汽車水性油漆實(shí)施的探討

1、汽車水性油漆實(shí)施的探討 1、概述水性漆的使用源于20世紀(jì)70年代環(huán)保法規(guī)對(duì)有機(jī)污染物排放的限制，在美國(guó)西部的部分汽車生產(chǎn)廠開(kāi)始使用水性油漆。80年代，德國(guó)開(kāi)始關(guān)注水性漆，并于1986年開(kāi)始使用水性漆。90年代，美國(guó)的汽車生產(chǎn)廠商開(kāi)始對(duì)現(xiàn)有溶劑型油漆生產(chǎn)廠進(jìn)行水性漆轉(zhuǎn)換。在歐洲和美國(guó)，新建的汽車廠都已開(kāi)始使用水性漆。水性漆之所以倍受青睞是因?yàn)橄鄬?duì)于溶劑型油漆在技術(shù)上具有如下優(yōu)點(diǎn)。a.環(huán)保及安全。眾所周知，溶劑型油漆主要以芳香族化合物組成的溶劑作為載體（溶劑含量可達(dá)60%以上），溶劑屬于易揮發(fā)、易燃、易爆物，對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染，長(zhǎng)期吸入有害人體健康。水溶性油漆，顧名思義以純水為載體，而水無(wú)污染、無(wú)毒

2、害。除此之外，用于油漆管道的清洗以及顏色更換清洗所使用的溶劑也將更換為水溶性的清洗溶劑。總而言之，水溶性油漆既環(huán)保安全，又可最大限度地減少對(duì)人體健康的損害。b.外觀及質(zhì)量。水溶性油漆相對(duì)溶劑型油漆而言，對(duì)后道罩光清漆的相容性更好，有利于生產(chǎn)工藝的控制和產(chǎn)品的選擇；同時(shí)，由于水性漆具有更好的金屬顆粒的排列性，對(duì)目前使用越來(lái)越廣泛的金屬漆具有更好的視覺(jué)效果。c.油漆材料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，全球范圍色漆的發(fā)展都基于水性漆技術(shù)，材料供應(yīng)商的主要技術(shù)開(kāi)發(fā)能力已不再用于溶劑型色漆材料。這意味著，如果在國(guó)內(nèi)使用溶劑型油漆將導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)與國(guó)際同步，而是要花費(fèi)很大的精力進(jìn)行水溶性到溶劑型油漆材料的轉(zhuǎn)化和認(rèn)證。在

3、全球范圍內(nèi)，水性漆技術(shù)越來(lái)越廣泛的被汽車廠商采用，已成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。溶劑型和水溶性油漆由于自身材料的不同，導(dǎo)致施工方式和設(shè)備需求的不同。如果在車間設(shè)計(jì)時(shí)未能充分考慮水性漆的需求而預(yù)留改造的空間，則不能在此基礎(chǔ)上實(shí)施水溶性油漆。2、水性色漆施工設(shè)備需求2.1噴涂施工方式溶劑型油漆自動(dòng)噴涂機(jī)采用內(nèi)部加電方式，而水溶性油漆在使用的初期全部為外部加電方式。外部加電方式具有技術(shù)成熟、溶劑型油漆向水性油漆轉(zhuǎn)化其設(shè)備改造簡(jiǎn)單、速度快和成本低的優(yōu)勢(shì)。但由于外置的加電手指的原因，也造成了一些不足：手指容易積油漆，清潔頻次增加；手指對(duì)機(jī)器懸杯移動(dòng)速度和環(huán)境濕度比較敏感，會(huì)造成油漆施工傳輸效率下降，影響漆膜

4、外觀質(zhì)量。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在水溶性油漆內(nèi)部加電方式已經(jīng)在汽車涂裝生產(chǎn)線上開(kāi)始應(yīng)用。內(nèi)部加電主要有2種方式：一種是每次噴涂前將水溶性油漆注人集成在機(jī)器人手臂上的漆罐里，完成加電后進(jìn)行噴涂，每次完成噴涂后再返回原位進(jìn)行加漆，適用于低鏈速或步進(jìn)式的生產(chǎn)方式；另一種方式是使用2套漆罐，可放置在噴房外面，其中一套在進(jìn)行噴涂時(shí)，另外一套進(jìn)行清洗，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)。目前，提供水性漆內(nèi)部加電方式的噴涂設(shè)備廠商主要有Diierr公司和Fanuc公司等。溶劑型油漆和水性油漆的靜電噴涂懸杯的不同加電方式分別見(jiàn)圖1、圖2。2.2閃干方式眾所周知，色漆和清漆的“濕碰濕”工藝要求在進(jìn)行清漆施工之前，色漆表面的溶劑或水含

