用水性涂料代替传统的溶剂型涂料可以大幅减少汽车涂装过程中挥发性有机化合物VOC的排放量，是目前在汽车行业中正在被大力推广的环保型涂装工艺。本文详细介绍了水性漆喷涂系统在我国汽车涂装中的实际设计和应用情况。

    【关键词】汽车涂装水性漆环保

    0.前言

    改革开放以来，我国经济快速增长，各项经济建设取得巨大成就，但也付出了很大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，人民群众对环境污染问题反映强烈。我国在十一五规划中明确提出了“落实节约资源和保护环境基本国策，建设低投入、高产出，低消耗、少排放，能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会”的发展目标。国家环保局于2006年8月15日发布了《汽车涂装清洁生产标准》，并且规定从2006年12月1日起开始实施，从生产源头上开始控制污染物的产生，而不是只抓污染物如何处理。

    在汽车制造过程中，涂装车间是三废排放最多的生产车间。因此近年来在汽车制造相关法规的驱动下，减少涂装公害、降低涂装成本、提高涂装质量一直是汽车涂装技术发展的主题。其中如何减少汽车涂装过程中大量挥发性有机化合物VOC的排放量是汽车涂装工艺主要研究的课题之一。

    目前国内大多数汽车涂装生产线仍采用溶剂型中涂+溶剂型面涂底色漆+单组份罩光清漆的工艺体系，VOC排放量高达120g/m2,远高于《汽车涂装清洁生产标准》中3C3B涂层三级标准VOC排放量≤80g/m2的基本要求，距离标准中规定的国际清洁生产先进水平一级标准VOC排放量≤40g/m2的要求差的更远。而采用水性漆涂装工艺可以从源头上对污染物进行控制，大幅减少涂装过程中的VOC排放量，是目前正被大力推广使用的环保型涂装工艺。

    上汽临港产业基地涂装车间是由上海汽车股份有限公司与机械工业第四设计研究院联合自主开发建设的，在安全、环保、节能等方面具有世界先进水平的涂装车间，产品为中国上汽自主品牌“荣威”系列中高级轿车。上汽临港涂装车间在中面涂工序上均使用了水性涂料，其涂装工艺是水性中涂+水性底色面漆+双组份罩光清漆，可以使VOC的排放量小于40g/m2，达到国际清洁生产先进水平。

    本文对临港涂装车间项目中有关水性漆喷涂系统的实际应用情况进行简述。

    1.水性涂料的特性

    传统溶剂型涂料是用有机溶剂作为分散介质和稀释剂的涂料，而水性涂料就是用水作为分散介质和稀释剂的涂料。水与溶剂作为涂料分散介质和稀释剂的特性差别主要表现在：

    1.1挥发性差异：水更加难于挥发，在高湿度条件下容易使漆膜产生流挂现象。

    1.2表面张力差异：水的表面张力要高于溶剂，不对涂料加以调整会影响到漆膜成品的表面质量。

    1.3导电率差异：水的导电率远高于溶剂，会对静电喷涂带来影响。

    1.4粘度特性差异：水的粘度受剪切力影响变化很大，在受到高剪切作用时，水性涂料的粘度会下降很多，会对输调漆系统带来很大影响。

    1.5对金属材料的腐蚀性差异：水对金属材料有较大的腐蚀性，会对与之接触的涂装设备造成腐蚀。

    正因为水与溶剂存在上述不同的特性从而导致了水性涂料和溶剂性涂料在诸多方面的差异性，也导致了在喷涂施工时，水性漆与传统溶剂型漆需要不同的设备系统与之相适应。

    2.水性涂料的施工工艺窗口

    涂料施工工艺窗口是指涂料施工所必须具备的环境温度和湿度要求的上下限值为四条边长所构成的近似四边形，它是喷漆设备系统设计必须具备的基本输入条件。与传统溶剂型涂料相对宽松的施工工艺窗口相比较，水性涂料对于喷涂环境温度和湿度条件有着更加严格的要求，通常水性涂料要求的施工温度为20℃～26℃，湿度为60%～70%，但为了选择涂料供应商的裕度更大以及更好的保证生产质量，在喷漆设备系统设计时设定的窗口条件都要更为严格，一般要达到：温度23±1℃、湿度65±3%的控制精度要求。

图1 水性涂料施工工艺窗口

    3.中面涂喷漆室系统

    中面涂喷漆室系统是用于完成中涂、面涂喷漆施工的作业场所与装备，该系统需要具备两方面的主要功能：一是根据喷涂工艺要求提供最佳的涂装作业环境条件；二是能够及时捕集喷涂过程中产生的过喷漆雾并洗涤后将废气排出，防止污染工作环境和涂装面。喷漆室系统一般由喷漆室本体、送风系统、漆雾捕集及洗涤系统、循环水系统、排风系统及漆渣处理系统组成。

    临港涂装车间喷漆室温湿度设计参数：温度为23±1℃，湿度为65±3%，详见下表。涂料采用美国杜邦Dupont公司和PPG公司的产品。

    根据生产中试验结果，临港涂装车间喷漆室实际设定值为：温度为22℃±1℃，湿度为60±3%；测定值为：温度为21℃～23℃，湿度为59%～61%，完全满足了上述水性涂料供应商提出的施工工艺窗口要求，实现了水性涂料施工的高质量。

