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从VOCs释放和能耗角度分析水性涂料在汽车外饰塑料件涂装领域的应用前景

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点击次数:357 更新时间:2019年04月09日17:03:45 打印此页 关闭

    涂装行业是工业挥发性有机物(VOCs)释放源中的重点行业,其VOCs释放量占整个工业源的21.6%,即占整个VOCs来源的11.9%。中国涂料行业“十三五”规划提出结构调整目标,其中产品结构的目标是,到2020年,实现性价比优良、环境友好的涂料品种占涂料总产量的57%。水性涂料作为环境友好涂料的主要品种之一,被广泛宣传将用来代替传统的溶剂型涂料。但目前为止,对于这2种涂料涂装过程的VOCs释放和总能耗还没有基于实际运行生产线数据的系统对比研究。虽然在涂料的VOCs释放量测定方面,国内外学者做了很多研究,建立了VOCs释放的经验和物理模型,且获得了许多有价值的数据,但很多研究都是实验室模拟(小型环境舱)的结果。例如,王立鑫等用小型环境舱研究了硝基清漆漆膜在不同温度下的VOCs释放状况。潘洁晨研究了湿漆膜干燥过程中易挥发VOCs(甲苯)和慢挥发VOCs(丙二醇)散发浓度的变化。赵金榜把传统环氧底漆、聚氨酯面漆与水性同类涂料在溶剂挥发阶段的VOCs释放量作了比较,发现存在巨大差异,前者为263g/m2,后者仅为22g/m2。刘勤才等提出由于水性涂料在涂装过程中需要增加专用设备用于控制喷漆室温度、湿度,以及强制水性涂料水分蒸发的预烘干设备,CO2释放量要比传统涂料增大约5%。喷涂过程中释放的VOCs主要来源于成膜助剂和溶剂,目前国内外已有水性涂料和溶剂型涂料的对比主要集中在涂装过程中的VOCs释放,对两者在能耗方面的差异鲜有报道。

本文利用汽车外饰塑料件涂装线的实际运行数据,通过分析2种涂料在涂装过程的VOCs释放量和生产过程及涂装过程的各类能耗(电,水,天然气等),对2种涂料的环保性和节能性进行对比,为水性涂料未来在汽车外饰塑料件涂装领域的推广提出科学数据支持。此次调研的3条溶剂型涂料涂装线的制造商均为艾森曼,水性涂料涂装线为杜尔。3条溶剂型涂料涂装线的产能分别为42万件,42万件和84万件,水性涂料涂装线的产能为60万件。溶剂型涂料的供应商为庞贝捷(PPG)、艾仕得(Axalta)、阿克苏诺贝尔(AKZO);水性涂料供应商为巴斯夫(BASF)、庞贝捷(PPG)。本文所提到的底漆、色漆和清漆为上述供应商提供的底漆、色漆和清漆原漆及与之配套的稀释剂和固化剂。所有溶剂型涂料的数据均为3条溶剂型涂料涂装线的算术平均值。汽车外饰塑料件每件的平均喷涂面积为1.2m2

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VOCs释放量比较

涂装过程中底漆、色漆和清漆的VOCs释放量来自于喷涂、流平和烘烤工序。需要指出的是,目前在汽车外饰塑料件的涂装线上尚未大规模使用水性清漆,这是由于水性清漆在成本和部分性能方面和溶剂型清漆还有一定的差距,也由于溶剂型清漆已经能够满足客户的主流环保要求。 

1.1 涂料中VOCs含量

本节中VOCs含量的数据为各类漆组分中的溶剂和助剂的有机物含量,未包括树脂、颜料、铝粉等组分,因为树脂等所含的有机成分在涂装过程中不会挥发。


如图1所示,溶剂型涂料底漆VOCs含量为301.22g/kg,色漆为376.14g/kg;水性涂料底漆VOCs含量为46.4g/kg,色漆为88.76g/kg。单位质量水性底漆VOCs含量是溶剂型底漆的15.4%。单位质量水性色漆VOCs含量是溶剂型色漆的23.6%。由图1可直观地看出在水性涂料中用水代替绝大部分有机溶剂能大幅度减少涂料中的VOCs含量。水性色漆的VOCs含量比水性底漆大,主要是因为色漆体系使用了更多的溶剂以确保颜料、铝粉等添加物的溶解,导致溶剂含量相对比底漆多。

