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水性漆涂裝工藝及設備設計需注意問題
2019-09-19 13:58:57
水性漆涂裝工藝及設備設計需注意問題
摘要:
介紹了水性涂料的特點,并對噴涂工藝及設備設計時需注意的一些主
要問題進行了論述。
1 引言
隨著涂料工業的發展,涂料的花色、品種、功能越來越多,分工也
越來越細。但在涂料的制造和施工過程中因有機溶劑的大量排放而對環境造
成巨大的污染。為限制有機溶劑的排放,涂料的高固體化、無溶劑化、水
性化已呈日趨壯大之勢,業內人士廣泛贊同的“ 4E ” 涂料( Economy ,
Efficiency , Ecology , Energy )即指上述涂料。其中,涂料的水性化
是近年來發展十分迅速的一個領域[1] ,但由于水性涂料與溶劑型涂料相比,
存在諸多不同:水性涂料以水為稀釋劑, 溶劑型涂料以甲苯、二甲苯、醋
酸丁酯等有機溶劑為稀釋劑;在進行噴涂工藝及設備設計時,需要充分了解水
性涂料的特點,根據其特點才能設計出科學合理的噴涂工藝及設備。
2 水性涂料的特點[2]
水性涂料與溶劑型涂料相比具有低揮發速率、高表面張力、高導電
性、腐蝕性以及易產生氣泡的特點,導致水性涂料在施工設備和工藝方面與
溶劑型涂料相比有所不同。水性涂料使用的主要溶劑水與溶劑型涂料使用的
一些常用溶劑的特性比較見表1 。
表1 水與常用溶劑主要特性對比[2-3]
水性涂料中水的揮發主要是通過噴漆室的溫濕度來進行控制的,而溶劑
型涂料可以通過調整稀釋劑的揮發速率來調整施工固體含量。水性色漆的施
工固體含量通常為20% ~ 30 % ,而溶劑型色漆的施工固體含量高達
60% ~ 70 % ,因此水性色漆的平滑性較好。涂料流變性的控制技術是水
性涂料的設計關鍵,水性色漆的流變特性如圖1 所示。
圖1 水性色漆的流變特性
當水性涂料噴涂時,在高剪切力的狀態下,水性涂料的黏度迅速下降,
保證涂料具有良好的微粒化效果;當剪切力消除后,迅速恢復高黏度狀態,從
而保證了金屬顏料良好的定向效果以及抗流掛性能。水性涂料與溶劑型涂料
相比較大的優點是VOC 排放量低。不同工藝體系的VOC 排放量見表2 。
目前歐洲采用“ 水性中涂+ 水性色漆+ 雙組分罩光清漆” 的工藝體系較
為普遍,從而滿足了歐洲對VOC 排放的標準要求。
表2 不同涂裝工藝體系的VOC 排放量對比
3 水性涂料的工藝及設備設計需要注意的一些問題
水性涂料涂裝工序與溶劑型涂料基本相同,但在設備選用材料和工藝參
數設定上需根據水性涂料的特性進行選取,其典型工藝為:
前處理[ 上線→ 預脫脂→ 脫脂→ 水洗1 → 水洗2 →(去離子水洗1 )
→ (表調) → (磷化) → 水洗3 → 水洗4 → (去離子水洗2 ) → 人
工吹水→ 烘干] → 強冷→ 噴底漆→ 流平→ 閃干→ 烘干→ 冷卻(強
冷) → 噴面漆→ 流平→ 閃干→ 烘干→ 冷卻(強冷) → 下線
3.1 前處理
各類材料或制品在涂漆以前對其清除各類污物、整平及覆蓋某類化學
轉化膜的所有準備工作,統稱漆前表面處理。漆前表面處理技術是涂裝技術
的重要組成部分,在整個工藝過程中,需要選用清洗劑、表面調整劑、磷
化劑、鈍化劑、氧化劑等多種精細化工產品,這些化工產品組成復雜、性
能差異大,如果選用不當或在使用中各槽液得不到很好的控制和管理,反而對