5、量必須揮發(fā)到一定程度以確保質(zhì)量和外觀。通常情況下測(cè)得色漆和清漆之間的閃干時(shí)間在1-5 min之間。溶劑型油漆依靠自身閃干可以達(dá)到這個(gè)要求。水性漆則需要借助加熱烘烤來(lái)達(dá)到脫水率的要求。而在色漆噴涂之后進(jìn)人加熱閃干之前的室溫閃干大約在1-5 min。閃干區(qū)的要求詳見(jiàn)圖3、表1。加熱閃干的通道設(shè)計(jì)通常推薦為八角形，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)能夠最大化地利用熱效率，確保熱空氣垂直噴到車身表面，從而可以適當(dāng)減少滿足脫水率前提下的工藝時(shí)間，減少工藝長(zhǎng)度。為滿足水性漆加熱和脫水的要求，加熱閃干區(qū)域必須設(shè)計(jì)成為溫度和濕度均可調(diào)整。最常見(jiàn)的調(diào)整濕度的辦法就是在循環(huán)空氣中加人新鮮空氣。新鮮空氣的置換比例取決于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件。在

6、干燥的冬季，只需很少的新鮮空氣（5%）置換即可，而在濕熱的季節(jié)（>27和80%的相對(duì)濕度），可能需要非常大的新鮮空氣置換量。還有另外一個(gè)可選的辦法是對(duì)循環(huán)空氣除濕。2.3輸調(diào)漆系統(tǒng)溶劑型系統(tǒng)管路材料比較隨意，不銹鋼和碳鋼系統(tǒng)均可，而水性漆管路則必須選用不銹鋼加鈍化處理的設(shè)計(jì)?；貕涸O(shè)計(jì)上必須使用低剪切力的回壓閥。水性漆對(duì)油漆的液位控制系統(tǒng)也有較高的要求，因?yàn)樗苄缘囊后w在容器內(nèi)液位下降后，附著在容器壁上的油漆，由于水的揮發(fā)容易產(chǎn)生粉末剝落，且無(wú)法因?yàn)樾掠推岬募尤攵玫较?，因此影響噴涂質(zhì)量。而溶劑型油漆因?yàn)榧有缕釙r(shí)溶劑自身可沖洗容器內(nèi)壁，則沒(méi)有這種情況發(fā)生。在國(guó)外的許多調(diào)漆間設(shè)計(jì)中，油漆在

7、供應(yīng)商工廠已經(jīng)全部調(diào)整完畢，所以使用一個(gè)儲(chǔ)漆缸來(lái)存放油漆，而來(lái)料包裝則直接放在高處的架子上靠重力保持儲(chǔ)漆缸的液位，見(jiàn)圖4。而在國(guó)內(nèi)，基本上還是使用桶包裝，所以需要在來(lái)料桶、油漆儲(chǔ)存缸和輸漆缸間保持缸內(nèi)液位的穩(wěn)定，見(jiàn)圖5。3、水性色漆施工工藝3.1水性漆的存儲(chǔ)和運(yùn)輸水性漆對(duì)存儲(chǔ)和搬運(yùn)方面有一些特殊的要求。因?yàn)樗谋拘灾率顾云釋?duì)溫度非常敏感，如果水性漆存儲(chǔ)在0以下的環(huán)境內(nèi)，油漆的可溶解性就會(huì)發(fā)生變化，因而導(dǎo)致油漆中的一些重要成分發(fā)生沉淀。在這種情況下，水性漆會(huì)變得不均勻并可能會(huì)析出晶粒。即使對(duì)這樣的水性漆再加熱，也無(wú)法使其回復(fù)到均勻的狀態(tài)，油漆的特性將會(huì)被徹底破壞。另一方面，由于油漆內(nèi)含有水，水

8、會(huì)對(duì)傳統(tǒng)存儲(chǔ)油漆的容器進(jìn)行腐蝕，同時(shí)油漆本身容易受三價(jià)鐵離子的影響而改變其流變性能。這就要求所有存儲(chǔ)水性油漆的容器必須由不銹鋼或者塑料制成。溫度為5-30時(shí)，水性漆在運(yùn)輸過(guò)程中需要根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行加熱或冷卻，進(jìn)行運(yùn)輸?shù)能囕v必須能進(jìn)行控溫，其存儲(chǔ)區(qū)域和調(diào)漆間都必須具有溫控功能。通常來(lái)說(shuō)，水性漆可以穩(wěn)定地存放3個(gè)月，超過(guò)這一時(shí)間則需要對(duì)油漆進(jìn)行重新評(píng)估，否則無(wú)法保證噴涂質(zhì)量。具體的保存時(shí)間可能因不同的油漆供應(yīng)商而略有不同。對(duì)調(diào)漆間來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度應(yīng)該控制在2028，必要時(shí)可以使用熱交換器來(lái)保持油漆溫度。所以，最佳的存儲(chǔ)和運(yùn)輸方式就是讓水性漆始終處于相對(duì)恒定的溫度下，這樣在添加新油漆時(shí)就不需要進(jìn)行溫度

