1、轿车水性漆应用探讨李文峰、杨学岩、姚铭作者单位？【摘要】：本文主要介绍了用于汽车水性漆涂装前期可行性分析，从材料、设备、一次性建成和二期预留等多个方面进行对比分析。同时还通过和材料、设备厂家交流总结水性漆生产准备中的注意事项，为后期实施提供理论依据。关键词： 水性漆 水性漆材料 水性漆设备改造 0 引言随着国内对环境保护的要求越来越高，涂装领域水性漆应用也越来越多的被各个厂家关注。笔者结合工厂筹备阶段对水性漆应用方案的初步分析，从材料、设备等方面进行一个简单的总结，供各位探讨。1 水性漆材料早在1987年水性底色漆材料就已经开始应用于生产，美国、欧洲、日本等企业越来越多开始应用水性漆技术，截至
2、到2008年，欧洲已经有80%以上的新工厂使用水性漆技术。推行高固体分降低VOC排放的美国企业，水性漆使用率也到达了40%。如下图1所示：图1 欧美、日本水性漆应用趋势图11 水性漆材料特点水性漆材料和溶剂型漆材料最更根本的差别在于水性漆采用水做为主要的溶剂。由于水的物理性质和溶剂不同，所以也决定了水性漆施工方式的不同。目前水性中涂和水性底色应用已经非常普遍，水性清漆由于与水性底漆配套使用很难达到好的配套性和好的外观，同时水性清漆的溶剂挥发量并不比溶剂型清漆有明显的优势，所以基本上没有应用。溶剂型漆水溶性试验：如下图2所示图2 溶剂型漆水溶性试验水性漆材料水溶性试验：如下图3所示图3 水性漆水
3、溶性试验12 水性漆材料与溶剂漆的比较1.2.1材料组成： -水 - 溶剂 -颜料 -树脂图4 溶剂型漆和水性漆构成比例图水性漆材料主要溶剂是水，其比例占整理 整体材料的60%以上，为防止腐蚀铝蚀，铝粉等材料也必须经过钝化处理，所以水性漆材料的成本要高与 于溶剂型漆，两者的差价大概在20%-30%左右。（水性漆与溶剂型漆材料构成见上图4）1.2.2 挥发性： 水性漆挥发程度和溶剂型漆相比差别很大，如表1所示。表1 水性漆和溶剂型漆参数对比材料水性漆溶剂型漆表面张力 mN/m7229饱和蒸发压 h Pa245-12.5挥发热量 KJ/(Kg*K)4.181.6-2.0在普通闪干的环境下，水性漆在
4、施工过程中只有25%-35%的水挥发，溶剂型漆中的稀释剂可以挥发60%-70%，所以在喷涂罩光之前，水性漆水份去除就显得尤为的重要。喷漆室在高湿度情况下，水性漆非常容易发生流挂，而且铝粉排列也会变差，颜料发生絮凝、不均、色相变差，直接影响色差等指标。如果喷漆室湿度过低，容易发生材料粘度变大，施工固体份增大，影响漆膜光泽等指标。总的来说控制喷漆室的湿度非常重要，尤其高湿度环境必须进行控制，经常处于外界环境高湿度的地区，应该考虑增加除湿设备。1.2.3 施工固体份的变化 - 水性漆- 溶剂型漆湿膜固体份 %静置时间 min图5 晾干时间与湿膜固体份趋势图溶剂型漆雾化粒子飞行过程中引发溶剂挥散，施工
5、固体份增大、粘度升高；水性漆雾化粒子飞行过程中不易引发水份的挥散，施工固体份变化不大、粘度不易升高，如上图5所示。水性漆中水份的挥发可以通过控制喷漆室的温湿度来进行微小控制，但不能象溶剂型涂料那样可以通过调整稀释剂的蒸发速度来调整施工固体份。一般情况水性漆喷涂到车身上施工固体份变化不大，漆膜流平效果好，整体漆膜的外观效果要比溶剂型漆好，所以一般水性漆材料的橘皮等效果要优于溶剂型漆。1.2.4 施工的触变性： 水性漆材料触变性大，极易受剪切力的影响。在喷涂雾化过程中，材料的粘度急剧降低，喷涂到车身上后粘度慢慢回复。同时水性漆材料粘度大，对于输调漆系统要保证输漆泵足够的功率，管路设计也应充分考虑。
