水性涂料在汽车工业中的应用与认识

• 2008年汽车涂料占我国涂料总量 6.5％ • 2009年我国汽车产销量达到1379.1万辆。
汽车涂料用量估计在65万t，约达到我国涂料总量8.7％。
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国内水性涂料的使用发展概况（1）
• 涂料市场已经商业化可提供生产应用的水性涂料有环氧、醇酸、丙烯酸、 • •
聚氨酯、有机硅改性和氟碳等。以及各类防锈、耐高温、无机富锌和底面 合一丙烯酸烤漆等功能性水性涂料。 当前使用领域为钢铁构件、汽车零部件、电梯门板、竹木家具等。 2005年上海通用汽车金桥南厂率先建造和使用水性色漆涂装生产线。在 汽车制造厂应用水性涂料的有独资或合资的广州、武汉的本田、天津、广 州的丰田、北京现代、北京奔驰、东风日产、合肥江淮、上海临港产业基 地涂装车间等。至今国内已有水性中涂生产线12条，水性底色漆涂装线近 20多条。 汽车传动轴采用手工喷涂的醇酸水性涂料、有的零部件采用浸涂聚酯水性 涂料。 开始生产汽车塑料保险杠用的和开发了汽车内饰件用的水性涂料。此外国 内主要涂料合资公司如上海BASF、DuPont相继将水性涂料国产化、天津 PPG已开始进行水性涂料的生产。 北京钰林化工有限公司研制成功水性双组份丙烯酸聚氨酯系列的底漆中涂 漆和面漆。于今年4月至7月，经北京公交集团各保修厂及八方达客运公司 试用于各种型号车辆100多台，完全满足公交客车、豪华大巴工艺要求。 金属和塑料通用的水性底色漆开始应用。
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1995～2015年世界工业涂料品种发展趋势
表4 世界工业涂料品种发展趋势
涂料品种
溶剂型涂料 高固体分涂料 水性电泳涂料 其他水性涂料 无溶剂涂料 粉末涂料 辐射固化涂料 占涂料总量的比率／％ 1995年 39.5 12.5 8.5 14.0 14.0 8.0 3.5 2000年 30.5 12.0 10.0 16.0 15.0 12.0 4.5 2005年 15.0 10.0 15.5 19.0 16.0 17.5 7.0 2015年 7.0 8.5 17.0 22.5 17.5 20.0 7.5
• 水性色漆的涂着固体份通常为20-30%，而溶剂型色漆高达60-70%，
因此，水性色漆的平滑性较好。但在施工中对水的挥发，需通过喷漆室的 温度和湿度进行调节和增加热闪干区。防止漆膜流挂和起泡。
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水性涂料主要特点
• 在生产制造、施工应用中可用水清洗，具有很低的VOC和 • • •
HAPs，减少大气污染。 颜料分散性较溶剂型涂料差，水性涂料多为分散型树脂分子成 绕线团形的圆柱子状，树脂分子较难吸附在颜料表面，会影响 其耐候性。 水性涂料分散的粒子，是不安定的，特别是受高剪切力的状态 下容易破坏，会导致涂料粘度下降和流速的变化。 水的表面张力为73迏因／cm2，为溶剂型的2～3倍，对工件 表面的润湿性（展布性）差，涂膜产生弊病。 水性涂料的蒸发潜热为527Kcal/kg，为一般溶剂的3～7倍， 水份蒸发速度慢，闪干时间长，或需低温烘干。 对施工环境有湿度、温度和空气流速的要求。

在汽车行业中：汽车底漆水性化接近为100％。
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汽车涂装需用涂料概况
• 达国家汽车涂料占本国涂料总量：
20％ 2008年我国汽车产量 934.5万辆 • 2008年我国汽车保有量（按公安部交通管理局信息整理） 6467.21万辆 • 2008年我国涂料产量 700万t • 2008年汽车涂料 46万t 其中：新车用漆18～21万t 修补用漆约25万t
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水性涂料的组成
• 水性涂料是以水为分散介质和稀释剂取代部分有机稀释溶剂，当前使用的
水性涂料还含有一定量的醇类或醚类等作为溶剂，但其含量仅为溶剂型的 1/4～1/7.由醇酸、聚酯、聚氨酯、环氧、氨基、丙烯酸等或者是改性水
性树脂作为基料树脂，以及颜料、填料、各类助剂如：流变、消泡、颜料
分散、底材润湿和紫外吸收剂等组成。从而获得具有与溶剂型品质相同的 防腐和装饰性涂膜。
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水性涂料涂装对设备的要求（2）
静电喷涂设备 • 水性涂料电阻小于0.1MΩ，有高压电泄漏，应采用水性涂料专用 静电喷涂设备，通常采用外加电输漆系统，其优点为供输漆系统和 换色与传统方式相同。 • 日本本田汽车公司在前些年开发成功和采用内加电的杯型静电喷枪， 其优点能提高涂料的利用率。 • 机器人弹匣式旋杯喷涂系统，将中转涂料容器做成独立的涂料容器 （称为弹匣）可与旋杯进行快速组合，压送涂料。其优点为：节省 换色时清洗溶剂，可同时适用于溶剂型和水性涂料的静电喷涂。 • 自动空气喷枪《Metallic－Bell》用于水性金属色漆喷涂，替代空 气喷枪。