涂層質量產生不利影響[4] 。由于水性涂料以水作為稀釋劑,水的表面張力為
72.6 dyn/cm ,要比一般有機溶劑大,是涂料常用有機溶劑的2.5 倍(見表
3 ),因而難以浸潤底材,易產生縮孔,所以一方面通過在水性涂料生產配方
中添加表面活性劑來降低表面張力,提高浸潤性能,另一方面,在進行工件的
前處理時,對工件表面處理的質量要求更高。
表3 涂料常用有機溶劑的表面張力
3.1.1 除油
鋼鐵表面除油程度要嚴格按照GB/T 13312 — 1991 的要求進行檢查和
控制。本方法是用標準G 型極性溶液滴2 滴( 0.1 mL )在被試表面上,
立即用玻璃棒涂成20 mm × 40 mm 的覆蓋面積,將特制的A 型驗油試紙緊
貼在溶液膜上, 1 min 后觀察變色情況。若A 型驗油試紙顯色均勻、連
續完整,即為合格,反之不合格。無論對溶劑型涂料還是水性涂料,除油質
量的好壞,對產品涂膜的質量都會產生較大的影響,但對于溶劑型涂料噴涂來
說,工件表面除油不太徹底時,涂膜外觀缺陷不會立即表現出來,但對水性涂
料來說,工件表面除油不徹底,在其表面就難以形成完整的涂膜,所以,對水
性涂料噴涂來說,前處理質量顯得更為重要。
3.1.2 磷化
磷化膜的檢驗要嚴格按GB 6807 — 1986 進行,可采用3 % 氯化鈉水
溶液于15 ~ 25 ℃ 浸漬,或硫酸銅溶液點滴。也可以涂漆以后進行鹽霧試
驗來考核。硫酸銅點滴液配方如下: CuSO 4 · 5H 2 O 為41 g /L , NaCl
為35 g /L , 0.1 mol/L 的HCl 為13 mL/L 。水性涂料對磷化膜的要求與
溶劑型涂料基本相同,磷化膜必須均勻完整,細密無掛灰。
3.2 強冷
水的蒸發潛熱為2457.22 kJ/kg ,而涂裝常用溶劑的蒸發潛熱:二甲苯
為343.2 kJ/kg ,丁醇為590.2 kJ/kg ,酮類為343 ~ 444 kJ/kg ,都要比
水低得多,所以噴涂同樣厚度的涂料對工件的降溫作用水性涂料更大一些,因
此認為對于拖拉機底盤、柴油機等主要由鑄件構成、涂層以防腐為主、對
涂裝表面裝飾要求不高的工件,可以不設強冷。
3.3 噴(底、面)漆
噴涂水性涂料所用的一般空氣噴槍與溶劑型涂料相同,但對環境條件(主
要是溫度、濕度)的要求與溶劑型涂料相比存在一定的差別。在噴漆室中
噴涂水性涂料時,水變成水蒸氣體積膨脹1 244 倍,可以使噴漆室中的濕度瞬
間升高,當濕度達到90% 以上時涂在被涂物上的涂膜會流淌下來[5] 。所以,
噴涂水性涂料時控制噴漆室的濕度很重要,溫度也要保持在不產生流掛和流淌
的范圍,一般認為,溫度在15 ~ 30 ℃ ,相對濕度在60% ~ 80% 較為適
宜。由于水的腐蝕性比溶劑大,噴漆室尤其是循環水處理系統采用不銹
鋼制成。噴漆室內的送風必須有適當的調溫調濕裝置。國內汽車涂裝噴漆
室冬天都可以調溫調濕,夏天卻很少有調溫調濕的,因為需要的制冷量太大,
所以很少有送冷風的。因此在高溫高濕地區,如果使用水性涂料,必須在噴
漆室安裝中央空調,夏季也需要送冷風,這樣才能保證水性涂料的施工質量。
水性涂料和溶劑型涂料的噴涂環境條件見圖2 。
圖2 水性涂料和溶劑型涂料的噴涂環境條件
3.4 閃干
閃干即涂裝后漆膜的流平和溶劑(包括水)的預蒸發過程,其目的是為
了防止含有大量溶劑或水分的濕漆膜(水性底色漆中水的含量約為63% [6 ) ]
