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汽车涂料、涂装的环保和降成本技术

作者:一汽车集团 王锡春  信息来源:cl.newmaker.com  2009-1-21

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进入21世纪以来,汽车用涂料和涂装领域的世界性的重要课题是适应时代要求:环境保护、节能省资源和在高质量的基础上降低涂装成本。为了实现清洁生产和随着国内外汽车市场竞争越来越激烈,利润空间大幅度变小,必须在保证高质量的基础上优化工艺降低成本。 轿车车身的三涂层涂装体系(3C3B):漆前磷化处理→阴极电泳底漆→...
进入21世纪以来,汽车用涂料和涂装领域的世界性的重要课题是适应时代要求:环境保护、节能省资源和在高质量的基础上降低涂装成本。从防止大气污染观点,要求削减VOC(挥发性有机化合物)排出量;从防止地球温暖化观点,要求削减CO2排出量;从防止水污染和克服全球缺水状况观点,要求节省用水量,提高水的循环利用率,实现零排放;同时为持续发展,必须提高资源利用率;为了实现清洁生产和随着国内外汽车市场竞争越来越激烈,利润空间大幅度变小,必须在保证高质量的基础上优化工艺降低成本。

轿车车身的三涂层涂装体系(3C3B):漆前磷化处理→阴极电泳底漆→溶剂型中涂→溶剂型面漆(和后期的底色漆+罩光清漆的面漆涂装工艺变成4C3B涂装体系),已有30年的历史。为实现上述环保、节能省资源、降成本的时代要求,汽车涂装又一次进入了更新换代,革命性地大变革时代;依靠技术进步,更新观念,对现4C3B工艺开始动“大手术”的创新局面已经到来。国外的经验是汽车厂、涂装材料公司和涂装设备及涂装机具公司紧密协作,联合攻关,立题分工负责。还有,日本的特点是环保(削减VOC和CO2排出量)和经济性(减少投资和降低运行成本)统筹考虑。日本在节能省资源和降低涂装成本等方面的技术经济指标处于世界领先水平。

我国轿车车身的涂装工艺现今还是以阴极电泳底漆与溶剂型中涂和面漆配套为主的三涂层涂装工艺。2004年以来,丰田、通用、本田和奔驰在华合资厂新建的车身涂装线投产就用了水性底色漆,近来新建线的开始采用水性中涂和水性底色漆,这将拉动我国汽车涂料及涂装水性化。

最近几年,我国汽车产销量呈现跳跃式发展,2006年汽车产量突破700万辆,已成为全球第三大汽车生产国,如果不重视汽车涂装过程中的三废排放,对环保和人们生活环境的破坏后果将不可设想。国家应加速严格的环保法规制定,颁布与国际接轨的严格的法规,企业应自主治理和限制三废排放。

本文借鉴国外的经验,尤其是气候条件和汽车生产状况与我国相仿的日本的环保与经济统筹考虑和尽可能利用原有的涂装设备的经验,介绍汽车涂装的环保和降成本技术,以扩展国人的思路。

涂装前表面处理的环保和降成本技术进展

现今车身阴极电泳涂装前普遍采用三阳离子(Zn-Ni-Mn)型的磷化处理工艺,近年来为贯彻清洁生产标准,又开发很多新的处理药剂和技术,如无磷无氮生物分解型脱脂剂、新的液态表调剂、低温·低渣磷化处理剂、无亚硝酸的有机促进剂、无铬钝化和无钝化技术、清洗水循环再生技术(超滤、纳米过滤和RO技术)及封闭清洗“O”排放技术等,使传统的磷化预处理工艺在节能、节水、减少废水和废渣排出量等方面有较大的技术进步。可是,受锌盐磷化处理剂的本质所限,下列问题难以解决。

①排放含有对环境有害物质(Ni、Mn、P等)的废水;
②生成锌盐磷化膜时产生的磷化渣,需作为废弃物处理;
③需要表面调整工序,表调工序自动排水,需作污水处理。

为适应更高的环保和节能省资源的时代要求和简化工艺降低成本的需求,国外开发成功不用磷酸盐的涂装前表面处理技术,给传统的磷化处理技术带来革命性的变革。有关报导介绍如下:

丰田汽车公司介绍的无磷酸盐前处理(Phosphate Free Pretreatment)技术:转化膜是非结晶质的氧化锆(ZrO2),膜重100mg/m2、膜厚40nm;在工艺上,取消了表调工序,缩短了成膜处理时间(120S→90S);由此可缩短设备长度和工艺时间;在环保方面:沉渣减少90%以上,消除了P、Ni、Mn;F离子减少到原磷化处理工艺的<1/8。于2006年在零部件涂装线上开始投产应用,并纳入2010轿车车身涂装工艺更新规划。

帕卡公司介绍:下一代表面处理剂几乎不含有害物质,转化膜的成分是氧化锆。锌盐磷化膜浸在酸性液体中几乎都溶解,而下一代转化膜除氟氢酸外,几乎都不溶解。在碱性液体中锌盐磷化膜能溶解,下一代转化膜也不能溶解。新的转化膜具有优异的耐酸性和耐碱性,当涂膜有缺陷的场合,转化膜也不受侵蚀,保持有初期的耐蚀性。还有下一代转化膜对被处理表面的覆盖率高,与底材和涂膜的附着力强,能抑制阴极反应,预示着有优良的耐蚀性。

下一代表面预处理工艺是将被处理物浸渍在处理液中就能生成均一的处理膜,不需要表面调整工序,由此可消除由表调工序产生的废弃物,使缩短工艺成为可能。

下一代表面处理剂与锌盐磷化处理药剂比较,侵蚀量低,产生的沉渣约为锌盐磷化处理场合的1/10以下。另外,脱脂工序和水洗工序与锌盐磷化处理相同,因此可利用现有设备,仅需更换一下药剂即可。

下一代前处理药剂不含有对环境有害的镍、锰、磷等物质,加上几乎不产生沉渣的环境友好型工艺,不久的将来,下一代新型的转化膜处理工艺成为涂装前处理工艺的主流。

汽车用水性涂料的特性及涂装技术

汽车涂装中排出的VOC主要来源于涂料和喷具的清洗。减少VOC排出量必需更新采用环保型涂料,另外降低洗净溶剂的使用量,提高涂着效率,采用VOC燃烧装置等从工序、设备方面的措施也很重要。属于环保型涂料有水性涂料、粉末涂料和超高固体涂料。粉末涂料在北美用作中涂涂料,在欧洲部分用于罩光涂料,可是因换色和防尘埃颗粒难,还要大幅度改造涂装设备等问题,现今在开发方面无明显的动作。另外,超高固体份涂料虽有种种固化体系的罩光涂料的方案,至今尚未商品化。最近,汽车涂料的开发对象主要还是以水性涂料为中心。水性涂料是用水作为主溶媒,水的特性与原用的有机溶剂相差甚远,在喷涂时产生问题,必须采用与溶剂涂料不同的涂料设计、涂装机、涂装设备设计。

(1)阴极电泳涂料 阴极电泳(CED)涂料用作为汽车车身底漆已有30年历史,它是电泳涂装专用的水性涂料。现今全世界90%以上的汽车车身采用CED涂料打底,为适应环保,节能省资源和客户的各种性能要求,已发展到第5、6代CED涂料,且有很多新品种,已实现了低温化,低VOC化、无铅化、低加热减量化,并开发了高泳透力、锐边耐蚀型等CED涂料。为进一步适应简化工艺,降低涂装成本的需要,正在开发、研究超高泳透力CED涂料和耐候性(耐UV型),表面平滑性优良的CED涂料。

超高泳透力涂料 为使汽车车身内表面的阴极电泳涂膜厚度达到10 m(耐蚀性要求的膜厚),习惯的做法是延长电泳时间(由3min增到4.0-4.5min),提高电泳电压和车身外表面的膜厚。现能降低电泳涂装成本10%,目标是20%。

耐候性(耐UV)CED涂料 为确保CED涂料的耐蚀性,多使用环氧树脂,它易受光老化,耐候性不佳。为适应简化工艺,无中涂的两涂层涂装体系的需要,开发采用表面平滑性好的耐候性(耐UV)CED涂料。

