汽車涂裝中應用高固工藝的優(yōu)勢分析

盛宏志

（奇瑞捷豹路虎汽車公司，江蘇 常熟 215513）

前言

汽車高固含技術并不是一個新名詞，但真正具有穩(wěn)定的施工高固含技術問世尚不足十年。經(jīng)過實踐驗證，新的高固含技術在VOC排放上接近水性漆的水平，在碳排放和施工要求上又具備原來普通溶劑型涂料的優(yōu)勢，是節(jié)能環(huán)保涂料技術方面的新選擇。為了適應部分原有生產(chǎn)線的環(huán)保改造需求，我們在福特3C1B高固含技術的基礎上，陸續(xù)開發(fā)應用了一些新的高固含工藝技術，如3C2B色漆清漆高固含、3C2B色漆高固含等，并在研討配套2K清漆和免中涂的高固含技術。本文重點從汽車高固含技術和水性漆的比較、汽車高固含工藝技術的最新發(fā)展、國家政策對高固含技術態(tài)度的變化等方面進行闡述，使得行業(yè)能夠?qū)ζ嚫吖毯夹g的進一步研討推廣。

1　汽車高固含技術和水性漆的比較

1.1　VOC排放量的比較

3C2B中低固含溶劑型涂料中色漆施工固含平均在20%-30%之間，其單車VOC產(chǎn)生量占整個涂裝工序近一半。

表1　某傳統(tǒng)溶劑型3C2B汽車涂裝生產(chǎn)線VOC分布情況

色漆涂料隨著固含升高、用量減少，按施工固含反算，當施工固含在50%左右的時候，單車VOC和水性漆基本相當。實際應用中發(fā)現(xiàn)高固含施工中油漆吐出量減少會使得上漆率提升 10%左右、水性漆由于加電困難油漆利用率會降低 10%左右。

下表是兩家國際品牌涂料公司在我公司高固含色漆機器人實際噴涂的結(jié)果：

表2　高固含和中低固溶劑色漆機器人外表面單車噴涂比較

從上表可以看出，采用高固色漆，相比普通溶劑涂料浪費（即環(huán)境有害物）減少了50-70%，而水性漆，大約也是將普通溶劑涂料中60%左右的溶劑用水替代（圖1），即同樣內(nèi)加電的情況下減少約60%的環(huán)境有害物。

圖1　普通溶劑涂料和水性漆施工狀態(tài)成分對比

除了色漆涂料，中涂、清洗溶劑等對高固含和水性漆生產(chǎn)線VOC排放的比較結(jié)果也有影響。下表是國內(nèi)幾條外表面采用機器人，內(nèi)表面采用人工噴涂的汽車涂裝生產(chǎn)線VOC對比。

表3　不同工藝的生產(chǎn)線VOC排放量對比數(shù)據(jù)

整體來說，在采用同樣工序和機器人外噴、人工內(nèi)噴的情況下，高固含相對水性漆VOC排放略高，如果內(nèi)外噴均采用機器人靜電噴涂，高固則可能具有VOC排放的優(yōu)勢。

1.2　單車碳排放

高固含和普通溶劑漆施工窗口基本相當，而水性漆因為水分預烘干需求（圖2）和較為嚴格的施工窗口（圖3），動能消耗較大，相應地碳排放也較多，福特公司有案例顯示其它條件基本相同的情況下，高固含工藝比同工序水性工藝二氧化碳排放可以減少34%。

圖2　水性漆必須借助預烘干才能達到濕膜固體分要求

圖3　水性漆和高固含的施工窗差異

1.3　廢水廢渣廢溶劑后處理的影響

水性漆的核心優(yōu)勢是與水相融，這同時在后處理方面，也形成了一些對應的劣勢（圖4）。一方面前述上漆率的差異導致水性漆廢物同比產(chǎn)生量更大，另一方面因為過噴漆霧難以從水中分離出來，以及表面活性劑的影響，噴涂循環(huán)水中的有機物含量高、泡沫多、氣味大，循環(huán)水和污水難以處理，在監(jiān)管不到位的情況下會形成很大的公害。隨著干式噴漆漆霧分離技術的不斷成熟，水性漆的后處理難題有望得到解決。

