水性涂料在車身涂裝中的應用現狀及發展趨勢

如果說陰極電泳涂料普及應用是涂裝技術進步的突出體現的話，那么，上世紀90年代初開始逐步普及應用的水性中涂和面漆則是汽車涂裝應對環保法規的重要體現，應用水性涂料，可使車身涂裝的VOC排放降到20g/m2，低于歐洲45g/m2的VOC標準。

然而，在VOC排放顯著降低的同時，帶來成本、能耗的提高和施工管理復雜化等問題，近幾年材料、工藝、設備等方面的技術進步，已使這些問題逐步得到解決。

但隨著對汽車生命周期管理的相關法規的推出，汽車涂裝水性化仍然面臨諸多挑戰。本文圍繞水性涂料在車身涂裝領域相關的技術進步作以小結和展望，供同行參考。

水性涂料在車身涂裝上的應用現狀

眾所周知，歐、美、日等汽車發達國家和地區，對汽車涂裝均有嚴格的強制VOC排放要求。為應對VOC排放的標準要求，汽車涂裝是以采用少無VOC的環保材料為主，普及應用電泳涂料、高固體份涂料、水性涂料、 粉末涂料等；

基于電泳涂裝和粉末涂裝的諸多優勢，在國內外汽車零部件涂裝領域已經十分普及，涂裝面積最大、裝飾性要求最高、涂層結構最復雜的車身，底漆也早已普及電泳涂裝。

然而，車身的中涂、底色和面漆采用的涂料品種對VOC排放影響很大（詳見圖1和圖2），圖中可見溶劑型底色涂裝占整車涂裝VOC排放的50%以上，水性底色VOC排放僅相當于中固體份溶劑型底色的15.5%，粉末涂料的VOC幾乎為零。

從上世紀90年代開始，水性底色、水性中涂和粉末中涂、高固體份清漆和粉末清漆在歐美的新涂裝線上應用，到2008年，水性底色的普及率，德國接近100%，西歐超過80%，日本接近70%，美國由于新建涂裝線不多，普及率在40%左右（見圖3）。

中國于2006年頒布了針對汽車制造業涂裝的清潔生產標準（HJ/T 293-2006），雖然此標準只是推薦性的，但也促進了水性中涂和底色的應用。到2008年國內汽車車身底漆幾乎與國際同步，普及了陰極電泳，水性中涂和水性底色的應用如表1所示。

圖1 不同涂裝材料的VOC排放數據

圖2 典型轎車車身涂裝總VOC排放量

圖3 歐美日水性底色的應用

水性涂料應用面臨的問題

應用水性涂料減少VOC排放效果十分顯著，火災危險性等級也相應下降。

與粉末涂裝相比，水性涂料噴涂施工更具有對傳統溶劑型涂料噴涂的繼承性，技術上相對好掌握，粉末涂料除中涂和清漆應用比較成熟外，粉末底色的裝飾性還無法和液態涂料相比，所以，水性面漆底色應用是主流。

然而，與溶劑型涂料相比，水性涂料應用需要面對一系列新問題。

1 能耗和環保方面

由于水和有機溶劑物化特性有較大差別，水性涂料和溶劑型涂料組成不同（見表2和表3），所以水性涂料和溶劑型涂料施工條件要求不同（見表4）。

水的蒸發氣壓和熱熔[u8] 比有機溶劑高，在噴涂過程中，溶劑型底色約有(60～70)% 的溶劑蒸發，而水性底色只有(15～20)%的“溶劑”蒸發。若使底色晾干到殘余濕度小于10%（噴下一道涂層之前的要求），必須采取強制加熱法加速晾干。水性中涂烘干也需要水分預烘干。

涂料儲運及噴涂室的溫濕度要求也需要相應的能源保證。所以，相對溶劑型涂料，水性涂料施工能耗增加很多，如果采用燃料能源則[u9] 溫室氣體（CO2）排放將增加；廢水廢渣的產生與溶劑型相當。

2 成本和質量方面

如果不考慮溶劑型涂料VOC的處理因素，應用水性涂料無論是材料成本、管理成本、設備投資和能源成本都高于溶劑型涂料，而涂裝質量沒有提高或可能降低。

水性涂料的價格高于傳統涂料，它的導電性使靜電噴涂設備復雜化，噴涂的傳輸效率也有所降低，如外部荷電方式的傳輸效率比傳統內部荷電方式低約10%，意味著增加材料消耗。涂料的粘度觸變性對輸漆和噴涂系統的特殊要求，它的腐蝕性直接導致涂裝車間建設投資的增加。

水性涂料的施工工藝窗范圍較窄，工藝參數控制要求高，參數波動容易導致產生漆膜弊病，降低涂裝一次合格率。

材料、工藝及設備的技術進步

針對水性涂料應用中面臨的突出問題，在過去的十年中，持續地圍繞材料、工藝及設備的技術改進，已經使水性涂料涂裝技術進一步成熟，明顯降低成本的新工藝已經得到應用，進一步促進了水性涂料的普及。