9、調(diào)整。3.2調(diào)漆間工藝參數(shù)控制粘度對(duì)傳統(tǒng)的油漆來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)非常重要的工藝參數(shù)，對(duì)于水性色漆來(lái)說(shuō)，粘度這一概念與傳統(tǒng)的溶劑型色漆有著較大的差別。水性色漆的流變特性見(jiàn)圖6。由圖6可知，水性色漆的粘度受剪切力的影響變化很大，在低剪切力的環(huán)境下如靜止放置于容器內(nèi)可以達(dá)到很高的粘度，而在管路內(nèi)循環(huán)或者經(jīng)過(guò)自動(dòng)噴涂機(jī)的換色閥進(jìn)行噴涂的瞬間，由于高剪切力的作用，水性色漆的粘度可以下降很多。傳統(tǒng)的溶劑型色漆粘度隨剪切力變化很小。通常，我們使用Fisher或者Ford杯來(lái)進(jìn)行溶劑型色漆粘度的測(cè)試，對(duì)水性色漆而言也可以采用類似的方法進(jìn)行測(cè)試，區(qū)別在于使用孔徑較大的Din杯，而且測(cè)出的時(shí)間并不代表該水性色漆的粘度，只

10、是它的流動(dòng)時(shí)間。要得到真正意義上的水性色漆的粘度，需要使用專門的設(shè)備，例如旋轉(zhuǎn)式粘度測(cè)試儀，分別測(cè)定水性色漆在不同剪切力條件下的粘度。油漆供應(yīng)商初期都會(huì)在試驗(yàn)室做出自己所有油漆的粘度曲線，調(diào)漆間內(nèi)所需要做的就是測(cè)定流動(dòng)時(shí)間，以判斷在相同的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的油漆是否穩(wěn)定或不同批次的油漆之間是否有大的差異。水性色漆粘度對(duì)溫度的敏感性相對(duì)溶劑型色漆來(lái)說(shuō)要弱一些。相對(duì)溶劑型色漆來(lái)說(shuō)，水性色漆技術(shù)更需要注意的是低剪切應(yīng)力控制、穩(wěn)定的流量以及避免高壓系統(tǒng)。高剪切率、高流量以及高壓都會(huì)令水性色漆加速老化，直接影響噴涂質(zhì)量。為避免出現(xiàn)這一狀況，需要注意以下幾點(diǎn)。a.供漆壓力、背壓、流速的合理設(shè)定。b.周末或節(jié)、假日

11、期間在結(jié)束生產(chǎn)以后關(guān)閉循環(huán)系統(tǒng)，儲(chǔ)漆缸內(nèi)的油漆每日攪拌1-2 h，在開(kāi)始生產(chǎn)前2-3 h打開(kāi)循環(huán)。c.長(zhǎng)時(shí)間停止生產(chǎn)，盡可能使系統(tǒng)內(nèi)在生產(chǎn)結(jié)束前保留較低的液位；停產(chǎn)期間處理方法同上；在恢復(fù)生產(chǎn)前加入新的油漆進(jìn)行循環(huán)混合。水性色漆使用的清洗溶劑與溶劑型色漆完全不同，其主要成分是DI水（80%-90%），其余為溶劑AMIN。需要注意的是清洗溶劑的溫度對(duì)清洗效果有較大影響，所以水性色漆的清洗溶劑溫度也是一項(xiàng)需要關(guān)注的工藝參數(shù)，通常保持在4050的范圍內(nèi)。漢高公司是通用汽車公司在北美的水性漆清洗溶劑提供商，隨著上海通用汽車公司在國(guó)內(nèi)率先啟動(dòng)水性漆并且同步將其清洗溶劑的業(yè)務(wù)引入中國(guó)。3.3水性色漆的施工

12、特性鑒于水性色漆含水量高的特性，噴房?jī)?nèi)所有的用具均必須是不銹鋼或塑料，并且不能與其他溶劑型漆系統(tǒng)的用具混用。溫度和濕度是噴房?jī)?nèi)所需要控制的最重要的工藝參數(shù)，建議的溫度是25±2、濕度是65±15%。、水性色漆中最重要的添加劑是流變控制劑(RCA），它通過(guò)與分散的聚合物顆粒交互作用，從而對(duì)流變性能產(chǎn)生重要影響，這使得低固體分的金屬漆可以獲得非常高的反射（Flop）效果，另外RCA可以令單色漆獲得更高的膜厚而不會(huì)發(fā)生流掛或者色差。鑒于這點(diǎn)，水性色漆在實(shí)際的噴涂過(guò)程中，較溶劑型色漆而言，不容易出現(xiàn)流掛現(xiàn)象。水性色漆與溶劑型色漆成分對(duì)比見(jiàn)圖7。在水性色漆中，水的含量超過(guò)了60%，由