同理，水性清洗溶劑其中的溶劑也難以分離，目前均需花費較高的危費處理費用，而溶解涂料的清洗溶劑較為容易提煉出可以二次利用的產(chǎn)品，因此在部分地區(qū)溶劑型涂料的清洗溶劑可以作為商品賣給有處理資質(zhì)的單位，建議法規(guī)支持清洗溶劑的回收利用。

圖4　因為樹脂差異和表面活性劑等因素，水性漆完全分散溶解在水中

2　幾種高固含工藝的比較

2.1　環(huán)保法規(guī)對應情況

3C2B工藝中，僅僅色漆采用高固含，加上普通溶劑漆中涂原漆固含60%和清漆原漆固含50%左右的行業(yè)普遍情況，多數(shù)涂裝線就可以達到2016年11月1日頒布實施《 涂裝行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》VOC部分三級指標（表4）。

表4　《涂裝行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》VOC部分

在此基礎上若尋求更好地控制VOC排放、提升經(jīng)濟性或外觀性能，除了研究提升有效物料利用率、減少無效物料的使用外，可以根據(jù)情況選擇方案采用清漆切換高固、緊湊高固、配套2K的高固、免中涂高固等技術，根據(jù)中國涂料工業(yè)協(xié)會涂料行業(yè)標準牽頭制定的《汽車用高固含體分溶劑型涂料》T/CNCIA 01001－2016（表5），參考表3數(shù)據(jù)，可以對應達到表4中VOC部分二級或一級指標。

表5　《汽車用高固含體分溶劑型涂料》施工固含部分

2.2　改造和運行成本

原有乘用車溶劑型涂裝生產(chǎn)線，多采用3C2B方式，有的受原有工藝和布局的限制難以改造為3C1B工藝，如沒有PVC烘干、中涂和面漆的位置難以相連等等，這需要根據(jù)生產(chǎn)線的情況具體分析?？傮w而言，不改變原有3C2B布局的改造成本和風險最低，改造為3C1B的難度要根據(jù)具體情況，但投資肯定更高，而清漆系統(tǒng)改造為2K清漆，也是一筆不小的投資。

在運行成本上，3C2B溶劑漆的中涂具有較大價格優(yōu)勢，現(xiàn)階段3C2B色漆高固含還是最為經(jīng)濟的方案。隨著3C1B高固含工藝的不斷普及、高固含清漆和2K清漆的大量應用，加上緊湊工藝在效和能耗上的優(yōu)勢，未來3C1B高固含和3C1B高固含+2K清漆的運行成本有可能達到甚至低于3C2B高固含工藝 。

現(xiàn)階段由 3C2B傳統(tǒng)溶劑涂裝工藝改造為各類高固含工藝的比較如表6：

表6　五種高固含涂裝工藝改造比較（在3C2B溶劑涂裝工藝基礎上）

當然，如果考慮改造水性漆，目前行業(yè)已經(jīng)有多個實際案例，這樣的改造投資往往上億、需要兩三個月停產(chǎn)改造和一段時期的爬坡、運行成本也會明顯提升，其改造和運行代價遠遠大于高固含方案。

2.3　外觀性能比較

隨著這幾年的研究開發(fā)，我們也逐步積累了一些各類高固工藝的外觀數(shù)據(jù)（參見表7），這些數(shù)據(jù)和我們構想的方向基本相同，即3C2B高固含工藝外觀較好，在緊湊的3C1B高固含中最好配套2K清漆。

因為提升外觀的需要，尤其高性價比的萬華國產(chǎn)異氰酸酯2K清漆固化劑的成熟，最近幾年2K清漆的應用在國內(nèi)迅速普及。當然，一些高固體系色漆和2K清漆的配套性研究，也會是一個長期的新難題。

