汽車用水性涂料及其涂裝設備

  傳統的汽車涂料是溶劑型涂料，其中的VOC（揮發性有機化合物：在通常壓力條件下，揮發并參與大氣光化學反應的有機化合物）揮發到大氣中會危害人類健康、污染環境。隨著人類環保意識的增強，各國相繼制訂了保護環境的法規，限制VOC 排入大氣。為了控制汽車涂裝時帶來的環境污染，美國和歐洲的環保法規對VOC 都有明確規定。如德國的大氣凈化法已成為整個歐洲的法規，該法規要求每1 m2涂裝面積的VOC 排放量在35 g 以下，要求非常嚴格。
       我國在2002 年6 月頒布了《中華人民共和國清潔生產促進法》，并于2003 年1 月1 日起實施；在2009 年9 月30 日發布了強制性國家標準GB 24409—2009《汽車涂料中有害物質限量》，并于2010 年6 月1 日起實施，該標準對汽車用涂料中的VOC 含量進行了限制。
       水性涂料可大大降低VOC 的排放，水性中涂漆和水性底漆現已成為成熟的有效降低VOC 排放量的涂料，在國外已實現商品化，在我國也有一些大的汽車公司使用。水性底漆可與溶劑型罩光清漆、水性清漆等配套。本文重點介紹汽車用水性中涂漆及水性底漆的組成及其靜電涂裝設備。

1水性涂料的特點
       水性涂料是以水為溶劑或分散介質的涂料，由于水的特性與有機溶劑有很大不同，所以水性涂料相對于溶劑型涂料也有很大差異。在使用水性涂料時，熟知這些差異非常重要。
1.1 表面張力大
       水的表面張力比有機溶劑的表面張力大得多，水的表面張力為72 mN/m，有機溶劑類約為25 mN/m。由于表面張力的差異原因，在平整的鋼板上滴落一滴水成圓形，假如是溶劑，則擴散開。
1.2 難潤濕、不易溶
       與有機溶劑相比，水對顏料難潤濕，與樹脂不易混溶。
1.3 汽化溫度高
       水的汽化溫度高，會導致涂料噴涂時不易揮發、涂料霧化時不易蒸發、蒸發易受環境（濕度）影響。溶劑的揮發受溫度影響大，溶劑的沸點可控制其揮發速度；水的蒸發受濕度影響大，很難控制。汽車用水性中涂漆及水性底漆在涂裝工序中呈現出的蒸發的影響及控制難的問題如圖1 所示。

1.4 易流掛
       水性涂料與溶劑型涂料相比更易發生流掛弊病。為控制流掛，需要注意以下兩點：第一，控制涂裝室的溫、濕度；第二，控制好涂料的黏度，賦予涂料觸變性，保證噴涂時殘留水分較多時也不會產生流掛。
1.5 觸變性
       觸變性是指在施加外力作用時黏度發生變化的現象。水性涂料的黏度隨著攪拌力的增強而降低，如圖2 所示。水性涂料的觸變性在涂裝工藝中的體現如圖3 所示。

1.6 氣泡
       如果水性涂料采用與溶劑型涂料相同的烘烤工序，則會導致漆膜中水分的殘留（產生氣泡），因此在水性涂料中導入了預熱（P/H）工藝。導入P/H 工藝能使漆膜里的水分得到充分的蒸發（NV>80%），從而防止烘烤時出現氣泡、控制因體積收縮造成的流掛以及以熱風使漆膜表面流平。

2 汽車用水性涂料的基本問題及其防治
       水性涂料的設計方案主要起因于水和有機溶劑的物理特性不同，因此在涂料和涂裝設備方面必須要有相應的對策，見表1。

3 汽車用水性涂料的組成
       典型的配套及功能分工如圖4 所示。

       汽車用水性底漆典型的基本組成見表2。

4 汽車用水性涂料對涂裝設備的要求
4.1 輸調漆系統
       由于水是腐蝕介質，會造成金屬腐蝕，引起設備損壞和產生金屬離子，影響水性涂料的性能。因此水性涂料的貯漆容器和輸送管路需使用不銹鋼材質制作，并應經過化學鈍化處理，另外還需要有針對水性涂料的高觸變性的供給用軟管及有足夠處理能力的泵。水性涂料一般在供貨時已經調整了黏度，在生產線調漆室不用稀釋。
4.2 靜電噴涂設備
       與溶劑型涂料相比，水性涂料電阻較小，如果用傳統的靜電印加方法會導致漏電，需要采用專用的靜電噴涂設備。通常水性涂料采用直接（內部）帶電方式和間接（外部）帶電方式進行涂裝，如圖5 所示。

       隨著機器人靜電噴漆替代往復式自動靜電涂裝機的自動噴涂技術的進步，開發成功了與涂裝機器人配套應用的彈匣杯式高壓組件系統，簡稱彈匣式涂裝法，參見圖6。這種系統把涂裝機器人和傳統的輸漆系統徹底分離，做成獨立的涂料罐（彈匣），彈匣可與旋杯進行快速組合，壓送涂料。換色時只需更換彈匣，僅清洗噴杯，彈匣不需清洗，因此換色時涂料和溶劑的損失小，換色可在短時間內完成。彈匣式涂裝法的優點是同時適用于溶劑型涂料和水性涂料的靜電噴涂，且涂著效率高，還可適用于臨時的小批量顏色涂裝，設備簡單易維護。不足之處是用簡易機器人搬運彈匣，投資偏高。

4.3 噴漆室
       噴漆室應采用不銹鋼材質，與溶劑型涂料相比，水性涂料對涂裝作業環境及施工條件等均有更高要求和嚴格規定。水性涂料對作業環境的要求：最佳相對濕度RH（65±5）%，溫度（23±3）℃，空調系統風速0.3~0.5 m/s。
4.4 預熱（P/H）裝置
       因水的蒸發率低，因此水性涂料噴涂后濕涂膜難晾干（濕涂膜中的水分必須蒸發掉90% 以上，才能濕噴下一道涂料，并且防止烘干時的突沸引起氣泡）。為加速水分蒸發，在水性涂料進行濕噴下一道涂料或烘烤之前，必須使濕漆膜經過預熱（P/H）裝置。

5 結語
       在過去的十多年中，汽車用水性涂料的涂膜性能和施工性能有了很大的提高和改進，與溶劑型涂料相比，水性涂料的歷史較短，其應用受到設備投資大、作業環境要求嚴格等制約。但可預見，在不久的將來將開發出性能超過溶劑型涂料的水性涂料。隨著我國環保法規的完善，則必將促進和加速我國汽車用涂料向環保型涂料的更新換代。