耐候性CED涂料有两种类型:一种是丙烯树脂CED涂料,另一种是层分离型高耐候性CED涂料。后者是利用溶解性参数的差异,两种类相溶性低的树脂配合电泳涂装后,在烘干过程中在膜厚方向产生层分离,在一道工序中使耐候性和防蚀性并存(参见图1)。这样的层分离结构,使其上层不仅具有耐候性,还具有耐崩裂性,所以就具有用于无中涂的涂装体系的可能性,从而得到广泛应用。

(2)水性中涂和水性底色漆 水性中涂和水性底色漆的开发历史是在涂膜性能和整个轿车车身外观装饰均一性,赶超溶剂型中涂和底漆涂膜水平的基础上,扩大喷漆室温度、湿度等涂装条件的管理范围的历史。

以水性底色漆替换溶剂型底色漆的历史为例,底色漆及其洗净溶剂占VOC排出量比例大,采用水性底色漆后降低VOC排出量效果显著(≥50%),是使其转换速度快(到2006年德国已达100%,日本也已达50%)的主因。另外水性底色漆的配方改进和涂装条件管理范围(施工温湿度工艺窗口)的扩大也是其不可忽视的促进因素。

目前正在开发第三代水性底色漆,进一步扩大其施工工艺窗口和提高其外观装饰性,使第三代水性底色漆随固体分变动的涂料粘性怎么保持一定,并且增强喷涂时的雾化性能。

要使水性中涂扩大应用,也必须扩大涂装施工工艺窗口。现今的使用状况,2004年欧洲中涂的使用比例:有机溶剂型占58%,水性中涂39%,粉末及其他3%。

水性中涂也应具有溶剂型中涂的功能:隐蔽底面凹凸性(缓和钢板—电泳涂膜的粗糙度,确保提高面漆后的高外观装饰性),耐崩裂性(抗路面小石子冲击崩裂性),耐光性(防透过面漆层的紫外线的光老化性);为确保这些功能,需与溶剂中涂同样厚膜化(25-30 m程度)。

厚膜化场合产生的难点是易流挂,提高底层凹凸的隐蔽性,又需确保平滑表面的流平性的低粘度。解决的手法是提高固体分的高固体分化,调整熔融粘度(调整反应速度)是关键点,需进一步地继续改良探讨。还有耐崩裂性,需控制与电泳涂膜和底色漆膜的附着力,在复合涂层内分散外部冲击能,缓和局部的应力集中。

中涂不仅涂在电泳涂膜上,还需涂在车身密封胶和抗石击的车底涂料涂层上,它们都是低极性成分,表面张力高的水性中涂对它们的湿润性也应关注,在配方设计时使用表面调整剂和溶剂来降低其表面张力,使其对底材易湿润。另外在厚膜化场合,水分挥发难,需优化好预加热和烘干规范。总之,水性中涂涂装线的作业性的稳定化十分重要。

水性涂料的静电喷涂技术的进步

水性涂料的电阻低,在高压下导电,因涂料管漏电无法接上高压;喷涂溶剂型涂料的静电喷涂设备,不适用于水性涂料的静电涂装。通常水性涂料静电喷涂采用外部电极荷电或输漆系统与电喷枪之间绝缘两种方式。外部荷电方式容易实现,仅在喷杯外安设高压放电针,喷杯不带电,其他喷涂装置与喷涂溶剂型涂料设备相同;因而设备成本几乎不增加,但是喷涂涂着效率比喷杯荷电方式约低10%。输漆系统与喷枪之间绝缘方式,需设绝缘中转漆罐,系统复杂,向中转漆罐补充涂料时须停止喷涂,短生产节拍多色场合不适用。