一代水性中涂已經開始被低成本轉換概念（LCCC）水性中涂所替代，烘干規范和溶劑型完全相同（晾干20℃／6～8分鐘、升溫6～8分鐘、保溫160℃／12～15分鐘），外觀質量優于第一代；寬施工工藝窗（50％～80％RH、20～32℃）的金屬和塑料通用的水性底色開始應用、底色噴涂和罩光漆之間不需要紅外烘干和冷卻，可以降低設備和生產運行成本。

DUPONT公司的EcoConcept雙組分水性底色，BASF公司的ColorPro系列水性底色，PPG公司的B1 B2水性底色和Dura-Prime® 電泳漆等，都可適應底漆后直接噴涂面漆，也就是所謂的免中涂工藝。

試驗證明當鋼板表面粗糙度(Ra)不大于1.0μm時，電泳后表面粗糙度為0.2~0.35μm的條件下，采用無中涂工藝進行涂裝，面漆的桔皮值可滿足LW≤10和SW≤25的要求[3]，BASF公司的研究結果表明，電泳涂層的粗糙度(Ra) ≤0.4μm，免中涂工藝的裝飾性和傳統工藝相當，同時，涂層的其它性能與傳統涂層也沒有明顯的差別。

顯然，采用無中涂工藝，可以省去中涂涂裝線的建設投資、相應的材料消耗、人工費用、運行費用等，在大幅度降低涂裝成本的同時，提高了生產效率。DC公司Bremen工廠的一條線于2003年1月轉換為無中涂工藝，VW、BMW、AUDI、FIAT等公司也已經開始或準備應用此工藝。

一汽自主開發的一體化涂裝技術中的溶劑型無中涂工藝于07年在青島汽車廠駕駛室涂裝中正式應用。

隨著機器人技術的進步，多功能噴涂機器人（Vario-Robot）得到應用，顯示出其功能方面的突出優點。不僅使標準的自動噴涂段噴杯數量由9支減少到6支，標準噴漆室寬度由4.6米減少到3.8米，可節能17％，而且，取消了頂噴機橫梁，消除了典型自動噴涂機的種種弊端。

為解決水性涂料靜電噴涂外部接電方式傳遞效率低的問題，一種彈匣式旋杯系統（VOLTAGE BLOCK SYSTEM）被開發出來并得到應用。此系統的突出優點是：

• 水性涂料直接帶電進行涂裝，提高了材料利用率；

• 同時適用于溶劑型涂料和水性涂料；

• 只要增加彈匣即可實現臨時的小批量顏色涂裝；

• 換色時只要更換彈匣即可，在短時間內即可完成；

• 因為換色時不需要清洗彈匣，涂料和溶劑損失為零；

• 換色時只需要清洗噴杯，與其它系統相比，清洗溶劑消耗減少93％以上，更有利于節省資源的減少公害；

• 機械人手臂不再需要搭載換色閥和涂料泵送系統，設備簡潔易維護。彈匣旋杯系統在日本應用較多。

未來發展趨勢

安全、環保是21世紀汽車行業發展的主題，旨在不斷降低汽車對人類生存環境不良影響的法規不斷出臺和實施。

2000年9月，歐盟委員會和歐洲議會制定了關于報廢機動車回收利用管理的指令（DIRECTIVE 2000/53/EC），規定成員國要在2001年完成國內立法，見表5、表6。

2005年開始新車車輛型式認證要求85％再使用，限期禁用鎘、汞、鉛和六價鉻等重金屬。

2006年12月，歐盟化學品注冊、評估、授權和限制(concerning the registration, evaluation, authorization and restriction of chemicals)制度(簡稱歐盟REACH法規)獲得通過，于2007年6月1日正式實施，它取代了現行的40個法規，成為統一的化學品注冊、評估、授權、許可的管理法規。REACH內容涉及汽車產品。

2002年7月日本國會通過了報廢汽車再生利用法，于2005年1月1日起正式實施[4]。生命周期評估（LCA）概念也已經開始用于評價汽車的環境兼容性。LAC是對汽車生產、汽車燃料生產、汽車使用和報廢處理全過程中,CO2排放、資源消耗和引起的環境負擔進行評價。

表5 歐盟指令時間表

圖4 某品牌轎車的LAC評估結果

所以環境友對未來汽車涂裝的要求，將是在減少VOC、減少HAPs、消除有毒重金屬的基礎上，對涂裝用材料的生產，涂裝生產直至報廢處理過程等全壽命周期的諸多要素進行評估，近幾年，歐洲各大汽車公司推出的新產品都有LAC評估數據，生產過程對評估結果產生直接影響，見圖4。

綜上所述，水性涂料在減少VOC排放方面有明顯的優勢，但在能耗和CO2排放方面高于溶劑型涂料，按LAC評估和REACH法規要求，汽車水性涂料及涂裝還面臨諸多技術課題。

所以，未來水性涂料發展趨勢是不斷減少法規禁用物質的使用，不斷改進施工性能，減少涂裝能耗和CO2排放，追求用戶對產品性能要求、法規的要求和企業的利益三者之間的最佳平衡。北京高能防水涂料有限公司