，其對環(huán)境產(chǎn)生的負面影響也進一步凸顯?，F(xiàn)代汽車工業(yè)分為四大工藝環(huán)節(jié)：零件沖壓工藝、車身焊裝工藝、車身涂裝工藝和總成裝配工藝。車身涂裝是污染排放最高的環(huán)節(jié)，汽車生產(chǎn)過程中，有 80%以上的VOCs排放來自于涂裝環(huán)節(jié)。

2013年以前，國內(nèi)汽車行業(yè)普遍使用低固體分溶劑型涂料。隨著國內(nèi)環(huán)保意識的日益提升及政府更為嚴格的環(huán)保要求，國內(nèi)涂裝專業(yè)提出了綠色涂裝的概念，即涂裝生產(chǎn)線的節(jié)能、降耗、減排。綠色涂裝中，所選用的涂料、涂裝工藝的環(huán)保特性起決定性作用。為了降低污染，汽車涂料逐步更新為環(huán)保型產(chǎn)品，包括粉末涂料、水性涂料以及高固體分涂料。高固體分涂裝工藝在老線便于改造的突出優(yōu)勢已逐步顯現(xiàn)，在可預見的未來其發(fā)展將會達到一個全新的高度。

2. 環(huán)保涂料的發(fā)展

作為汽車行業(yè)成熟的產(chǎn)品，傳統(tǒng)中低固體分3C2B溶劑涂料具有很好的裝飾性、使用性能和很寬的施工窗口。但其詬病之處在于VOCs排放高，對大氣污染嚴重；且生產(chǎn)線長，設備多，占地面積大。為克服VOCs污染問題，逐漸研究出了新一代的環(huán)保涂料——水性涂料、粉末涂料以及高固體分涂料；并且為了減少生產(chǎn)線投資，降低生產(chǎn)過程中的能源消耗，衍生出了緊湊型工藝如3C1B、水性B1B2等。在顏色多、換色頻繁的車身涂裝過程中，粉末涂料由于其自身特點的限制而應用較少。目前常用的環(huán)保型涂料為水性涂料及高固體分涂料。

2.1 水性涂料及溶劑型涂料的VOCs排放對比
相比于傳統(tǒng)溶劑型3C2B涂裝工藝，新一代環(huán)保涂料在VOCs排放方面均有明顯降低。水性涂料的VOCs排放優(yōu)勢最大，最高降幅可達80%以上；高固體分溶劑型涂料也能較大程度地減少有機溶劑的排放，最高降幅可達60%以上。采用兩種工藝均可達到目前國內(nèi)環(huán)保法規(guī)要求的VOCs限值，有效減輕大氣污染。

2.2 工藝對比
目前常見于國內(nèi)OEM制造商的涂裝工藝因使用涂料類別不同相差較大。對于水性涂料而言，由于水的潛熱大揮發(fā)慢，在烘烤成膜前需要增加強制閃干（烘烤）段，以保證涂層充分脫水。以3C2B（三涂層二烘烤）為例，水性涂料將比溶劑型涂料多出兩個強制閃干段，增加了生產(chǎn)線的占地面積、廠房及設備投入，并大幅度增加了能源的消耗。見圖1 工藝對比圖：

圖1 工藝對比圖

另外，水性涂料施工窗口窄，導致對施工環(huán)境要求高，需要穩(wěn)定的溫度和濕度控制：溫度(25±2) ℃，濕度65%±5%。現(xiàn)場需要添加額外的空調(diào)制冷等設備保證應用環(huán)境。

除VOCs對大氣的污染需嚴格控制外，能耗也是生產(chǎn)過程中需重點控制的因素之一。為了降低能耗，逐步衍生出了緊湊型工藝，減少一道中涂烘干工序。同時，將部分涂層厚度調(diào)整降低，也在一定程度上降低了VOCs的排放。由于水性涂料傳統(tǒng)3C2B涂裝工藝能耗高，在設計時更多考慮VOCs排放和緊湊型工藝，且水性涂料對設備的要求區(qū)別很大，不適宜在傳統(tǒng)溶劑型涂裝線上進行改造。

唯一例外的是高固體分溶劑型涂料，其自身與傳統(tǒng)涂料體系一致，均為溶劑型涂料，施工與傳統(tǒng)中低固溶劑型涂裝工藝一致，基本無需改造。高固體分涂料提升了固體分含量，可以從源頭上有效降低VOCs的產(chǎn)生及排放。對于有環(huán)保要求進行涂裝線改造的企業(yè)來說，高固體分涂料涂裝是一個可以達到降低VOCs目標、省時省力、節(jié)省投資的非常好的選擇。

3. 高固體分涂料及其特性

根據(jù)市場上出現(xiàn)的高固體分產(chǎn)品定義為：較傳統(tǒng)涂料施工固體分更高的涂料體系，一般高出10%~25%的質(zhì)量固體分。本文選取美國某知名涂料企業(yè)高固體分金屬漆產(chǎn)品，對比傳統(tǒng)溶劑型汽車涂料如表1：

表1 施工固體分對比
注：此處為質(zhì)量固體分。

在傳統(tǒng)汽車涂裝各工序溶劑揮發(fā)量中，電泳漆占1%，中涂漆占16%，底色漆占52%，罩光漆占13%、噴蠟占13%、其它占5%。高固體分底色漆的施工固體分可提高2倍以上，其在降低VOCs排放方面的貢獻不容小覷。