突然進入較高溫度( > 100 ℃ )的烘干爐。是否設置閃干工序,閃干時間
和溫度的具體參數要根據所使用的水性涂料的性能、對工件涂層的質量要求
和烘干爐要求的溫度來確定。一般情況下,濕碰濕工藝、烘爐烘干溫度較
高(一般在100 ℃ 以上,高于水的沸點溫度) 、對漆膜光澤和外觀要求較
高時,應該設置閃干工序。閃干時間的確定,對生產線而言,閃干時間主要
受鏈速影響。閃干時間短,涂層內水分和溶劑沒有及時揮發出來導致經高溫
烘烤后出現針孔、痱子等缺陷;閃干時間長,漆膜表面過干,涂層容易產生
橘皮等缺陷。要合理選擇閃干時間,但同時需增加加熱閃干區,否則容易出
現流掛、氣泡等質量問題。
3.5 烘干
同噴漆室的設計原則類似,烘干室中由于空氣中水分含量較高也會對設
備造成腐蝕,所以烘房內壁也需采用不銹鋼制造。同時,水性涂料中稀釋劑
的主體是水,水的揮發與噴漆室的溫濕度有較大關系。當濕度一定時,隨著
溫度的升高,水的揮發速率增加;當溫度一定時,則濕度增加,水的揮發受阻;
當相對濕度過大時,水分揮發很慢,施工過程中易產生流掛等漆膜缺陷。由
于水的蒸發潛熱大(見表1 ),是一般溶劑的5 ~ 7 倍,烘干室的熱容量要
適度增大。同時,水較有機溶劑蒸發慢,致使水性涂料的烘干時間要長,涂
膜和被涂物升溫不宜過快。在水性涂料中除用電泳涂裝法所得涂膜,受電滲
作用使濕涂膜中的含水量很少,可直接經受高溫烘烤外,其它含水量較高的水
性涂料涂膜都要靠晾干和分段升溫(在100 ℃ 以下保溫一段時間),使涂膜
中的水分基本蒸發掉,才升至工藝溫度烘干,不然會由于水分在100 ℃ 時激
烈沸騰而產生漆膜弊病。水性中涂、面漆和溶劑型中涂、面漆的典型熱
對流加熱的烘干溫度、時間變化曲線見圖3 和圖4 。都有這樣的經驗,在
室外風口晾曬衣服干得快,反之,通風不良干得慢或不能干燥,空氣的相對濕
度大了,也干得慢。這也是水性涂料干燥的原則。因而在晾干及烘干室中
控制空氣的濕度對烘干時間及效果非常重要。
圖3 水性涂料中涂、面漆的固化( 烘干) 曲線
圖4 溶劑型中涂、面漆的固化( 烘干) 曲線
3.6 自動噴涂系統
水性涂料的主要溶劑是水,具有高導電性,如果采用溶劑型涂料通常使
用的內部加電式旋杯(見圖5 ),高壓靜電會從輸漆系統泄漏出去,因此水性
涂料在應用初期一般使用外部加電式旋杯(見圖6 ) 。
圖5 內部加電式旋杯
圖6 外部加電式旋杯
但由于外部加電式旋杯系統中外置的加電手指容易積油漆,導致清潔頻
次增加;同時手指對旋杯移動速度和環境濕度較為敏感,會造成油漆利用率降
低8 %~ 13 % ,影響油漆外觀質量。隨著技術的發展,目前內部加電式
旋杯已開始在水性涂料噴涂線上使用,在噴涂開始前,油漆從調漆桶吸到儲存
器,然后與主循環回路斷開。這樣可防止高壓靜電漏到調漆間去,影響生產
和造成危險。
3.7 輸調漆系統
溶劑型涂料的輸調漆系統可采用碳鋼制成,而水性涂料由于水會使金屬
生銹而腐蝕,因此水性涂料的輸調漆系統必須使用不銹鋼材料。相對溶劑型
色漆而言,水性色漆的輸調漆系統更需注重低剪切應力控制、穩定的流量以
及避免高壓系統,高剪切力、高流量及高壓力均會使水性色漆加速老化,直
接影響噴涂質量,如輸調漆系統的回壓閥和攪拌槳必須采用低剪切力類型,否
則將破壞水性樹脂的乳化性能;溶劑型色漆在循環系統中的流速要求為0.3 ~
