长春幸福电镀有限公司

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长春天翔表面涂装有限公司

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水性涂料在汽车涂装中的应用研究

  溶剂型涂料中含有溶剂,在生产和施工过程中排放大量的VOC(挥发性有机化合物),危害人类健康,造成环境污染。据统计,目前全球每年向大气排放的VOC为500~600万t。自20世纪60年代初,美国率先开发成功水性涂料,采用电泳涂装用于汽车车身以来,在工业发达国家逐渐推广。我国在60年代中期由上海市涂料研究所开发,随后由振华造漆厂研制成醇酸、环氧酯以及浅色丙烯酸阳极电泳涂料投入工业化生产;80年代初上海造漆厂又相继研制成功水性丙烯酸清漆,用于硅钢片的表面防腐防锈;90年代开发出双组分环氧类和无机富锌类防锈底漆,但水性面漆的应用因受限于当时的施工条件,进展缓慢。相比西欧、北美汽车制造发达国家,在90年代已在汽车车身成功采用水性底色漆和水性中涂漆而言,我国仍存在较大差距。

  1 涂料水性化的驱动

  随着人类环保意识的增强,工业发达国家相继制订保护环境的法规,限制VOC排入大气。我国在2002年6月公布了《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。国家环保局于2006年8月发布了《HJ/T293—2006清洁生产标准汽车制造业(涂装)》标准,规定了汽车涂装中有机废气产生量排放指标,并于2006年12月1日起实施。在该标准中按不同涂装层数规定了VOC排放量指标:1级,国际清洁生产先进水平30~60g/m2;2级,国内清洁生产先进水平50~80g/m2;3级,国内清洁生产基本水平70~100g/m2。当前,发达国家轿车车身制造新生产线VOC排放量的限值为:美国、欧盟经委会35g/m2;日本45g/m2;加拿大(2005年)55g/m2;英国60g/m2;世界先进水平15~20g/m2。在汽车涂装中的VOC排放量随配套涂料体系不同而各异,见表1。采用水性涂料配套体系的VOC排放量,能达到或低于欧盟经委会规定的35g/m2的排放限值。

  2 汽车涂料产量及其需求

  汽车制造是我国的支柱工业,2008年汽车产销量为934.5万辆,汽车保有量为6467.21万辆。2008年我国涂料产量为638万t,其中汽车涂料为48万t,占涂料产量的7.5%;其他工业水性涂料为34.5万t,占涂料产量的5.4%。汽车涂料用量约42~60万t(在此尚无确实可靠数据),占当年涂料总产量的4.5%~6.5%。其中轿车用漆量(按25~30kg/辆计),2008年为23~28万t;修补用涂料(按3~5kg/辆计),2008年为19~32万t。2009年1~11月我国涂料产量已超过822万t,国产汽车产销量突破1300万辆,其涂料用量虽无统计数据,按汽车产量增加比例估计应在60~80万t(包括修补用涂料),约达到当年涂料总产量的6.8%~8.8%。在涂料市场中汽车涂料占有相当份额,有资料统计,在发达国家,汽车涂料约占本国涂料总产量的20%。

  3 水性涂料的发展历程

  自20世纪90年代起,欧美汽车涂装已进入水性化、高固体分化和粉末化。早在2005年,全球水性涂料产量已占涂料总产量的34.5%。在工业发达国家,汽车涂装100%底漆、80%以上的中涂漆和60%以上的金属底色漆均采用水性涂料,水性罩光漆正在使用中。

  3.1 水性底色漆

  水性底色漆使用方面,德国已达到100%,处于领先位置;日本70%;美国40%。近几年来,我国新建的汽车涂装生产线中也很重视水性涂料的应用。上海通用南厂及东岳厂已先后建造和使用水性涂料涂装生产线。到目前为止,我国已有水性中涂生产线12条,水性底色漆喷涂线17条。我国主要涂料合资公司(如上海BASF、DuPont)已率先将水性涂料国产化,天津PPG已开始进行水性涂料的生产。