高固體分涂料的核心問題是設法降低傳統(tǒng)成膜物質(zhì)的相對分子質(zhì)量，降低黏度，提高溶解性，在成膜過程中靠有效的交聯(lián)反應，保證完美的涂層質(zhì)量達到熱固性溶劑型涂料的水平或更高。因此成膜樹脂必須具有合適相對分子質(zhì)量及分布，這對涂料供應商的技術及成本控制能力都是巨大的挑戰(zhàn)。另外，高固體分涂料體系必須輔之以溶解力強的溶劑，用更少的溶劑高效地降低黏度。

3.1 高霧化能量

高固體分涂料施工時固體分較傳統(tǒng)涂料高出10-20%，這種特性帶來的不利影響是：高固體分涂料霧化難，而且即便從霧化口噴出的漆滴大小一樣，到達被涂件表面時傳統(tǒng)中低固涂料因溶劑揮發(fā)顆粒變得更細膩（見圖2）。而噴涂高固體分涂料時需要更高的能量促使漆滴充分霧化，才能保證最終漆膜的外觀。這種特性對含有效果顏料（金屬粉、珠光粉等）的產(chǎn)品的定向效果具有較大的影響。如下圖中（1）部分，霧化不佳導致了效果顏料堆積，顏色難以調(diào)整；圖中（2）部分左側表示充分霧化，噴涂時漆滴達到要求才可滿足右側的涂著效果。現(xiàn)場使用經(jīng)驗表明，高固涂料施工時旋杯轉速一般在50 K 轉/分鐘以上。

圖2 涂料霧化效果圖

3.2 電阻率
高固體分涂料中以少量溶劑快速降低粘度，故所用溶劑大部分為溶解力強的極性溶劑，如酮類、醇類等。因此，高固體分涂料電阻率比傳統(tǒng)溶劑低：傳統(tǒng)溶劑施工電阻率范圍為0.8-2.0 MΩ，高固體分體系為0.5-0.8 MΩ。低電阻率對噴涂設備提出較高要求，需要更低的報警閥值。
3.3 溫度敏感性
溫度對涂料中成膜樹脂的流變行為有較大的影響，而高固體分涂料（特別是高固體分清漆）中樹脂含量非常高，溫度變化通常會對涂料粘度產(chǎn)生更大的影響。例如圖3 ，展示了某高固清漆典型的粘度溫度曲線：

圖3 某高固清漆粘度溫度曲線

實際情況是國內(nèi)已有的溶劑型涂裝線對溫度的控制并不嚴格，因此需要特別注意隨著季節(jié)及氣溫變動調(diào)整涂料施工粘度，避免出現(xiàn)流掛外觀等缺陷。

4. 高固體分涂層性能與外觀

4.1 干膜性能表現(xiàn)
通過嚴格的原材料挑選和恰當?shù)呐浞皆O計，目前高固體分涂料在性能方面已經(jīng)達到與傳統(tǒng)溶劑型涂料相同的水平，能夠滿足多數(shù)汽車生產(chǎn)商的要求。仍選取美國某知名涂料企業(yè)高固體分產(chǎn)品與傳統(tǒng)產(chǎn)品對比，如表2：

表2 高固體份涂料干膜性能測試結果

4.2 漆膜外觀表現(xiàn)
高固體分涂料的兩種主要成膜樹脂的選擇都有別于傳統(tǒng)中低固溶劑體系：所用丙烯酸樹脂分子量偏低以滿足粘度；同時高固體分的氨基樹脂醚化度高，聚合度低，交聯(lián)反應活性低。這種特性將導致高固體系交聯(lián)反應不如低固體系平順，最終影響到漆膜外觀，尤其是短波表現(xiàn)。選列如表3：

表3 高固體系與傳統(tǒng)體系外觀對比

注：粘度使用Ford 4# 粘度杯，25°C測量（施工狀態(tài)下）；外觀使用BYK wavescan測量。

5. 高固體分涂料施工參數(shù)及注意事項
鑒于高固體分涂料具備上述特點，其在噴涂方面具備自己的特點：要求整形空氣流量高、涂料流量低、噴涂電壓高、旋杯轉速高等；對現(xiàn)場環(huán)境、烘烤參數(shù)的要求與中低固溶劑涂料一致。具體如表4所示：
表4：中低固體分與高固體分涂料施工對比

在已有的傳統(tǒng)中低固溶劑涂裝線上進行高固體份涂裝工藝改造時，僅需對參數(shù)改變的部分做稍微調(diào)整，再考慮部分必要的涂料開發(fā)、系統(tǒng)清洗，即可實現(xiàn)高固涂裝工藝的切換。此環(huán)保改造方案，成本最低，耗時最短，基本不會造成原生產(chǎn)線的停產(chǎn)。

6. 結語
隨著國內(nèi)環(huán)保要求的日益提升，環(huán)保涂料的推廣也將加快，并且呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展路徑。高固體分涂料能在原有生產(chǎn)線上使用，在尊重其材料特性的條件下正確應用，能達到與傳統(tǒng)溶劑型涂料同等的水平；同時還能顯著降低VOCs排放。高固體分涂料的這種獨特優(yōu)勢是其它環(huán)保涂料所不具備的。因此，在一些有環(huán)保訴求但又不是非常嚴苛的汽車生產(chǎn)商以及其它工業(yè)涂裝場合，高固體分涂料有很大的發(fā)展?jié)摿Γ貙⒁云渥陨愍毺氐膬?yōu)勢在未來汽車涂裝環(huán)保應用中爭得一席之地。