开发水性静电涂装机必须考虑防止静电漏电、增强雾化性能和提高洗净性(防止污染)等三个方面。

随着机器人静电喷漆替代往复式自动静电涂装机的自动静电喷涂技术的进步,开发成功与涂装机器人配套应用的弹匣杯式高压组件系统(Cartridge Bell Vottafe Block System),简称弹匣式涂装法。这种系统把涂装机器人和传统的输漆系统彻底分离,将上述的中转涂料罐做成独立的涂料罐(弹匣),弹匣可与旋杯进行快速组合,压送涂料,弹匣的容积可根据实际需要设计,并专用化,与其配套的有填充涂料装置和弹匣搬运装置。换色时只需更换弹匣,仅清洗喷杯,弹匣不需清洗,因而换色时的涂料和溶剂的损失小,清洗溶剂消耗可减少93%以上;换色可在短时间内完成,与更换弹匣同步清洗喷杯。弹匣式涂装法的突出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顔色涂装。并简化了机器人手臂中搭载的换色阀和涂料泵系统,设备简单易维护。

环保型罩光涂料的开发动向

罩光清漆层是车身涂层的最终涂层,它的性能和质量优劣直接影响汽车涂层的外观装饰性、耐候性和功能性(如抗划伤性、耐酸雨性、耐药品性等)。替代传统的有机溶剂型罩光清漆还处于百花齐放阶段,各汽车公司和汽车涂料厂家正在探索、研究、试用中,并从VOC排出量、废弃物发生量、能量消耗(CO2排出量)和成本等方面进行比较,探讨今后的动向。

能削减罩光涂层VOC的涂料有高固体分和超高固体分清漆、粉末清漆、水性浆状清漆(粉末浆状、乳液浆状)、水性清漆、UV-热双固化清漆等。其中VOC排出量接近零的是粉末清漆,而且未涂着的粉末可回收再利用等优点,德国BMW公司已采用。可是,为保涂膜的平滑性须厚膜涂装(60-80 m),材料费用约为溶剂型清漆的两倍;也还有从涂料制造到涂装工程中除去尘埃、颗粒的措施和耐阻塞性、变黄性、刮伤性等课题。

因此,罩光涂料的水性化也是今后削减VOC的选择方向之一。水性化的形态考虑可有浆状、乳液等,但必须使罩光涂层具有最外层的保护功能。现使用的水性罩光清漆有单组分丙烯酸三聚氰氨型涂料和水性浆状涂料。还有双组分固化型的水性罩光清漆虽说了多年,但尚未实用化。将来的水性罩光清漆从VOC的水平和耐酸性、耐刮伤性等功能观点考虑,可能是综合水性浆状型和水性双组分型的性能。

德国BASF开发的汽车用新型罩光涂料-UV和热双固化清漆是高固体分(>70%)涂料,节能、外观装饰性极优的环保型涂料之一。紫外线(UV)固化和热固化可并用,无UV固化的内表面和阴影部分也具有足够的涂膜性能,它的固化工艺如下:

自动静电或手工喷涂→晾干室温下5min→加热Ⅰ(升温到110℃ 10min,使溶剂蒸发)→照射UV工序→加热Ⅱ在140℃下保温10~12min并有低温烘干(90℃)的潜力,现有设备可利用,烘干室长度可缩短,改造费用少。

UV和热双固化清漆,已用于摩托车汽油箱罩光涂装。摩托车汽油箱在涂装、固化过程中旋转,使油箱各部位照射的UV光均一,无阴影,并防止涂装产生垂流、涂装不均,流痕等缺陷。与热固化型罩光涂装线比较,单位被涂物(油箱)的加工成本(含涂料成本)可降低50%以上。

基于上述介绍:极好的涂膜外观(镜面那样平滑,鲜映性PGD=1.0);涂膜的抗划伤性和耐酸雨性突出;节能、降低VOC排量,对环保有利;又能较大幅度地降低涂装成本;现有设备的改造投资费用又最少等等。双固化型罩光涂料将是具有极强竞争力的汽车用高固体分环保型涂料,值得汽车涂装界给予关注。

节能、减少CO2排出量技术的进展

根据日本大气社资料介绍:年生产24万台规模的轿车车身涂装设备,电消耗量6000~7000kw,热量消耗量年平均80000~90000MJ/h。换算成CO2排出量一条线全年排出4万多吨(169.6kg、CO2/台)。其中喷漆室、烘干室(含冷却室)为耗能(CO2排出量)的主要设备,在电力方面分别占42%和6.8%,在热能方面分别占49.7%和27.3%,两者的CO2排出量占CO2总排出量的64.8%。因此,喷漆室和烘干室成为涂装线节能,减少CO2排出量的主要革新对象。

