5種乘用車高固含環(huán)保涂裝工藝的初步介紹

2017-12-27 14:04:28·  來源：現(xiàn)代涂料與涂裝
　
3C1B高固含工藝自2007年在福特公司問世以來，已成功應(yīng)用于全球多個中高端乘用車工廠，在國內(nèi)也有重慶福特二、三工廠和新建的福特哈爾濱工廠等采用。為了適應(yīng)部分原有生產(chǎn)線的改造需求，我們這兩年研究開發(fā)了3C2B色漆清漆高固含、3C2B色漆高固含等新的高固含工藝，這些都已經(jīng)在奇瑞工廠成熟應(yīng)用。隨著國內(nèi)對汽車外觀性能進一步提升需求的增加，現(xiàn)今也投入3C2B高固含+2K清漆、3C1B高固含+2K清漆的研究。商用車市場應(yīng)用的單涂層和免中涂的高固含工藝，因在乘用車上尚沒有得到可實施的理論依據(jù)，暫時不在本文的討論之列。
3C1B高固含工藝自2007年在福特公司問世以來，已成功應(yīng)用于全球多個中高端乘用車工廠，在國內(nèi)也有重慶福特二、三工廠和新建的福特哈爾濱工廠等采用。為了適應(yīng)部分原有生產(chǎn)線的改造需求，我們這兩年研究開發(fā)了3C2B色漆清漆高固含、3C2B色漆高固含等新的高固含工藝，這些都已經(jīng)在奇瑞工廠成熟應(yīng)用。隨著國內(nèi)對汽車外觀性能進一步提升需求的增加，現(xiàn)今也投入3C2B高固含+2K清漆、3C1B高固含+2K清漆的研究。商用車市場應(yīng)用的單涂層和免中涂的高固含工藝，因在乘用車上尚沒有得到可實施的理論依據(jù)，暫時不在本文的討論之列。
 
2016年12月26日環(huán)境保護部辦公廳印發(fā)執(zhí)行的《汽車整車制造建設(shè)項目環(huán)境影響評價文件審批原則》提出：大氣污染防治重點區(qū)域內(nèi)新建、擴建汽車項目，改建項目水性、高固含、粉末、紫外光固化涂料等低揮發(fā)性有機物含量涂料的使用比例達到50%以上。 這是建設(shè)項目環(huán)評法規(guī)中首次明確支持在改擴建中采用高固含工藝。在更加嚴格的發(fā)達地區(qū)地方政策方面，也有對汽車涂裝高固含工藝十分支持的，如《浙江省揮發(fā)性有機物深化治理與減排工作方案（2017-2020）》（征求意見稿），將高固含定義為和水性漆一樣“含有VOC的非溶劑型涂料”，作為汽車制造業(yè)首要推薦的環(huán)保涂料升級方案。鑒于汽車涂裝高固含工藝在國家政策和行業(yè)應(yīng)用中逐步受到重視，為了促進高固含工藝不斷成熟發(fā)展，本文著重對改造項目中上述5種高固含工藝的選擇進行分析比較。
 
1  5種高固含工藝的環(huán)保法規(guī)對應(yīng)情況

目前可以提出的乘用車涂裝高固含環(huán)保工藝方案有5種，我們也核算了這幾種方案的VOC情況（見表1）。
表1 5種高固含涂裝工藝的基本情況
 
方案
名稱
主要內(nèi)容
VOC（全車間，含烘干處理，不含噴漆凈化）/（mg·m-2）
方案一
3C2B色漆高固含
固含較高的普通溶劑中涂烘干后噴涂高固含色漆、固含較高的普通溶劑清漆
35~45（清潔生產(chǎn)三級標準）
方案二
3C2B高固含
固含較高的普通溶劑中涂烘干后噴涂高固含色漆、高固含清漆
30~40（清潔生產(chǎn)二級標準）
方案三
3C1B高固含
高固含中涂、色漆、清漆濕碰濕噴涂
25~35（清潔生產(chǎn)一級標準）
方案四
3C2B色漆高固含+2K清漆
固含較高的普通溶劑中涂烘干后噴涂高固含色漆、2K清漆
30~40（清潔生產(chǎn)二級標準）
方案五
3C1B高固含+2K清漆
高固含中涂、色漆、2K清漆濕碰濕噴涂
25~35（清潔生產(chǎn)一級標準）

注：內(nèi)表面采用靜電噴涂還是空氣噴涂，以及溶劑回收比例和顏色差異等使得VOC區(qū)間較大。
 
以上幾種方案，首要著力點都是色漆的高固含，這是因為溶劑型涂料中色漆用量最大，平均施工固含只有清漆或中涂的50%左右，在3C2B工藝中該段VOC產(chǎn)生量也占整個涂裝車間的50%左右（見表2），因此色漆采用高固含的減排效果最明顯（即方案一）。
 