  3.2 水性涂料应用实例

  涂料市场已经商品化可提供生产应用的水性涂料

  有环氧、醇酸、丙烯酸、聚氨酯、有机硅改性和氟碳等涂料,以及各类防锈、耐高温、无机富锌和底面合一丙烯酸烤漆等功能性水性涂料。汽车传动轴采用手工喷涂的水性醇酸涂料,有的零部件采用浸涂水性聚酯涂料。铁道车辆和机车的修补采用双组分环氧底漆(厚度60μm)和双组分水性聚氨酯涂料(厚度40μm)。AkzoNobel涂料公司在6年前提供名为Durasoft的双组分水性聚氨酯涂料,被GM公司指定用于汽车内部仪表板的涂装。DaimlerChrysler也要求另一家仪表生产商Lear为ChryslerNeon汽车内饰件选用水性聚氨酯内饰涂料。欧洲汽车涂装100%的底漆、70%以上的中涂漆和60%以上的金属底色漆均采用水性涂料,水性罩光漆也已开始使用。西门子机车采用3层水性涂料涂装:水性环氧底漆+双组分水性聚氨酯底漆+双组分聚氨酯面漆。干燥条件:60℃/2h,干膜厚度80μm。欧洲的瑞典和芬兰等国水性涂料的比例超过90%。拜耳公司在多年前提供用于塑料表面涂覆的双组分水性聚氨酯涂料,已用于福特、德国大众、宝马等汽车公司的内饰件涂装,使塑料件表面具有柔软触感,与底材的附着力和弹性,以及低光泽度、低VOC和雾化值都能获得满意效果。

  4 水性涂料涂装对设备的要求

  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,不仅会使漆膜色泽泛黄,而且降低漆膜的防蚀能力。为此,水性涂料的贮漆容器和输送管路需用不锈钢制作,并应经过化学钝化处理。对涂装线中的调漆系统和搅拌机、背压调节阀均应选用低剪切力类型。输漆管路连接应避免死角,输送系统以采用二线为佳,管路要加大,以增加循环供料泵的压力和流量。调漆罐搅拌机的循环速度应在0.15m/s。调漆间温度控制在低于涂料(3±1)℃。水性涂料的贮存稳定条件:5~30℃/6个月。

  4.2 静电喷涂设备

  水性涂料电阻小于0.1MΩ,有高压电泄漏,应采用专用的静电喷涂设备,通常采用外加电输漆系统,其优点为供输漆系统和换色与传统方式相同。日本本田汽车公司在前些年开发成功和采用内加电的杯型静电喷枪,其优点是能提高涂料的利用率。机器人弹匣式旋杯喷涂系统,将中转涂料容器做成独立的涂料容器(称为弹匣),可与旋杯进行快速组合,压送涂料。其优点为:节省换色时清洗溶剂,可同时适用于溶剂型和水性涂料的静电喷涂。

  4.3 喷漆室

  喷漆室的材质应采用不锈钢,喷漆室的新风补充__需配置除湿装置,防止涂膜流挂。

  4.4 烘干室

  水性涂料中水的蒸发率低,其闪蒸或晾干的时间与湿度有关,应采取措施,防止涂层产生弊病,而在喷涂溶剂型罩光面漆前,要控制底色漆膜中残留溶剂<10%,以防止涂膜产生弊病。降低闪蒸或晾干、烘干段湿度,提高水的蒸发率。进行低温加热,吹风闪干,防止流挂。采用红外加热60~80℃,保温2~3min。采用冷却降湿法,降低闪蒸室循环空气的湿度,将闪干室空气温度升高。

  5 水性涂料施工要求

  水性涂料的施工方法与溶剂型涂料没多大差别,但对涂装前的表面处理和对作业环境及施工条件等均有更高要求和严格规定。作业环境条件:采用喷涂方法的场合,对环境的温度、湿度和空调系统流速有要求。最佳相对湿度RH(65±5)%,温度(23±3)℃,空调系统流速0.3~0.5m/s。水质要求:去离子水pH7,电导率<20μS/cm;自来水pH7,电导率<170μS/cm。