◆ 在烘干方面的节能、减少CO2排出量的技术进步趋向。

现今典型的轿车车身涂装工艺是涂装电泳底漆、中涂、面漆(底色漆和罩光清漆),一般都是涂一道漆后烘干一次,冷却一次(4C3B),且处理温度都在140℃左右。节能、减少CO2排出量的措施有以下几方面:

①改进所用涂料的干燥性能(低温化、快速化、自干替代烘干)。
②在开发适应“湿碰湿”工艺的成套汽车用涂料,取消或合并烘干工序。
③选用或开发创新涂膜的固化方法及节能型干燥设备,如UV和热双固化法及设备。

已获得实际应用的“湿碰湿”工艺,有取消中涂烘干工序的中涂、底色漆、罩光三涂层“湿碰湿”一起烘干的3C1B中涂、面漆涂装工艺;以及电泳底漆与中涂一起烘干的2C1B“湿碰湿”工艺。

电泳底漆和中涂的两涂层“湿碰湿”工艺虽可提高面漆涂装设计的自由度,但必须要在150℃以上烘干,如果不能充分控制电泳底漆/中涂的界面,可能会造成防锈性、耐黄变性和耐崩裂性等下降。还有抗石击车底涂料等辅助材料的涂装,需从工程面上统筹解决。

近年来国外公司在开发自干型(空气干燥)无PVC的车底涂料、焊缝密封胶替代现用的PVC系列的车底涂料和焊缝密封胶。日本丰田公司正在开发湿气固化(Moisture Cure)聚氨酯系列车底涂料,是一种橡胶型弹性变形材料,不含PVC、重金属和溶剂,是自干型不需烘干室。在车身涂装合格后涂布。它具有耐崩裂性和防声阻尼功能。

◆ 喷漆室节能,削减CO2排出量的技术动态

涂装设备的CO2排出量平均169.6 / kg-CO2 /台,其中喷漆室的CO2排出量就占46.3%(78.6kg-CO2 /台)。

削减喷漆室CO2排出量的技术措施有:

① 加热和冷却能源的选择。如加热源用天然气,CO2排出量少,要比液化石油气(丁烷)CO2排出量减少8%以上。

②降低喷漆室的风量。喷漆室CO2排出量随喷漆室供风量比例增减,所以减低喷漆室风量是削减CO2排出量的首要措施。

缩短喷漆室工艺长度、削减喷漆室宽度、降低喷漆室风速是减少喷漆室供排风量的三要素。在涂装工艺设计、涂装机选择和气流控制技术方面应充分探讨以上要素。

③控制空调温度(供气温湿度设定值和CO2排出量的关系)

不随气象条件变化保持全年恒温恒湿,喷漆室的耗能和CO2排出量最大,随季节分别设定温湿度值范围,则能大幅度地削减CO2排出量。如果按水性涂料的特性(水的蒸发度与饱和度依存关系),将全年管理温度的范围扩大,则效果更大。这与水性涂料的喷涂施工窗口有关,需开发采用温度范围大的水性涂料。

④在设备上改进,选用节能型配套件和热能、动能回收装置。如设计低压损洗净器和空调装置,选用高效率的电动机、风机和照明器具,全热交换器和排风循环利用等。

⑤在运行时加强维护管理。如休息时间段的喷漆室停止运行或降低风量,不要照明区域息灯;灵活应用变频技术等。

我的小结

*上述工业涂装的环保、降成本技术大都是国外已生产应用的成熟技术。
*近十年来,汽车用水性涂料的施工性能有了很大提高和改进;可预测在今后的十年中,将赶上有机溶剂型汽车用涂料的水平。
*全面革新汽车车身涂装工艺,丰田涂装的2010年目标已不是梦想,定能实现:涂装成本降低50%、VOC排出量削减87%,追求目标达10g/m2;CO2排出量削减52%等。
*第三大汽车生产国当务之急是在环保、降成本方面迎头赶上。

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