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图1 涂料中VOCs含量

1.2 涂装过程VOCs释放量

涂装过程VOCs释放量如图2所示。

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图2 涂装过程中VOCs释放量

如图2所示,对于涂装过程中VOCs释放量,溶剂型底漆为57.79g/m2,色漆为76.05g/m2,清漆为104.74g/m2;水性底漆3.27g/m2,色漆为4.16g/m2,清漆为149.19g/m2。水性底漆在涂装过程中VOCs的释放量是溶剂型底漆的5.7%;水性色漆是溶剂型色漆的5.5%。这表明在涂装过程中VOCs释放量除了受涂料本身VOCs含量的影响外,还受涂装工艺、施工条件和溶剂型涂料与水性涂料在成膜特性上的差异的影响。

1.3 热力燃烧装置(RTO)

根据目前行业现状,溶剂型涂料和水性涂料涂装线对涂装过程中释放的VOCs的处理方式均为集中热力燃烧装置(RTO)。本文对比了RTO对VOCs的处理效率,结果如表1所示。

表1热力燃烧装置VOCs处理效率

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溶剂型涂料涂装线RTO入口VOCs浓度为2062.38mg/m3,RTO入口风量为20200m3/h;水性涂料涂装线RTO入口VOCs浓度为1270mg/m3,RTO入口风量为24588m3/h。经过RTO处理后的出口浓度均达标,因此水性涂料涂装生产线的环保性优势未能充分体现。

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能耗比较

2.1 生产过程能耗

在涂料生产过程中,从配料,研磨分散,调漆配色,过滤到灌装等过程均有能量消耗(如图3所示)。不同能耗之间因单位不同不能直接叠加,故在计算生产线总能耗时,把电耗、水耗、燃气耗、蒸汽耗都转换成千克标准煤(kgec)。3条溶剂型生产线所用溶剂型涂料在涂料生产环节的总能耗平均值为0.16kgec/kg,水性涂料为0.20kgec/kg。水性涂料总能耗是溶剂型的125%。溶剂型涂料电耗为0.30kWh/kg,水耗为1.9L/kg,燃气耗为0.04m3/kg,蒸汽耗为0.8kg/kg;水性涂料电耗为0.48kWh/kg,水耗为2.8L/kg,燃气耗为0.04m3/kg,蒸汽耗为0.94kg/kg。水性涂料电耗是溶剂型涂料的160%。这主要是因为水性涂料比溶剂型涂料对温度控制要求更严格,因此在生产过程中水性涂料的缸外会增加恒温水浴装置,从而导致水性涂料的电耗大于溶剂型涂料。水性涂料水耗是溶剂型涂料的147.4%。这是因为水性涂料以水为溶剂,而溶剂型涂料无需水,因此水性涂料生产的水耗大于溶剂型涂料。水性涂料燃气耗是溶剂型涂料的100%。水性涂料蒸汽耗是溶剂型涂料的117.5%,这2种能耗在2种涂料生产过程中差异不大。

