汽车用水性涂料及其涂装设备

0 引言
传统的汽车涂料是溶剂型涂料,其中的VOC(挥发性有机化合物:在通常压力条件下,挥发并参与大气光化学反应的有机化合物)挥发到大气中会危害人类健康、污染环境。随着人类环保意识的增强,各国相继制订了保护环境的法规,限制VOC 排入大气。为了控制汽车涂装时带来的环境污染,美国和欧洲的环保法规对VOC 都有明确规定。如德国的大气净化法已成为整个欧洲的法规,该法规要求每1 m2涂装面积的VOC 排放量在35 g 以下,要求非常严格。我国在2002 年6 月颁布了《中华人民共和国清洁生产促进法》,并于2003 年1 月1 日起实施;在2009 年9 月30 日发布了强制性国家标准GB 24409—2009《汽车涂料中有害物质限量》,并于2010 年6 月1 日起实施,该标准对汽车用涂料中的VOC 含量进行了限制。水性涂料可大大降低VOC 的排放,水性中涂漆和水性底漆现已成为成熟的有效降低VOC 排放量的涂料,在国外已实现商品化,在我国也有一些大的汽车公司使用。水性底漆可与溶剂型罩光清漆、水性清漆等配套。本文重点介绍汽车用水性中涂漆及水性底漆的组成及其静电涂装设备。

1 水性涂料的特点
水性涂料是以水为溶剂或分散介质的涂料,由于水的特性与有机溶剂有很大不同,所以水性涂料相对于溶剂型涂料也有很大差异。在使用水性涂料时,熟知这些差异非常重要。
1.1 表面张力大
水的表面张力比有机溶剂的表面张力大得多,水的表面张力为72 mN/m,有机溶剂类约为25 mN/m。由于表面张力的差异原因,在平整的钢板上滴落一滴水成圆形,假如是溶剂,则扩散开。
1.2 难润湿、不易溶与有机溶剂相比,水对颜料难润湿,与树脂不易混溶。
1.3 汽化温度高
水的汽化温度高,会导致涂料喷涂时不易挥发、涂料雾化时不易蒸发、蒸发易受环境(湿度)影响。溶剂的挥发受温度影响大,溶剂的沸点可控制其挥发速度;水的蒸发受湿度影响大,很难控制。汽车用水性中涂漆及水性底漆在涂装工序中呈现出的蒸发的影响及控制难的问题如图1 所示。

图1 蒸发的影响及控制

1.4 易流挂
水性涂料与溶剂型涂料相比更易发生流挂弊病。为控制流挂,需要注意以下两点:第一,控制涂装室的温、湿度;第二,控制好涂料的黏度,赋予涂料触变性,保证喷涂时残留水分较多时也不会产生流挂。
1.5 触变性
触变性是指在施加外力作用时黏度发生变化的现象。水性涂料的黏度随着搅拌力的增强而降低,如图2 所示。水性涂料的触变性在涂装工艺中的体现如图3 所示。

图2 水性涂料搅拌力与黏度的关系

图3 水性涂料的触变性
1.6 气泡
如果水性涂料采用与溶剂型涂料相同的烘烤工序,则会导致漆膜中水分的残留(产生气泡),因此在水性涂料中导入了预热(P/H)工艺。导入P/H 工艺能使漆膜里的水分得到充分的蒸发(NV>80%),从而防止烘烤时出现气泡、控制因体积收缩造成的流挂以及以热风使漆膜表面流平。

2 汽车用水性涂料的基本问题及其防治
水性涂料的设计方案主要起因于水和有机溶剂的物理特性不同,因此在涂料和涂装设备方面必须要有相应的对策,见表1。
表1 水性涂料的基本问题及其防治

3 汽车用水性涂料的组成
典型的配套及功能分工如图4 所示。

汽车用水性底漆典型的基本组成见表2。
表2 水性底漆的典型基本组成

4 汽车用水性涂料对涂装设备的要求
4.1 输调漆系统
由于水是腐蚀介质,会造成金属腐蚀,引起设备损坏和产生金属离子,影响水性涂料的性能。因此水性涂料的贮漆容器和输送管路需使用不锈钢材质制作,并应经过化学钝化处理,另外还需要有针对水性涂料的高触变性的供给用软管及有足够处理能力的泵。水性涂料一般在供货时已经调整了黏度,在生产线调漆室不用稀释。
4.2 静电喷涂设备
与溶剂型涂料相比,水性涂料电阻较小,如果用传统的静电印加方法会导致漏电,需要采用专用的静电喷涂设备。通常水性涂料采用直接(内部)带电方式和间接(外部)带电方式进行涂装,如图5 所示。

随着机器人静电喷漆替代往复式自动静电涂装机的自动喷涂技术的进步,开发成功了与涂装机器人配套应用的弹匣杯式高压组件系统,简称弹匣式涂装法,参见图6。这种系统把涂装机器人和传统的输漆系统彻底分离,做成独立的涂料罐(弹匣),弹匣可与旋杯进行快速组合,压送涂料。换色时只需更换弹匣,仅清洗喷杯,弹匣不需清洗,因此换色时涂料和溶剂的损失小,换色可在短时间内完成。弹匣式涂装法的优点是同时适用于溶剂型涂料和水性涂料的静电喷涂,且涂着效率高,还可适用于临时的小批量颜色涂装,设备简单易维护。不足之处是用简易机器人搬运弹匣,投资偏高。

4.3 喷漆室
喷漆室应采用不锈钢材质,与溶剂型涂料相比,水性涂料对涂装作业环境及施工条件等均有更高要求和严格规定。水性涂料对作业环境的要求:最佳相对湿度RH(65±5)%,温度(23±3)℃,空调系统风速0.3~0.5 m/s。
4.4 预热(P/H)装置
因水的蒸发率低,因此水性涂料喷涂后湿涂膜难晾干(湿涂膜中的水分必须蒸发掉90% 以上,才能湿喷下一道涂料,并且防止烘干时的突沸引起气泡)。为加速水分蒸发,在水性涂料进行湿喷下一道涂料或烘烤之前,必须使湿漆膜经过预热(P/H)装置。

5 结语
在过去的十多年中,汽车用水性涂料的涂膜性能和施工性能有了很大的提高和改进,与溶剂型涂料相比,水性涂料的历史较短,其应用受到设备投资大、作业环境要求严格等制约。但可预见,在不久的将来将开发出性能超过溶剂型涂料的水性涂料。随着我国环保法规的完善,则必将促进和加速我国汽车用涂料向环保型涂料的更新换代。

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