  6 水性涂料在汽车涂装中的应用

  6.1 电泳底漆

  自20世纪60年代使用阳极电泳涂料以来,经过40年的发展,在阴极电泳涂料方面也已更新换代,汽车底漆已达到100%水性化,并开发出低毒无毒、环保友好型、高渗透、高质量、低温固化电泳涂料。第5代阴极电泳涂料在世界各大汽车厂60多条生产线上广泛应用,VOC为0.048kg/L,改善表面缩孔,浮漆带出少。PPG公司开发的第6代高泳透力阴极电泳涂料ED-6,已在奇瑞、上海和烟台的通用、神龙等汽车厂应用。它将使用量减少12.8%,烘干温度由原先的170~180℃/30min降为现在的160~170℃/25min。施工三段电压由原来100V-200V-270V降为现在的50V-100V-180V。第7代阴极电泳涂料采用无铬、无铅、无锡的有机颜料。该涂料为低温固化型、边角覆盖型,无亚硝盐,减少水耗,已在使用。

  6.2 水性中涂漆、底色漆及清漆

  在欧洲,水性中涂漆的使用已达31%,面漆的水性化比率为57%。水性罩光清漆已在使用,其中德国水性中涂漆的使用近80%,早在2006年水性底色漆已占100%(50%以上为水性闪光底色漆)。日本本田、日产等汽车公司已有40%~50%的涂装线采用水性丙烯酸聚酯型涂料,固体分为60%。涂料黏度(涂-4)40s,固化条件140℃/30min。2002年,DuPont公司已为Volvo汽车公司开发了一种白色水性珍珠涂料,采用湿碰湿工艺,可在标准喷漆线上完成3层涂料一次固化的喷涂作业。

  6.3 免水性中涂漆的涂装工艺

  取消中涂漆工艺是通过采用特殊的水性底色漆,如杜邦公司的EcoConcept双组分水性底色漆,以及BASF、PPG等公司的产品,在喷涂后直接喷涂面漆来实现相关功能。工艺举例:单色漆前处理:电泳底漆(20μm)+双组分水性单色漆(25~30μm)+双组分清漆(40μm)。金属闪光漆前处理:电泳底漆(20μm)+双组分水性金属闪光底色漆(15μm)+水性底色漆(5~8μm)+双组分清漆(35~40μm)。优点:简化工艺,提高生产率,减少VOC排放,节省设备投资费用,减少占地面积,降低能耗,节省材料。

  7 施工举例

  举例1:水性底色漆主要有丙烯酸类和聚氨酯类漆,60~80℃辐射固化1min,对流烘干2~3min,在喷罩光漆前,底色漆涂膜中水分<10%,高固体分罩光漆固化条件:135~145℃/20~22min。举例2:水性中涂漆→闪干(60℃/5~8min)→烘烤(140~150℃/20min)→水性底色漆→流平1~2min→闪干(60~80℃/5min)→保温3min(相对湿度RH<20%)→冷却→溶剂型罩光清漆→烘烤(140~160℃/30min)。举例3:电泳漆→热空气吹干→水性中涂漆→晾干→烘干(70℃/5min~165℃/15min)→水性金属闪光底漆→闪蒸辐照1~3min→热空气吹(85℃/2~7min,使车身温度达65℃)→冷却2~3min,<35℃→溶剂型罩光清漆→晾干→烘干(140℃/30min)。

  8 结语

  近年全球汽车制造行业受金融危机影响,生产大幅下滑,而中国汽车制造业进入高速发展期。2009年,我国汽车产销量突破1300万辆,提前5年超越美国。但在汽车涂料和涂装技术方面与工业发达国家相比,仍有着较大差距,涂料水性化的发展,受到设备投资大、作业环境要求严格等制约,对上世纪建造的汽车涂装线未作水性工艺预留设计,难以进行改造。可喜的是近几年来,我国汽车制造业已建起近20条水性涂料涂装线。据悉尚有上海通用沈阳北盛、一汽大众、上海汽车等单位多条水性涂料涂装线将相继投建,汽车行业率先开创涂料水性化,可为其他行业推广应用起到示范效应。涂料水性化的开展,有益于节约资源、改善环境污染、实施清洁生产,取得有效的社会和经济效益。可以预见,随着涂料和涂装技术的不断进步、创新,在水性涂料的价格、性能、施工工艺,降低设备投资等方面,将有新的突破,在推动和拓展水性涂料应用领域方面有着更大的发展空间。

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