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图3 生产过程中能耗

2.2 涂装过程能耗

涂装过程能耗如图4所示。

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图4 涂装过程能耗

如图4所示,溶剂型涂料涂装过程总能耗为1.13kgec/m2,水性涂料为1.74kgec/m2。水性涂料总能耗是溶剂型的154%。溶剂型涂料电耗为3.75kWh/m2,水性涂料电耗为8.31kWh/m2,水性涂料电耗是溶剂型涂料的221.6%。溶剂型涂料水耗为30.08L/m2,水性涂料水耗为39.28L/m2,是溶剂型涂料的130.6%。溶剂型涂料燃气耗为0.50m3/m2,水性涂料燃气耗为0.53m3/m2,是溶剂型涂料的106%。水性涂料在涂装过程中能耗比溶剂型涂料多出的部分是在电耗方面,其电耗是溶剂型涂料的大约2倍,这主要是因为水的蒸发潜热很大,为2260J/g,是溶剂型涂料使用的大多数有机溶剂的5倍(例如甲苯为412.7J/g,二甲苯为347.4J/g)。且水的挥发速率慢,相对蒸发度是常用有机溶剂的20%~30%[相对蒸发度(丁酯为100,水为38(36),甲苯为200,二甲苯为114)]。水的以上特性都需要增加新设备或流程(烘房,流平室)来加速水分的烘干。在烘干前需增设预烘干(升温)段,使湿漆膜的不挥发分达到80%以上,再在高温下烘干。预烘干的主要作用是使外饰塑料件表面涂料的脱水率达到一定程度以便进行后续涂装,如果不挥发分小于80%,在烘干过程中水性底色漆的水分转化为气态体积膨胀,会将其表面的有机清漆涂层顶起而产生气泡缺陷。其次水性涂料的施工作业性较差,施工环境温度湿度范围较窄。喷漆时最佳湿度为(65±5)%,在空调系统温湿度控制中,湿度控制比温度控制更为重要,湿度太高,喷漆时易产生流挂现象,湿度太低,漆面则会失光。喷漆室最佳的喷漆环境为温度(23±3)℃,如果温度太高,雾化漆粒很快变干,漆膜的流动性变差,温度太低,溶剂挥发不够快,会产生流挂现象。为此,要求喷漆室的空调系统要具备制冷、加热和纯水喷淋加湿功能。综上,预烘干和温湿度调控使得水性涂料涂装过程的电耗和水耗增大。

除此之外,需新设预烘干(闪干)设备,导致占用生产面积增大,水的腐蚀性要求喷漆室、预烘干室采用不锈钢材料还会导致投资增加。

2.3总能耗

溶剂型涂料总能耗(生产过程和涂装过程水、电、天然气和蒸汽耗之和)为1.29kgec/m2,水性涂料总能耗为1.94kgec/m2。水性涂料总能耗是溶剂型的155%,比溶剂型涂料多大约55%。生产过程水性涂料需要的恒温水浴控制装置和以水为溶剂消耗的水,涂装过程水性涂料涂装线增设预烘干工序且底漆、色漆、清漆喷房后均设置流平和烘房及需要消耗更多的电来控制喷涂室温湿度来保证水性涂料漆膜质量导致了水性涂料的总能耗大于溶剂型涂料。

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图5 总能耗

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结语

从涂装过程中VOCs释放的角度来看,水性涂料比溶剂型涂料大幅削减,体现了水性涂料本身的环保性。但如果使用RTO处理后,溶剂型涂料和水性涂料的VOCs释放均能达标。而从总能耗角度,水性涂料比溶剂型涂料能耗高大约55%。


我们在推动水性涂料使用时要充分考虑到包括能源消耗和碳排放这些因素,同时还应考虑其他环境友好型涂料在我国的使用可能。在政策引导方面也可以综合考虑各种涂料的环保性和节能性。水性涂料不是唯一手段,高固体分、无溶剂、粉末、辐射固化等环境友好型涂料也可以是今后发展的重要方向。特别是高固体分涂料,其对设备环境要求不像水性涂料那么高,对现有溶剂型涂装线不需要太大的改造。因此,高固体分溶剂型涂装工艺对于国内大量的有环保要求进行溶剂型老线改造的企业来说,也可以作为一个潜在的替代方案进行探讨。

我国是汽车大国,在现阶段大规模使用塑料件替代金属件的趋势下,汽车外饰塑料件涂装也因此具有广阔的市场前景。要全面提高水性涂料的整体性能,需要与水性涂料相关各环节的共同努力。不仅需要对水性涂料自身局限(如成膜特性,涂装工艺)的研究有所突破,而且需要与之相关的树脂、各种助剂以及其他材料在水性化方面共同发展提高其环保性的同时,进一步提升其节能性。

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