6、对喷涂机器人而言，水性漆材料需要吐出量一般较大，但单纯靠提高流量来达到喷涂的要求是错误的，因为雾化不好会导致很差的外观和其他漆膜弊病，所以前期设计时，很重要的一点要考虑有足够的喷涂设备。1.2.5材料的储存运输 水性漆对施工粘度要求很高，在出厂前水性漆粘度已经调整完毕，一般不在现场调整，其储存周期也比溶剂型漆短。水性漆储存需要严格控制温度，一般情况下储存运输温度要控制在530以内，低于0水性漆容易发生结冰，材料发生变性，不能应用于后续喷涂。在北方的工厂为防止这种情况发生，应配备保温运输车和保温库房，从另一个方面也加大了水性漆使用的成本。 水性漆储存应考虑材料温度回升速度的因素，特别是在北方冬季
7、，以室温23为例，一般1000L包装的材料由5升到20需要84小时，由15升到20需要48小时。250L包装由5升到20需要48小时，所以在调漆间漆库设计上应配合产量要求，合理设计储存量，避免由于原漆温度过低，影响整个系统粘度。1.3水性漆材料施工的特点 表面张力高，容易产生缩孔。 气化热高、蒸发速度无法调整，易流挂、起泡，需要预烘烤。 水的蒸发速度受湿度影响，对喷漆室空调系统的温湿度要求特别高。 侵蚀金属材料，腐蚀性大。 由于导电的因素，对传统的内置加电的静电喷涂方式无法使用。 粘度高，循环系统负荷大，材料雾化难度大。2 水性漆与溶剂型漆设备对比 由于水性漆特殊的施工要求，在设备选型上和溶剂
8、型漆设备略有不同，具体对设备的特殊要求参见表2所示。可见传统的溶剂型漆施工设备已经不能满足水性漆材料的施工要求，需要针对其特点进行设备调整。表2 水性漆和溶剂型漆设备需求对比项目溶剂型漆水性漆特殊要求喷漆室1、受湿度影响小2、可以通过助剂调整应对温度变化1、受湿度影响大2、不能通过助剂应对温度变化需要加热/制冷/除湿空调机器人一般静电式喷涂机水性漆导电性高，不能使用溶剂型喷涂系统外置加电闪干区只需要流平区即可水份不能完全挥发，需要强制挥发需要增加水份预烘干装置废漆处理从排出水中分离或析出涂料很困难，排水容易起泡使用专用药剂输调漆粘度低，对金属腐蚀性弱粘度高，对金属腐蚀性强泵及管路选用比溶剂型大
9、系统材质304不锈钢以上3 水性漆设备介绍3.1水性漆预烘干水性漆预烘干工艺一般由气封段、烘干段和冷却段组成。气封段主要目的为了分隔喷漆段和预烘干段，防止两边气体互窜，温度一般控制在20-27，湿度控制在60%-80%，风速控制在0.3-0.5m/s。 烘干段一般可以采用热风形式和制冷除湿两种形式，制冷除湿采用湿度较低的空气，高速吹扫车身，带走漆膜中的水份，目前此工艺在国外处于试验阶段，并没有大规模应用。现阶段采用较多的还是热风加热闪干形式。根据不同材料的特点，一般预烘干温度控制在50-80，热风中控制水份含量不应大于10g/KG，相对湿度控制在5%-10%，每延米的空气循环量不应小于4000
10、m3/h,风嘴热空气的流速为15-20m/s。风嘴布置30-90cm，同时可以采用红外辅助加热等形式。预烘干过程对漆膜的除水效率一般应达到80%以上，否则对后续施工带来很多不利影响。烘干时间控制方面，考虑到生产线长度和漆膜的要求，一般控制在3-4分钟，其中升温1-1.5分钟，保温2-2.5分钟。 冷却段冷却温度设置一般为20，每延米的空气循环量不应小于4000m3/h,风嘴热空气的流速为15-20m/s，冷却后车身温度应控制在30以下。如表3所示：表3 湿膜固体份、风速、烘干温度的关系表温度风速4060801m/s23%5 m/s57%51%10 m/s74%77%85%18 m/s81%86