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•
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水性涂料涂装对设备要求（1）
鉴于汽车车身涂装在高质量的外观，耐久性和色彩等有着 严格的要求。同时，因水性涂料的特性，不同于传统溶剂型涂 料，在设备及施工方面也有着不同要求。
输调漆系统
• 由于水会使金属生锈而腐蚀，因此水性涂料的储漆容器和输 • • •
•
送管路需用不锈钢材料制作，并应经过化学钝化处理。 对涂装线中的输调漆系统和搅拌机、背压调节阀均应选用低 剪切力类型。输漆管路连接应避免死角、输送系统以采用二 线为佳，管路要加大，以增加循环供料泵的压力和流量。 调漆罐搅拌机的循环系的流速应在0.15m/sec。 调漆间温度控制在20～26℃。调漆环境温度要低于调漆缸 内油漆温度 水性涂料的储存稳定条件，5～30℃／6个月。
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涂料水性化的推动
• 随着我国涂料产量和用量不断增长，在涂装作业中仍以使用溶剂型
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高污染涂料为主导地位，污染环境，危害人类健康。 欧美国家相继制订环保法规、限制挥发性有机化合（VOC）排放 于大气中。 美国的66法规、CAA（空气洁净法1970年）、CAAA（空气洁净 法修正案1990年） 德国AT－Luft法规（大气净化法1986年）、欧盟Directive 99/13/CE 英国Environmental Protection ACT（1996年） 2002年6月29日公布了《中华人民共和国清洁生产促进法》—— 从源头削减污染为主要特征战略，并于2003年1月1日起实施。 鉴于欧美国家的汽车涂装自上世纪90年代已进入水性化时代
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水性涂料涂装对设备要求（3）
喷漆室 • 喷漆室的材质应采用不锈钢，喷室的新风补充需配置除湿装置， 防止涂膜流挂。 烘干室 • 水性涂料中水的挥发率低，其闪蒸或晾干的时间与湿度有关，应 采取措施，而在喷涂溶剂型罩光面漆前，必须借助使用闪干烘干 室对色漆进行强制闪干。要控制底色漆膜中残留溶剂＜10％，以 防止涂膜产生弊病。 • 水性中涂和面漆预烘干炉应设置预烘干、升温、保温三个加热区， 预烘干炉的升温可分二段： 升温段1:时间1～1.5min，空气温度控制在60±5℃，风口风速 控制在6～10m/s。 升温段 2: 时间 2.5 ～ 3min ，空气温度控制在 80±5 ℃，风口风速 不低于10m/s。 经强制闪蒸后的漆膜固含控制在85％以上。 降低闪蒸或晾干烘干段湿度，提高水的挥发率，可采取 • 进行低温加热，吹风闪干，防止流挂。 • 采用红热加热60～80℃，保温3～5分钟。 • 采用冷却降湿法，降低闪蒸室循环空气的湿度，将闪干室空气温 度升高。
高固体份 水性涂料 粉末涂料
63 35 98
1010 561 135
50 50 89
421 234 Biblioteka Baidu0
0.0534 88.20 0.0748 0.0501 44.07
6.92 7.21 8.03
349，764 408，106 233.993
Olympic Fabrieation and Finishing公司是专业加工成型组装和焊接板材的生产商 1. 工件最大尺寸：高×宽×长＝1500×900×3000mm 2. 年生产量2,500,000呎2／年，250工作日约200,000㎡（单班） 3. 传送线速：10呎2／min，3.0m/min
水性涂料在汽车工业中 的应用与认识
中国表面工程协会涂装分会 通用电气（中国）有限公司环境健康安全顾问 乐惠明 2010年 11月 · 北京
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前 言
全球每年因使用溶剂型涂料而向大气排放的挥发性有机化合物在 500～600万吨以上，从环保和节省石油资源出发，涂料水性化将是 一个主要方向。 水性涂料是以水作为溶剂或分散介质，保护和改善环境，消除对 人类健康危害。 早在上世纪60年代，我国已开始试验和应用水性涂料。 • 60年代末 水性涂料的电泳涂装应用于机电、轻工及纺机等行业。 • 70年代中期 水性醇酸涂料在电气控制柜的试用 • 80年代初 研制成功水性丙烯酸涂料采用辊涂法作为电器产品的 硅钢片表面防腐。 • 90年代中期 开发了水性环氧聚酯涂料作为汽车底盘浸涂，能提供 水性环氧防锈底漆和水性无机富锌涂料。 • 由于当时的水性涂料仅停留在作为底漆或防锈使用，在外观上达不 到面漆或装饰要求，以及受施工条件工艺装备的限制，进展缓慢。