0.7 m /s ,而水性色漆的流速則要求為0.15 ~ 0.40 m /s 。
4 消防及環保問題
4.1 消防問題
水性涂料為不燃物質,溶劑含量占10% ~ 12 % 以下,不含苯、二
甲苯等,故在設置消防設施時自動滅火消防設施和可燃氣體報警裝置原則上可
不用考慮。在噴漆室旁放置一般的滅火器即可。但水性涂料的基料樹脂仍
為可燃物質,積漆干燥后仍存在著火的可能,所以對噴漆室、通風管道等設
備設施內的積漆也要及時清除,以防積漆燃燒,發生火災。對于水性涂料消
防設施技術條件及廢氣處理的設備設計要求,目前還沒有國家標準,建議國家
或行業盡快制定相應的標準。
4.2 環保問題
使用水性涂料后,環保法規中( VOC )廢氣排放要求無需增加設備便
可達標。但產生的廢水需進行噴漆循環水處理后,再經過深度處理后,使COD
達到排放要求后進行排放。
5 水性涂料的經濟性
同樣性能的水性涂料,單價比溶劑型涂料要高一些,但不會太高。以
某品牌黑色丙烯酸磁漆為例,與某水性涂料性能對比見表4 。
表4 某品牌黑色丙烯酸磁漆與某水溶性丙烯酸面漆性能比較
黑色丙烯酸磁漆的單價為18 元/kg ,溶劑單價為10 元/kg ,而某水性面
漆的單價為25 元/kg ,以水作溶劑,費用可忽略不計。
某工件油漆消耗量為: 3 ~ 4 kg ,取4 kg 溶劑(稀釋及清洗)消耗量為:
4 kg × 1/3 = 1.33 kg
油漆成本為4 kg × 18 元/kg+ 1.33 kg × 10 元/kg = 85 元/ 件
水性涂料成本為: 4 kg × 25 元/kg = 100 元/ 件
水性涂料噴漆室、流平室及烘干室所用材質為不銹鋼,以防止施
工過程中濕度大造成設備腐蝕,設備成本較溶劑型涂料設備成本可增加10 %
左右。若國家或行業能夠頒布水性涂料的消防及環保設施和設備標準,用普
通消防設施取代自動滅火系統,水性涂料噴涂線上不設置可燃氣體報警裝置和
廢氣處理裝置,則可減少設備投資50 萬元以上。綜上所述,水性涂料與溶
劑型涂料)在使用、材料成本和設備投資方面兩者相比,前者略高于后者,
但若水性涂料不考慮自動滅火系統、可燃氣體報警裝置和廢氣處理裝置,則
兩者設備投資基本相當。同時,水性涂料具有可回收性,根據工件的特點,
一般可回收10% ~ 30% ,如果再把環保費用、工人操作環境大大改善、
職業病減少等綜合因素計算在內,前者使用、材料成本還要低于后者,所以
水性涂料無論從經濟效益還是從社會效益考慮,都是完全值得推廣應用的。
表5 水性涂料與溶劑型涂料成本比較
6 結語
溶劑型涂料和水性涂料的根本區別在于:溶劑型涂料使用了有毒、有
污染、可燃燒的有機溶劑作為稀釋劑,而水性涂料主要使用自來水作為稀釋
劑。盡管水性涂料的性能還需要完善,但代替溶劑型涂料應該是大勢所趨。
水性涂料普及的條件已經成熟,在未來幾年,水性涂料大有全面代替溶劑型涂
料之勢。進行水性涂料施工工藝的研究十分重要,本文就水性涂料在進行噴
涂工藝及設備設計時需注意的一些問題進行了簡要論述,其觀點是在進行水性
涂料噴涂工藝設計時,對一些水性涂料使用和生產單位及一些相關技術資料的
總結,供同行們在進行相關設計時參考。
馬春慶,閆立鋒,孔春花,趙寶剛
(中國一拖集團有限公司工藝材料研究所)
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