11、%84%3.2输调漆系统水性漆主要溶剂为水，所以对输调漆系统的耐腐蚀性很高，输调漆管路系统一般可以选用304的不锈钢材料，由于国内的不锈钢材质和国外存在差异，所以国内多选用304L以上的不锈钢材料。阀门一般选用306以上的不锈钢，软管连接部分可以使用特氟龙材质管路，整个系统中不能有铜、铁材料，使用低碳钢，黄铜或铜会导致水性底漆变黄、沉淀、絮凝结块或失去粘度，同时系统极易发生锈蚀。内置加电方式外置加电方式由于水性漆粘度对剪切力非常敏感，在系统中对剪切力的控制就显得尤为的重要。一般为了减小剪切力，水性漆系统多采用双线形式，避免出现传统的三线系统工位调压器剪切力的影响。和三线系统相比，双线系统在成本
12、和维护上都更具有优势，唯一比较大的缺点是，管路内部压力调整依靠变径完成，后期增加使用点会影响整个系统循环效果，改造难度很大。水性漆粘度较大，所以在设计管路循环时，相同吐出量情况下，水性漆的管路要比溶剂型漆粗。在循环泵方面，循环泵多采用柱塞泵，避免使用剪切力较大的离心泵和转子泵。同时调压阀也应考虑使用低剪切力的形式。循环系统搅拌器也应选用低剪切力的产品。循环系统的搅拌速率要保持在最小水平，避免出现大的涡流导致漆进入空气产生针孔。搅拌器的形式如图6所示，上部为低剪切力搅拌器，下部为高剪切力搅拌器。图6 低剪切力与高剪切力搅拌器3.3 机器人系统由于水性漆比较容易导电，所以为了防止安全及高压报警等为
13、了安全及防止高压报警问题，水性漆机器人系统一般采用外置加电的模式。外置加电方式在安全、维护及设备成本方面都比内置加电有优势，但外置加电的效率较低。水性漆使用的高压发生器也和溶剂型漆略有不同。随着技术的发展，目前已有机器人厂家开始设计内置加电的方式，使用内置小型储漆罐代替齿轮泵系统，从而实现高压绝缘，达到内置加电的效果。如图7所示：图7 高压加电方式目前水性漆的齿轮泵和旋杯都可以与溶剂型漆进行通用，个别机器人厂家为保证水性漆的雾化效果，对旋杯会进行特别处理。机器人其他部件水性和溶剂型漆差别不大。水性漆内置加电方式内部油漆罐，如图8所示：图8 内置加电示意图3.4 空调系统水性漆材料对施工的温度和
14、湿度要求非常严格，传统的喷漆室空调设备很难满足水性漆施工参数的需求。水性漆空调系统在原有基础上，需要增加制冷模段，用于夏季降温使用。同时对湿度和加热区段的控制精度范围也要稍高一些。在东北的昼夜温湿度变化比较大的区域，对空调系统控制能力及相关外界冷媒、热媒的要求也比较苛刻。由于夏季空调制冷所需冷媒能耗非常大，所以水性漆空调设备的运行费用也比普通设备空调大很多。这方面也限制了许多工厂水性漆项目的实施。由于对水型漆对 由于水性漆对.湿度的控制非常苛刻，所以在南方湿度较大的地区，必须考虑增加空调除湿设备，目前比较常用的方式是降温除湿，在 再升温调整到工艺温度和湿度。如果湿度较大，除湿设备消耗的制冷量是
15、普通降温制冷量的几倍。4 水性漆设备及运行成本分析4.1 空调制冷系统运行成本分析水性漆空调制冷系统是设备能源消耗的大户，根据各地气候条件的不同，所需要的制冷量也差别较大。制冷量的计算公式：制冷量Q=L*1.2*i，其中 L-送风量；i室外室内焓变差值根据公式计算，从31度 （下同）降到28度和23度，需要的制冷量的差别在3倍以上，可见如果达到23度最佳的工艺温度，所需的制冷量非常巨大。根据所需的制冷量应选择相应的制冷机，一般离心制冷机能耗比COP值为：制冷量：电量5；1KW的冷量需要消耗电能0.2KW；总电量制冷机电量+冷却泵电量，电量核算应按不同时段的电价进行计算。根据计算23度和28度制