13、于水的揮發(fā)熱比溶劑要高得多，所以在施工過(guò)程中溶劑型色漆可以有50%左右的溶劑揮發(fā)，而水性色漆僅僅只有25%左右。這就是我們?cè)谏崾┕ね戤呉院笮枰訜衢W干的原因。水性色漆閃干區(qū)溫度曲線見(jiàn)圖8，整個(gè)閃干區(qū)可以分為3個(gè)部分：首先是一段1-1.5 min的輻射或?qū)α骷訜釁^(qū)，接著是2.5 min左右的保溫區(qū)，最后是1.5 min左右的冷卻區(qū)。評(píng)價(jià)一個(gè)水性色漆加熱閃干烘房是否達(dá)到要求的一個(gè)重要指標(biāo)是經(jīng)過(guò)此閃干區(qū)后水性色漆的含水量，通常要求控制在10%左右，含過(guò)多的水容易引起針孔，含水太少又會(huì)影響清漆的施工。最終含水量的多少可以通過(guò)含水量試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)定，具體方法如下。a.準(zhǔn)備20 cmx20 cm的鋁箔，稱

14、出其質(zhì)量。b.將鋁箔固定于車身的不同部位，通過(guò)自動(dòng)噴涂機(jī)噴涂后進(jìn)入加熱閃干烘房。c.待車身出閃干烘房后取下鋁箔再次稱出其質(zhì)量。d.最后計(jì)算出車身上不同區(qū)域的失水率（要求在90%左右）。上海通用汽車金橋南廠油漆車間按照典型的水性色漆加熱閃干烘房方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，第1段對(duì)流加熱設(shè)定溫度為65，相對(duì)濕度保持在3%-7%；第2段對(duì)流保溫設(shè)定溫度為90，相對(duì)濕度保持在2%以下，車身經(jīng)過(guò)閃干烘房以后失水率在90%左右，車表面溫度下降到30左右。該閃干烘房的爐溫測(cè)試曲線見(jiàn)圖9.點(diǎn)修補(bǔ)的修補(bǔ)工藝基本上與溶劑型色漆的修補(bǔ)工藝相同，修補(bǔ)材料可以直接使用線上的水性色漆，在高溫烘烤的時(shí)候需要注意控制升溫速度，過(guò)快會(huì)導(dǎo)致出

15、現(xiàn)針孔，建議先使用熱風(fēng)吹后再用烤燈進(jìn)行烘烤。4水性色漆質(zhì)量問(wèn)題與溶劑型色漆施工過(guò)程相比，水性色漆存在的最大問(wèn)題是容易產(chǎn)生氣泡和針孔，其根本原因是水性色漆中含有大量的水在施工過(guò)程中無(wú)法及時(shí)揮發(fā)，在烘房烘烤升溫過(guò)程中迅速揮發(fā)產(chǎn)生氣泡或針孔。氣泡和針孔的區(qū)別在于水揮發(fā)過(guò)程中突破清漆漆膜后形成針孔，如果無(wú)法突破就會(huì)形成氣泡，見(jiàn)圖10,圖11。在施工過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)針孔或氣泡，可以從以下幾個(gè)方面去尋找原因。a色漆膜厚過(guò)厚，特別注意邊緣區(qū)域，手工可能會(huì)影響到的外表面區(qū)域、表面漆膜厚度是否均勻等。b.色漆閃干烘房狀態(tài)，經(jīng)過(guò)該烘房后車身表面是否過(guò)濕，可以通過(guò)含水率測(cè)試來(lái)判斷。c.面漆烘房曲線，尤其是升溫段，對(duì)水性漆而言其升溫速度比溶劑型要敏感得多。d.清漆的膜厚是否過(guò)厚。上海通用汽車公司在啟動(dòng)、投產(chǎn)水溶性油漆的過(guò)程中遇到最大的質(zhì)量問(wèn)題是針孔。我們根據(jù)水性漆在國(guó)外成熟的使用經(jīng)驗(yàn)，在通用派駐現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)專家以及材料供應(yīng)商駐廠專家的支持下，通過(guò)對(duì)設(shè)備噴涂參數(shù)的優(yōu)化、油漆膜厚的控制和油漆材料的調(diào)整，最終成功啟動(dòng)并投產(chǎn)。上海通用南廠油漆車間的水性漆供應(yīng)商BASF公司借此機(jī)會(huì)將水性漆產(chǎn)品引人中國(guó)并順利地在國(guó)內(nèi)率先將水性漆國(guó)產(chǎn)化。眾所周知，在目前國(guó)內(nèi)仍然廣泛使用溶劑型油漆的情況下