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水性涂料的生产成本实况对比(参考资料）
表5 不同涂料的生产成本对比
涂料类别 固含量 理论涂复量 利用率 实际涂复量 材料费 辅助费 能耗气体燃料 返工 总投资额 发生费用／年 呎2／介仑 总 计 ％ 呎2／介仑 ％ ＄ ＄ ＄／呎2 ＄ 总计＄ ＄ 低固体份 35 561 50 234 0.077 11.21 0.17 溶剂焚烧炉 350,000 550,000 0.14 0.16 0.09 204,000 204,000 165,000 422，518
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我国汽车制造涂装VOC排放指标
国家环保局于2006年8月15日发布《HJ/T293－2006清洁生产标准 汽车制造业（涂装）》，规定了有机废气产生量排放指标，并于2006 年12月1日实施。
表1 指标 2C2B涂层 3C3B涂层 4C4B涂层 5C5B涂层
注：一级 二级 三级
汽车制造涂装VOC产生量(g/m2)指标 一级 ≤30 ≤40 ≤50 ≤60 二级 ≤50 ≤60 ≤70 ≤80 三级 ≤70 ≤80 ≤90 ≤100
国际清洁生产先进水平 国内清洁生产先进水平 国内清洁生产基本水平
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工业发达国家汽车制造涂装VOC产生量的限值
表2
国家或地区 新线 欧盟经委会 墨西哥（2000年） 加拿大（2005年） 美 国 德 国 日 本 英 国 世界先进 35 55 55 35 ＜35 45 60 15～20 ＜60 60 现有 60 55 55 50 新线 55 60 60 现有 75 60 60 新线 70 75 75 现有 90 75 75
汽车制造涂装VOC产生量的限值（g/㎡）
轿车车身 卡车驾驶室、厢式车 货车车厢和厢式车
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汽车制造涂装中不同涂料体系VOC产生量
在工业发达的国家，汽车涂装100％的底漆，80％以上的中涂和60 ％以上的金属底色漆已采用水性涂料，水性罩光漆正在使用中。
表3
涂
不同涂料体系产生的VOC总量（g/㎡）
料 体 系 VOC g/㎡ 34 20～28 28
今后趋势(减少VOC排放):
0 （＞77） 25～35 ＜22
CED＋粉末中涂+ 水性底色漆+ 粉末罩光清漆 CED＋水性中涂+ 粉末底色漆+ 水性（粉末）罩光清漆
10～25
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近年涂料产量概况
• 20世纪90年代起欧美汽车涂装进入水性化，高固体分化和粉末化。 • 2005年，全球水性涂量产量占涂量产量的34.5％。 • 2007年我国涂量产量为597.3万吨
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• •
国外水性涂料使用发展概况（2）
• Akzo Nobel涂料公司在6年前提供名为Durasoft的双 •
组份水性聚氨酯涂料，被GM公司制定作为汽车内部仪 表板的使用。 Daimler Chrysler 也要求另一家仪表生产商Lear为 Chrysler Neon汽车内饰件中选用水性聚氨酯内饰涂 料。 欧洲汽车涂装100％的底漆，80％以上的中涂和60％ 以上的金属底色漆均采用水性涂料（在水性底色漆方 面，尤以德国处于首位，已达100％，西欧为80％以 上，日本也达70％），水性罩光漆也已开始使用。 西门子机车采用三层水性涂装：水性环氧底漆＋双组 份水性聚氨酯底漆＋双组份聚氨酯面漆。干燥条件： 60℃／2h，干膜厚度80μm。
水性涂料 25％ 溶剂型涂料 50％ 粉末涂料 11％ 无溶剂涂料 8％ 高固体分涂料 5％ UV辐射固化涂料 1％ 2008年我国涂料产量为700万吨 其中：工业水性涂料为34.5万吨，占涂料产量的4.9％ 2009年我国涂料产量为755.4万t。 其中 ： 车用涂料 8.5% 粉末涂料 10.5% 其中：
欧洲:日本大发公司大分工厂（3C1B）：
CED＋水性中涂+ 水性底色漆+ 双组分罩光清漆
北美:
CED＋水性(粉末)中涂+ 水性底色漆+ 双组分罩光清漆
德国欧宝公司艾森纳赫厂首次采用:
CED＋水性中涂+ 水性底色漆+ 水性罩光清漆
戴姆勒-奔驰公司在法国的SMART轿车厂:
粉末中涂+ 粉末底色漆(黑色,银灰色)+ 粉末罩光清漆 替代过去（溶剂型＋溶剂型底色漆＋双组份罩光清漆） 日本：本田铃路厂、丰田汽车厂、日本马自达（CIB） CED＋水性中涂+ 水性底色漆+ 双组分罩光清漆