16、冷费用折合到单车上相差近3倍，单车消耗在20-30元左右（不同地区价格存在差别） 国内制冷机费用核算可以参考1kcal的制冷量，制冷机需要投入0.7-0.8元人民币，再加上20%-30%的管路系统费用及20%空调制冷段费用，整个水性漆制冷系统设备投资在1000-2000万左右。4.2 预烘干系统运行成本分析 水性漆预烘干主要消耗天然气和电力能源，按每天运行16小时，电费0.7元/度，天然气1.8元/立方米，4分钟预烘干时间，20万年产量纲领核算，水份预烘干单车费用在14-18元之间。5 老工厂改造水性漆方案分析现有工厂进行水性漆改造需要注意以下几个方面：5.1 调漆间改造 一般来说如果前期不考
17、虑水性漆预留，溶剂型输调漆系统基本上需要全部更换。进行改造时输调漆管线可以提前进行铺设，可以和正常生产同步进行。调漆间内部设施可以根据实际厂房情况改造，如果厂房内空间充足，可以考虑水性漆系统独立设置，减少设备改动的停产时间；如果空间比较紧张，只有利用停产期对调漆间内部设备进行替换和清洗，调漆间内部设备改造和清洗周期在20到30天左右。5.2 制冷系统改造 由于水性漆施工需要恒温恒湿的环境，夏季设备空调需要大量的冷媒来进行降温，所以原有厂房的制冷机需要扩容。目前制冷机有风冷和水冷两种形式，风冷制冷机采用空气进行设备冷却，水冷制冷机采用循环水进行设备冷却。水冷制冷机需要对循环冷却水系统进行维护，在
18、设备运行过程中受到循环冷却水供应的制约，和水冷制冷机相比，风冷制冷机在设备运行状态和维护成本上都要优于水冷设备，但风冷制冷机设备投入较大，同型号的产品价格比水冷高10%左右，同时风冷设备占地面积也比水冷制冷机大。 制冷系统另一个改造点是厂房内制冷水管道的铺设。由于水性漆需要的制冷量很大，造成制冷管路的直径比较粗，制冷水充满管路，并以一定的压力运行，所产生的水平推力和径向力是很大的。在现有厂房中铺设需要对厂家 厂房的承重能力进行重新的核算，对于个别区域需要对楼板结构进行特殊处理加固，否则后期会存在严重的安全隐患。5.3 烘干炉改造 烘干炉改造主要指水性中涂和水性底色漆后的水份预烘干段改造。如果中
19、涂烘干炉区域有预留空间，可以延长中涂烘干炉，前段保证3-5分钟80，后段进行25-30分钟的正常烘干。底色漆后手工喷涂罩光前需要足够的空间安装水份预烘干设备，保证车身有3-4分钟热风烘干，3分钟左右的冷却。在进行改造之前，相关供热系统的能源消耗和管线铺设需要提前准备，多数老厂房没有预留足够的空间，改造上存在难度，但从目前的水性漆材料特性来看，还没有特别好的缩短工艺处理时间的办法，只有寄希望于未来材料特性的提升。5.4 设备空调改造 在原有的设备空调模块上需要增加制冷模段，目前国外的设备供应商如EISENNMAN、DURR等，空调系统均采用模块化设计，所以只要设备安装空间足够，制冷模块可以在外做
20、好后，进场进行简单的连接就可以完成，大大减少了分片组装的工作量。5.5 机器人改造 机器人系统改造一般集中在机器人内部管路、高压发生器等主要部件上。目前机器人厂家在设计机器人系统时都会考虑后期水性漆设备改造的预留，一般单台机器人水性漆改造时间在3-5个小时左右，改造费用在2万美元/台左右。 老工厂进行水性漆设备改造，主要遇到的问题多是一期没有进行充分的预留，造成后期改造方案实施困难。由于水性漆改造涉及的设备众多，所以整个改造的工程量很大，保守估计整个改造停产周期在1个月以上。6 新工厂筹备水性漆预留分析6.1 喷漆室、空调、制冷装置预留 为减少二期水性漆喷漆室和水旋等设备改造量，内部结构应该考