    4.中涂烘干系统

    与传统溶剂型中涂喷涂施工后即进行烘干不同，由于水的挥发性较低，水性中涂喷涂施工后直接进行高温烘干会产生气泡等弊病，因此需要进行低温预烘，即在80℃的温度下保持5分钟，使涂料中的水分充分蒸发后，再升温至160℃保温20分钟使涂膜完成固化。

    水性中涂烘干工件温度曲线见下图：

附图2 水性中涂烘干工件温度曲线

    临港涂装车间采用Π型中涂烘干炉，加热区分为预烘干、升温、保温等三个功能区，其中预烘干区和升温区采用辐射加热方式，保温区采用热风循环加热方式。辐射与热风循环相结合的加热方式使工件的升温曲线既满足了烘干工艺要求又提高了烘干炉的洁净度，保证了中涂漆膜的高质量。

    5.水性面涂底色漆热闪干系统

    对于溶剂型面漆涂装工艺，面涂底色漆和罩光清漆均为溶剂型油漆，在底色漆喷涂后仅需要常温流平数分钟，就可以直接喷涂罩光清漆。而在水性漆面涂工艺中，由于水的难挥发性，需要在喷涂罩光漆之前通过加热干燥的方式将水性底色漆中的水分充分蒸发掉，才能进行下道罩光清漆的喷涂，否则面涂烘干时会产生气泡弊病。

    水性面涂底色漆热闪干系统用于在水性面涂底色漆喷涂后，罩光清漆喷涂之前将底色漆进行加热烘烤，使之脱水率达到90%以上，保证面涂的成膜质量。

    热闪干系统作为水性面涂工艺中的关键，核心在于加热循环风系统的温湿度控制。临港涂装车间将热闪干段分为一个升温区、两个保温区，并对每个区的温湿度分别进行精确控制，保证了罩光清漆喷涂之前的底色漆脱水率指标。

    6．涂料循环系统

    涂料循环系统是将涂料以一定的压力和流量输送到喷漆工位的管道供给系统，并在涂装作业过程中控制和保持适当的涂料工艺参数，它包括中央供漆设备、温度控制系统、枪站出口组件和管路等。由于水性漆与溶剂型油漆的粘度特性不同导致了涂料循环系统的差异性，临港涂装车间涂料循环系统要点如下：

    ·采用不锈钢材质以避免涂料对循环系统设备及管路的腐蚀；

    ·采用液压动力系统以保证涂料供给压力的稳定；

    ·采用低剪切的设备消除水性漆粘度特性对涂料特性的影响；

    ·采用特殊的液位控制系统保证涂料稳定供给和避免干结；

    ·采用高精度的温度控制系统保证涂料温度的高稳定性；

    ·纯水加注系统。

    7.机器人自动静电喷涂系统

    高压静电旋杯喷涂是以高压静电旋杯为负极、以接地的被涂物为正极，将涂料形成带负电荷的雾化粒子在电场力的作用下均匀的涂装在被涂物表面上。由于水性涂料的导电特性，在加电施工作业前，被加电的涂料必须与循环管路中的涂料绝缘，通常加电方式可分为外部加电和内部加电。外部加电是通过外部加电手指对涂料进行加电的方式，其缺点是外部加电手指容易被污染，且对旋杯移动速度和环境湿度较为敏感而会造成喷涂效率降低，影响漆膜外观质量，比较适用于对现有溶剂型涂料进行使用水性涂料改造的项目；内部加电又有两种类型，一种是在机器人手臂内部集成涂料罐，每次喷涂前将涂料注入涂料罐加电后进行喷涂，另一种是将涂料注入专用的涂料罐，机器人在每次喷涂时取一个涂料罐进行喷涂，喷涂完毕将空罐放回重新加注涂料，机器人同时取另一个涂料罐喷涂，这种方式也称为“弹匣式供漆系统”。

    临港涂装车间采用的是FANUC公司最新的P500型壁挂式机器人自动静电喷涂系统，配备了FANUC公司的zhuanli技术-水性漆加电组件和VersabellII型旋杯，其采用的是在机器人手臂内部集成涂料罐的内部加电方式，具有结构简单、维护方便、低成本等优势，喷涂效率可达到80%以上。

附图5 P-500水性漆加电组件

    8.结语

    通过对临港涂装车间产品漆膜性能的全面检测，包括外观指标(光泽度、鲜映性、流匀度、颜色等)、力学性能(附着力、强度、耐刷洗、抗高压清洗性能等)、抗石击性能、耐水性、耐化学介质(酸、碱、车用化学品、溶剂等)、耐腐蚀、耐老化、耐温度变化等一系列项目检测，证明水性漆涂膜质量性能已经全面达到或者超过了溶剂型涂层的质量性能指标。

    近几年水性漆涂装工艺在欧美汽车行业的涂装线上已经得到了普遍使用，在国内合资汽车工厂中水性漆涂装工艺也已经逐渐成为主流，在上海通用、北京奔驰、北京现代、天津丰田、广州丰田、广州本田、东风日产等合资企业中已经开始用水性漆涂装工艺代替传统的溶剂性漆涂装工艺。

    上汽临港产业基地作为国内第一批采用水性漆涂装工艺的企业，已经成为我国自主品牌汽车工厂中的节能环保先锋。该项目的成功实施实现上汽集团“高质量、低成本”的建设目标，为水性漆涂装工艺在国内自主品牌汽车企业中的推广起到了一定的示范效应。

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