表2 某傳統(tǒng)溶劑型3C2B汽車涂裝生產(chǎn)線VOC分布情況
 
項目　
單車耗量 /（kg·臺-1）
VOC含量/%
VOC產(chǎn)生量（烘干爐處理前）/ （g·m-2）
VOC產(chǎn)生量 
 （烘干爐處理后）/（g·m-2）
VOC產(chǎn)生比例/%
電泳
6.5
3
1.9
0.04
10
PVC膠
8.9
4
3.5
3.5
蠟
0.3
60
1.5
1.5
中涂
2.0
36
7.3
5.2
12
中涂稀釋劑
0.2
100
1.7
1.2
色漆
2.5
70
17.7
12.5
46
色漆稀釋劑
1.6
100
16.0
11.3
清漆
2.2
50
9.6
6.7
18
清漆稀釋劑
0.4
100
4.0
2.8
清洗溶劑
1.8
100
17.6
17.6
14
廢溶劑回收
1.1
100
-10.5
-10.5
合計
    
70.3
51.9
100

注：為內(nèi)表面人工空氣噴涂的老生產(chǎn)線（2002年建設(shè)）水平。
 
從表2可以看出，僅僅色漆采用高固含，使得該段VOC降低60%之后，加上普通溶劑漆中涂原漆固含60%和清漆原漆固含50%左右的行業(yè)普遍情況，就可以達到2016年11月1日頒布實施的《 涂裝行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》VOC部分三級指標（見表3）。
 
表3 《 涂裝行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》VOC部分（2016版）
 
項目
I級
II級
III級
中涂原材料
VOC含量≤30%
VOC含量≤40%
VOC含量≤55%
色漆原材料
VOC含量≤50%
VOC含量≤65%
VOC含量≤75%
清漆原材料
VOC含量≤55%
VOC含量≤60%
VOC含量≤65%
乘用車VOC /（g·m-2）
≤35
≤40
≤45

在此基礎(chǔ)上，為了符合50%高固含環(huán)保涂料得使用要求，進一步控制VOC排放，以及根據(jù)情況達到更好的經(jīng)濟性或外觀性能要求，可以根據(jù)情況選擇方案二~方案五，根據(jù)中國涂料工業(yè)協(xié)會牽頭制定的《汽車用高固體分溶劑型涂料》T/CNCIA 01001－2016（見表4）和最終排放數(shù)據(jù)核算，采用方案三和方案五，可以達到《 涂裝行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》VOC部分一級指標。
 
表4 《汽車用高固體分溶劑型涂料》施工固含部分
 
項目
中涂漆
本色面漆
實色底色漆
金屬底色漆
罩光清漆
施工固體含量 / %
3C1B：≥57
3C2B：≥60
白色：≥60；
黑、紅：≥50；
其他：≥55
白色：≥60；   其他：≥45
≥42
≥58

2 改造和運行成本

原有乘用車溶劑型涂裝生產(chǎn)線，多采用3C2B方式，有的受原有工藝和布局的限制難以改造為3C1B工藝，如原有生產(chǎn)線沒有PVC烘干、中涂和面漆的位置難以相連等，這需要根據(jù)生產(chǎn)線的情況具體分析。總體而言，不改變原有3C2B布局的改造成本和風(fēng)險最低，改造為3C1B的難度要根據(jù)具體情況，但投資肯定更高，而清漆系統(tǒng)改造為2K清漆，也是一筆不小的投資，尤其是采用機器人手臂內(nèi)雙組分配比的方案。
 
在運行成本上，因為3C2B溶劑漆中涂具有絕對的價格優(yōu)勢和質(zhì)量穩(wěn)定性，所以現(xiàn)階段3C2B色漆高固含還是最為經(jīng)濟的方案，隨著3C1B高固含工藝的不斷普及、高固含清漆和2K清漆的大量應(yīng)用，加上緊湊工藝在效率和能耗上的優(yōu)勢，未來3C1B高固含和3C1B高固含+2K清漆的運行成本有可能達到甚至低于3C2B高固含工藝 。 
 
現(xiàn)階段由3C2B傳統(tǒng)溶劑涂裝工藝改造為各類高固含工藝的比較見表5。
 
表5 5種高固含涂裝工藝改造比較（在3C2B溶劑型涂裝工藝基礎(chǔ)上）
 
方案
名稱
改造成本
運行成本
方案一
3C2B色漆高固含
很小或無（根據(jù)噴涂條件）
持平或降低（色漆單車油漆成本變化）
方案二
3C2B高固含
很小或無（根據(jù)噴涂條件）
持平或略高（色漆單車油漆成本變化、清漆單車油漆成本增加）
方案三
3C1B高固含
較大或無法改造（根據(jù)工藝布局條件）
略高（中涂單車增加，動能人工減少）
方案四
3C2B色漆高固含+2K清漆
相比方案一多清漆雙組分改造
提高
方案五
3C1B高固含+2K清漆
相比方案三多清漆雙組分改造
提高