21、虑使用不锈钢材质，喷漆室格栅可以考虑使用不锈钢材质，但相对成本较高，多数采用碳钢，定期更换。废漆处理系统需要和材料厂家进行交流，预留水性漆处理的加料点，同时考虑加料的位置和加药量。 水性漆预烘干段一期可以按照闪干段设计，可以预留天然气和风管等设备安装的空间，机械化辊床一期可以使用常温辊床，二期再改造成高温输送设备。 空调系统可以采用制冷段预留的形式，但建议制冷管路等主管路，按水性漆的要求预先铺装到位，减少二期改造共用系统的工程量，同时也减少设备就位后没有安装空间等问题，如考虑投资一期不上管路，也应该在土建工程考虑管路的载荷、吊点等项目，制冷管线负荷很大，如不前期考虑后期改造困难很大。 在考虑制
22、冷装置预留时应考虑设备的安装位置，以20万产量，18000KW的制冷量为参考，制冷机及水冷管路等设备占地在600-700平米左右。6.2 机器人预留 机器人水性漆预留，应考虑机器人手臂内部的安装空间，机器人手臂可以按照水性漆的需求进行设计。机器人加电方式可以根据机器人厂家的不同来选择预留方案，有些机器人需要重新更换杯头。旋杯、雾化器、齿轮泵等均可以和溶剂型漆通用，但在转化为水性漆前应充分进行清洗。由于水性漆施工参数和溶剂型漆有比较大的不同，所以喷涂参数和仿形上都需要重新进行调整试验，相对于硬件的更换，此部分的工作量更大。依据机器人厂家经验，机器人硬件部分更换改造时间一般在1-2周左右，硬件部分
23、成本在1-2万美元/台。6.3 输调漆系统预留(1)输调漆管路选择溶剂型漆输调漆系统垂直转产为水性漆系统，如果系统部件在设计时考虑了水性漆预留，则需要根据系统使用的时间长短进行确定，如果系统使用溶剂漆在两年之内，则对系统进行清洗即可，但是清洗过程复杂且周期较长，一般需要半个月左右；如果系统使用时间超过两年，则管路内油漆很难进行彻底清洗，最终容易引起管路碳化从而导致漏漆，因此在水性漆预留时，输漆管路一般不考虑预留，只要适合溶剂型漆就可以了。通过和设备及材料厂家交流，国内目前没有依靠清洗所有管路完全清洗的方式，实现水性漆转化的案例。在使用水性漆时，将输漆管路更换为304不锈钢，且在清洗前将管路内壁
24、进行钝化处理。管路连接方式取消螺纹连接，一般采用不锈钢食品级接头或采用自动亚弧焊的焊接工艺，管内外充氩气保护。(2)输漆泵选择：输漆泵选择上除了考虑缸体材质外，还要预留泵的的功率，以便适合高粘度的水性漆。(3)调漆罐和循环罐选择：调漆罐、循环罐及铸件内表面要进行电解抛光，表面粗糙度小于0.05um，一方面防止因内表面不光滑而导致油漆结皮，另一方面防止未抛光的氧化皮污染油漆。罐盖一般采用圆顶的形式，其优点是：水性漆内水份挥发时聚集在桶盖上部时，使聚集的水沿罐壁流下，保持罐壁湿润；在圆顶罐盖上便于安装偏心搅拌器，提高搅拌效果，减少油漆涡流形式。而平顶罐盖上部聚集的水则会直接低落到罐内油漆里，从而导
25、致油漆内混入气体。7 结语 以上从材料应用和设备选型方面对水性漆的应用情况进行了简单的介绍。总的来说水性漆材料应用已经比较成熟，材料施工窗口范围和过去相比已经有了一定的提升，但对温湿度的要求还是比较严格，随之而来的是巨大的能源消耗，所以大多数厂家也在进行观望，研究最新国家环保法规的要求。从长远来看，近年来国际上对 VOC 排放量的要求越来越严，国际上(特别是欧美国家) 大力发展水性漆技术，水性漆材料和水性漆设备应用已经非常成熟。目前我国正大力弘扬科学发展观，走可持续发展道路，可以预见未来我国对VOC 排放量的要求也会越来越严格。为了保护我们的生存环境，增强在涂装技术方面的国际交流与合作，提高我国汽车涂装技术水平，国内的各大汽车厂家开始越来越重视水性漆工艺。本文通过和材料、设备厂家交流，整理了一些施工及设备预留的注意事项，希望可以起到一个抛砖引玉的作用。由于水平有限，文中难免有些遗漏和错误，欢迎各位同行批评指正。（本文中的数据来源于多方，仅作为参考）
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