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從VOCs釋放和能耗角度分析水性涂料在汽車外飾塑料件涂裝領域的應用前景

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點擊次數:533 更新時間:2019年04月09日17:03:45 打印此頁 關閉

    涂裝行業是工業揮發性有機物(VOCs)釋放源中的重點行業,其VOCs釋放量占整個工業源的21.6%,即占整個VOCs來源的11.9%。中國涂料行業“十三五”規劃提出結構調整目標,其中產品結構的目標是,到2020年,實現性價比優良、環境友好的涂料品種占涂料總產量的57%。水性涂料作為環境友好涂料的主要品種之一,被廣泛宣傳將用來代替傳統的溶劑型涂料。但目前為止,對于這2種涂料涂裝過程的VOCs釋放和總能耗還沒有基于實際運行生產線數據的系統對比研究。雖然在涂料的VOCs釋放量測定方面,國內外學者做了很多研究,建立了VOCs釋放的經驗和物理模型,且獲得了許多有價值的數據,但很多研究都是實驗室模擬(小型環境艙)的結果。例如,王立鑫等用小型環境艙研究了硝基清漆漆膜在不同溫度下的VOCs釋放狀況。潘潔晨研究了濕漆膜干燥過程中易揮發VOCs(甲苯)和慢揮發VOCs(丙二醇)散發濃度的變化。趙金榜把傳統環氧底漆、聚氨酯面漆與水性同類涂料在溶劑揮發階段的VOCs釋放量作了比較,發現存在巨大差異,前者為263g/m2,后者僅為22g/m2。劉勤才等提出由于水性涂料在涂裝過程中需要增加專用設備用于控制噴漆室溫度、濕度,以及強制水性涂料水分蒸發的預烘干設備,CO2釋放量要比傳統涂料增大約5%。噴涂過程中釋放的VOCs主要來源于成膜助劑和溶劑,目前國內外已有水性涂料和溶劑型涂料的對比主要集中在涂裝過程中的VOCs釋放,對兩者在能耗方面的差異鮮有報道。

本文利用汽車外飾塑料件涂裝線的實際運行數據,通過分析2種涂料在涂裝過程的VOCs釋放量和生產過程及涂裝過程的各類能耗(電,水,天然氣等),對2種涂料的環保性和節能性進行對比,為水性涂料未來在汽車外飾塑料件涂裝領域的推廣提出科學數據支持。此次調研的3條溶劑型涂料涂裝線的制造商均為艾森曼,水性涂料涂裝線為杜爾。3條溶劑型涂料涂裝線的產能分別為42萬件,42萬件和84萬件,水性涂料涂裝線的產能為60萬件。溶劑型涂料的供應商為龐貝捷(PPG)、艾仕得(Axalta)、阿克蘇諾貝爾(AKZO);水性涂料供應商為巴斯夫(BASF)、龐貝捷(PPG)。本文所提到的底漆、色漆和清漆為上述供應商提供的底漆、色漆和清漆原漆及與之配套的稀釋劑和固化劑。所有溶劑型涂料的數據均為3條溶劑型涂料涂裝線的算術平均值。汽車外飾塑料件每件的平均噴涂面積為1.2m2

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VOCs釋放量比較

涂裝過程中底漆、色漆和清漆的VOCs釋放量來自于噴涂、流平和烘烤工序。需要指出的是,目前在汽車外飾塑料件的涂裝線上尚未大規模使用水性清漆,這是由于水性清漆在成本和部分性能方面和溶劑型清漆還有一定的差距,也由于溶劑型清漆已經能夠滿足客戶的主流環保要求。 

1.1 涂料中VOCs含量

本節中VOCs含量的數據為各類漆組分中的溶劑和助劑的有機物含量,未包括樹脂、顏料、鋁粉等組分,因為樹脂等所含的有機成分在涂裝過程中不會揮發。


如圖1所示,溶劑型涂料底漆VOCs含量為301.22g/kg,色漆為376.14g/kg;水性涂料底漆VOCs含量為46.4g/kg,色漆為88.76g/kg。單位質量水性底漆VOCs含量是溶劑型底漆的15.4%。單位質量水性色漆VOCs含量是溶劑型色漆的23.6%。由圖1可直觀地看出在水性涂料中用水代替絕大部分有機溶劑能大幅度減少涂料中的VOCs含量。水性色漆的VOCs含量比水性底漆大,主要是因為色漆體系使用了更多的溶劑以確保顏料、鋁粉等添加物的溶解,導致溶劑含量相對比底漆多。