圖5　立邦高固含汽車漆技術的原理

圖6　普通清漆、2K清漆、高固清漆外觀性能差異示意

外觀和性能的差異，除了配套性和涂層厚度等，主要差異取決于清漆。各家同類清漆產(chǎn)品的開發(fā)機理不盡相同，如立邦高固含采用低分子量丙烯樹脂+ 低粘度聚酯樹脂+高NV氨基樹脂（見圖5），PPG高固含采用聚酯+丙烯酸體系，艾仕德高固含采用硅氧烷+丙烯酸體系，但總體來說，高固含清漆相比普通單組分清漆，VOC上有一定優(yōu)勢，施工性能相當或略好，在外觀和性能上有所提升；2K清漆和高固含清漆 VOC基本相當，在車輛使用中更關注的目視外觀、耐磨性、耐溶劑等方面表現(xiàn)更好，參考部分油漆材料供應商和主機廠的資料繪制的三種產(chǎn)品大致差異示意見圖6。

3　高固含調(diào)試的要點

汽車高固含作為一個新技術，尤其在替代原有普通溶劑漆時，需要注意一些技術方面的差異。

高固含表干性能與中低固體分油漆不同，低固體分色漆在濕碰濕工藝時，需要表干，而高體分油漆不會表干。為了增加對流掛的控制，油漆必選表現(xiàn)為在剪切力作用下的假塑性，在高剪切力下粘度降低，以及剪切力屈服點，即在某一剪切力之下表現(xiàn)為高的剪切力，為了能使油漆具備剪切變稀以及剪切壓力的屈服點，高分子微膠的加入使得高固體分色漆具備了這樣的性能。這種表現(xiàn)有一點類似水性涂料，因此水性涂料的一些缺點在高固涂料上也會有不同程度的反映，如容易因表面張力問題導致縮孔。另外，高固含改造多直接配套原有材料，高固含清漆跟原有中涂接觸可能產(chǎn)生抽縮等不良反應，跟原有PVC膠條接觸可能產(chǎn)生油漆開裂或發(fā)粘的情況。

因此，采用高固含涂料，需要按照施工要求核查設備是否需要改造，在實驗室和調(diào)試中要研究驗證配套關系。高檔的溶劑型汽車涂裝線施工條件較好，基本可以滿足高固含涂料施工的要求（參見表8），只不過原有溶劑型涂料經(jīng)過多年實踐在實際應用中可能要求十分寬泛，比如溫濕度、壓縮空氣含油量大幅突破產(chǎn)品技術要求也能施工，高固含涂料目前還達不到。在原有的PVC膠配套上，要注意塑化劑等遷移材料的控制，和阻隔遷移材料的適當添加。

4　總結(jié)

在高固含工藝成功實踐應用的基數(shù)上，經(jīng)過努力推動，高固含在汽車涂裝法規(guī)上逐漸被認可，新頒布的《涂裝行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》已經(jīng)體現(xiàn)了對汽車高固含涂裝工藝技術的支撐。2016年12月26日環(huán)境保護部辦公廳印發(fā)執(zhí)行的《汽車整車制造建設項目環(huán)境影響評價文件審批原則》提出：大氣污染防治重點區(qū)域內(nèi)新建、擴建汽車項目，改建項目水性、高固含份、粉末、紫外光固化涂料等低揮發(fā)性有機物含量涂料的使用比例達到 50%以上。這是建設項目環(huán)評法規(guī)中首次明確支持在改擴建中采用高固含含工藝。在更加嚴格的發(fā)達地區(qū)地方政策方面，也有對汽車涂裝高固含工藝十分支持的，如《浙江省揮發(fā)性有機物深化治理與減排工作方案（2017-2020）》（征求意見稿），將高固含定義為和水性漆一樣“含有VOC的非溶劑型涂料”，作為汽車制造業(yè)首要推薦的環(huán)保涂料升級方案。隨著法規(guī)的支持和技術的完善，汽車高固含涂裝技術必將和水性漆技術相互競爭促進，共同承擔起汽車涂裝行業(yè)節(jié)能減排的重任。