3 外觀性能比較

隨著這幾年的研究開發(fā)，我們也逐步積累了一些研究數(shù)據(jù)（見表6），這些數(shù)據(jù)和我們構(gòu)想的方向基本相同，其中部分方案已經(jīng)在生產(chǎn)線上成熟應(yīng)用，有的方案處在調(diào)試階段，有的還在開發(fā)過程中。
 
表6 某顏色不同高固含涂裝工藝外觀試驗數(shù)據(jù)
 
方案
平立面
LW
SW
DOI
  
 
產(chǎn)品要求
平面
≤4
≤20
90
  
立面
≤10
≤25
90
  
方案一：3C2B色漆高固含
平面
3.9
21.2
91
  
立面
9.4
26.8
86.8
  
方案二：3C2B高固含
平面
5.3
8.3
93.3
  
立面
5.4
10.9
92.5
  
方案三：3C1B高固含
平面
9.3
44.2
82.2
  
立面
13.2
47.7
79.6
  
方案四：3C2B色漆高固含+2K清漆
平面
2.1
2.8
94.4
  
立面
6.3
5
94.1
  
方案五：3C1B高固含+2K清漆
平面
2.1
7.8
94.4
  
立面
6.6
7.4
93.5
  

注：不同顏色、不同樣本會有一定差異，本表只是根據(jù)標準符合性和趨勢性驗證
 
從表6可以看出，3C2B高固含體系外觀數(shù)據(jù)較好，配套雙組分清漆的3C2B高固含工藝外觀出色，但存在長短波比例不協(xié)調(diào)的問題，所以正在推進方案五的研究，目前從實驗室和某工廠實車試噴的情況看外觀數(shù)據(jù)不錯，今后可以通過中涂膜厚等優(yōu)化進一步控制外觀效果。
 
因為緊湊水性工藝能確保外觀的要求，以及2K清漆在性能上的一些優(yōu)勢，最近幾年2K清漆的應(yīng)用在國內(nèi)迅速普及，尤其萬華化學(xué)等國產(chǎn)異氰酸酯2K清漆固化劑的成熟，其單車成本也逐漸向普通清漆靠攏，因此方案四和方案五將是我們下一步開發(fā)的重點。當然，一些高固含體系色漆和2K清漆的配套性研究，也會是一個長期的新難題。
 
外觀和性能的差異，除了與配套性和涂層厚度等有關(guān)外，主要差異取決于清漆。各家同類清漆產(chǎn)品的開發(fā)機理不盡相同，如立邦高固含采用低相對分子質(zhì)量丙烯樹脂+ 低黏度聚酯樹脂+高固含氨基樹脂（見圖1），PPG高固含采用聚酯+丙烯酸體系，艾仕德高固含采用硅氧烷+丙烯酸體系，但總體來說，高固含清漆相比普通單組分清漆，VOC上有一定優(yōu)勢，施工性能相當或略好，在外觀和性能上有所提升；2K清漆和高固含清漆VOC基本相當，在耐磨性、目視外觀、耐溶劑等方面表現(xiàn)更好，參考部分涂料材料供應(yīng)商和主機廠的資料繪制的3種產(chǎn)品大致差異示意見圖2。
 
4 結(jié)語

目前BASF、PPG、Axalta等國際涂料供應(yīng)商都有方案一到方案三的成熟產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用，目前完全免中涂高固含工藝已有在卡車上應(yīng)用的案例，未來可嘗試按轎車標準開發(fā)。立邦、關(guān)西、伊士曼、金力泰等國內(nèi)外主要涂料供應(yīng)商也在積極開發(fā)高固含工藝或高性能的高固含清漆。2K清漆最近2年在國內(nèi)十分流行，因此高固含配套雙組分清漆的工藝，也進入研究試驗階段。
 
環(huán)保部日前審議通過的《“十三五”揮發(fā)性有機物污染防治工作方案》，明確將高固含涂料配套3C1B工藝作為汽車制造業(yè)首先推薦的環(huán)保工藝。本文通過高固含和水性漆的比較，并對比了幾種新的高固工藝，認為3C1B高固含配套2K清漆工藝，能夠傳承溶劑型分涂料能耗、施工性、循環(huán)水處理優(yōu)勢，達到水性緊湊工藝的VOC排放水平，具備2K清漆卓越的外觀性能，在現(xiàn)今國家法規(guī)政策大力支持下，必將成為汽車涂裝環(huán)保技術(shù)的最新方向。