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圖1 涂料中VOCs含量

1.2 涂裝過程VOCs釋放量

涂裝過程VOCs釋放量如圖2所示。

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圖2 涂裝過程中VOCs釋放量

如圖2所示,對于涂裝過程中VOCs釋放量,溶劑型底漆為57.79g/m2,色漆為76.05g/m2,清漆為104.74g/m2;水性底漆3.27g/m2,色漆為4.16g/m2,清漆為149.19g/m2。水性底漆在涂裝過程中VOCs的釋放量是溶劑型底漆的5.7%;水性色漆是溶劑型色漆的5.5%。這表明在涂裝過程中VOCs釋放量除了受涂料本身VOCs含量的影響外,還受涂裝工藝、施工條件和溶劑型涂料與水性涂料在成膜特性上的差異的影響。

1.3 熱力燃燒裝置(RTO)

根據目前行業現狀,溶劑型涂料和水性涂料涂裝線對涂裝過程中釋放的VOCs的處理方式均為集中熱力燃燒裝置(RTO)。本文對比了RTO對VOCs的處理效率,結果如表1所示。

表1熱力燃燒裝置VOCs處理效率

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溶劑型涂料涂裝線RTO入口VOCs濃度為2062.38mg/m3,RTO入口風量為20200m3/h;水性涂料涂裝線RTO入口VOCs濃度為1270mg/m3,RTO入口風量為24588m3/h。經過RTO處理后的出口濃度均達標,因此水性涂料涂裝生產線的環保性優勢未能充分體現。

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能耗比較

2.1 生產過程能耗

在涂料生產過程中,從配料,研磨分散,調漆配色,過濾到灌裝等過程均有能量消耗(如圖3所示)。不同能耗之間因單位不同不能直接疊加,故在計算生產線總能耗時,把電耗、水耗、燃氣耗、蒸汽耗都轉換成千克標準煤(kgec)。3條溶劑型生產線所用溶劑型涂料在涂料生產環節的總能耗平均值為0.16kgec/kg,水性涂料為0.20kgec/kg。水性涂料總能耗是溶劑型的125%。溶劑型涂料電耗為0.30kWh/kg,水耗為1.9L/kg,燃氣耗為0.04m3/kg,蒸汽耗為0.8kg/kg;水性涂料電耗為0.48kWh/kg,水耗為2.8L/kg,燃氣耗為0.04m3/kg,蒸汽耗為0.94kg/kg。水性涂料電耗是溶劑型涂料的160%。這主要是因為水性涂料比溶劑型涂料對溫度控制要求更嚴格,因此在生產過程中水性涂料的缸外會增加恒溫水浴裝置,從而導致水性涂料的電耗大于溶劑型涂料。水性涂料水耗是溶劑型涂料的147.4%。這是因為水性涂料以水為溶劑,而溶劑型涂料無需水,因此水性涂料生產的水耗大于溶劑型涂料。水性涂料燃氣耗是溶劑型涂料的100%。水性涂料蒸汽耗是溶劑型涂料的117.5%,這2種能耗在2種涂料生產過程中差異不大。

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圖3 生產過程中能耗

2.2 涂裝過程能耗

涂裝過程能耗如圖4所示。

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圖4 涂裝過程能耗

如圖4所示,溶劑型涂料涂裝過程總能耗為1.13kgec/m2,水性涂料為1.74kgec/m2。水性涂料總能耗是溶劑型的154%。溶劑型涂料電耗為3.75kWh/m2,水性涂料電耗為8.31kWh/m2,水性涂料電耗是溶劑型涂料的221.6%。溶劑型涂料水耗為30.08L/m2,水性涂料水耗為39.28L/m2,是溶劑型涂料的130.6%。溶劑型涂料燃氣耗為0.50m3/m2,水性涂料燃氣耗為0.53m3/m2,是溶劑型涂料的106%。水性涂料在涂裝過程中能耗比溶劑型涂料多出的部分是在電耗方面,其電耗是溶劑型涂料的大約2倍,這主要是因為水的蒸發潛熱很大,為2260J/g,是溶劑型涂料使用的大多數有機溶劑的5倍(例如甲苯為412.7J/g,二甲苯為347.4J/g)。且水的揮發速率慢,相對蒸發度是常用有機溶劑的20%~30%[相對蒸發度(丁酯為100,水為38(36),甲苯為200,二甲苯為114)]。水的以上特性都需要增加新設備或流程(烘房,流平室)來加速水分的烘干。在烘干前需增設預烘干(升溫)段,使濕漆膜的不揮發分達到80%以上,再在高溫下烘干。預烘干的主要作用是使外飾塑料件表面涂料的脫水率達到一定程度以便進行后續涂裝,如果不揮發分小于80%,在烘干過程中水性底色漆的水分轉化為氣態體積膨脹,會將其表面的有機清漆涂層頂起而產生氣泡缺陷。其次水性涂料的施工作業性較差,施工環境溫度濕度范圍較窄。噴漆時最佳濕度為(65±5)%,在空調系統溫濕度控制中,濕度控制比溫度控制更為重要,濕度太高,噴漆時易產生流掛現象,濕度太低,漆面則會失光。噴漆室最佳的噴漆環境為溫度(23±3)℃,如果溫度太高,霧化漆粒很快變干,漆膜的流動性變差,溫度太低,溶劑揮發不夠快,會產生流掛現象。為此,要求噴漆室的空調系統要具備制冷、加熱和純水噴淋加濕功能。綜上,預烘干和溫濕度調控使得水性涂料涂裝過程的電耗和水耗增大。

除此之外,需新設預烘干(閃干)設備,導致占用生產面積增大,水的腐蝕性要求噴漆室、預烘干室采用不銹鋼材料還會導致投資增加。

2.3總能耗

溶劑型涂料總能耗(生產過程和涂裝過程水、電、天然氣和蒸汽耗之和)為1.29kgec/m2,水性涂料總能耗為1.94kgec/m2。水性涂料總能耗是溶劑型的155%,比溶劑型涂料多大約55%。生產過程水性涂料需要的恒溫水浴控制裝置和以水為溶劑消耗的水,涂裝過程水性涂料涂裝線增設預烘干工序且底漆、色漆、清漆噴房后均設置流平和烘房及需要消耗更多的電來控制噴涂室溫濕度來保證水性涂料漆膜質量導致了水性涂料的總能耗大于溶劑型涂料。

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圖5 總能耗

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結語

從涂裝過程中VOCs釋放的角度來看,水性涂料比溶劑型涂料大幅削減,體現了水性涂料本身的環保性。但如果使用RTO處理后,溶劑型涂料和水性涂料的VOCs釋放均能達標。而從總能耗角度,水性涂料比溶劑型涂料能耗高大約55%。


我們在推動水性涂料使用時要充分考慮到包括能源消耗和碳排放這些因素,同時還應考慮其他環境友好型涂料在我國的使用可能。在政策引導方面也可以綜合考慮各種涂料的環保性和節能性。水性涂料不是唯一手段,高固體分、無溶劑、粉末、輻射固化等環境友好型涂料也可以是今后發展的重要方向。特別是高固體分涂料,其對設備環境要求不像水性涂料那么高,對現有溶劑型涂裝線不需要太大的改造。因此,高固體分溶劑型涂裝工藝對于國內大量的有環保要求進行溶劑型老線改造的企業來說,也可以作為一個潛在的替代方案進行探討。

我國是汽車大國,在現階段大規模使用塑料件替代金屬件的趨勢下,汽車外飾塑料件涂裝也因此具有廣闊的市場前景。要全面提高水性涂料的整體性能,需要與水性涂料相關各環節的共同努力。不僅需要對水性涂料自身局限(如成膜特性,涂裝工藝)的研究有所突破,而且需要與之相關的樹脂、各種助劑以及其他材料在水性化方面共同發展提高其環保性的同時,進一步提升其節能性。

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