涂裝行業(yè)是工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)釋放源中的重點(diǎn)行業(yè)，其VOCs釋放量占整個(gè)工業(yè)源的21.6%，即占整個(gè)VOCs來源的11.9%。中國涂料行業(yè)“十三五”規(guī)劃提出結(jié)構(gòu)調(diào)整目標(biāo)，其中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的目標(biāo)是，到2020年，實(shí)現(xiàn)性價(jià)比優(yōu)良、環(huán)境友好的涂料品種占涂料總產(chǎn)量的57%。水性涂料作為環(huán)境友好涂料的主要品種之一，被廣泛宣傳將用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的系統(tǒng)對比研究。雖然在涂料的VOCs釋放量測定方面，國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，建立了VOCs釋放的經(jīng)驗(yàn)和物理模型，且獲得了許多有價(jià)值的數(shù)據(jù)，但很多研究都是實(shí)驗(yàn)室模擬（小型環(huán)境艙）的結(jié)果。例如，王立鑫等用小型環(huán)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(fā)VOCs（甲苯）和慢揮發(fā)VOCs（丙二醇）散發(fā)濃度的變化。趙金榜把傳統(tǒng)環(huán)氧底漆、聚氨酯面漆與水性同類涂料在溶劑揮發(fā)階段的VOCs釋放量作了比較，發(fā)現(xiàn)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(shè)備用于控制噴漆室溫度、濕度，以及強(qiáng)制水性涂料水分蒸發(fā)的預(yù)烘干設(shè)備，CO2釋放量要比傳統(tǒng)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(nèi)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(bào)道。

本文利用汽車外飾塑料件涂裝線的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過分析2種涂料在涂裝過程的VOCs釋放量和生產(chǎn)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(huán)保性和節(jié)能性進(jìn)行對比，為水性涂料未來在汽車外飾塑料件涂裝領(lǐng)域的推廣提出科學(xué)數(shù)據(jù)支持。此次調(diào)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(chǎn)能分別為42萬件，42萬件和84萬件，水性涂料涂裝線的產(chǎn)能為60萬件。溶劑型涂料的供應(yīng)商為龐貝捷（PPG）、艾仕得（Axalta）、阿克蘇諾貝爾（AKZO）；水性涂料供應(yīng)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(yīng)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(shù)據(jù)均為3條溶劑型涂料涂裝線的算術(shù)平均值。汽車外飾塑料件每件的平均噴涂面積為1.2m2。

1.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(guī)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(jīng)能夠滿足客戶的主流環(huán)保要求。

1.1 涂料中VOCs含量

本節(jié)中VOCs含量的數(shù)據(jù)為各類漆組分中的溶劑和助劑的有機(jī)物含量，未包括樹脂、顏料、鋁粉等組分，因?yàn)闃渲人挠袡C(jī)成分在涂裝過程中不會揮發(fā)。

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(zhì)量水性底漆VOCs含量是溶劑型底漆的15.4%。單位質(zhì)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(jī)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?yàn)樯狍w系使用了更多的溶劑以確保顏料、鋁粉等添加物的溶解，導(dǎo)致溶劑含量相對比底漆多。

1.2 涂裝過程VOCs釋放量

涂裝過程VOCs釋放量如圖2所示。

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(jù)目前行業(yè)現(xiàn)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(jié)果如表1所示。

溶劑型涂料涂裝線RTO入口VOCs濃度為2062.38mg/m3，RTO入口風(fēng)量為20200m3/h；水性涂料涂裝線RTO入口VOCs濃度為1270mg/m3，RTO入口風(fēng)量為24588m3/h。經(jīng)過RTO處理后的出口濃度均達(dá)標(biāo)，因此水性涂料涂裝生產(chǎn)線的環(huán)保性優(yōu)勢未能充分體現(xiàn)。

2.能耗比較

2.1 生產(chǎn)過程能耗

在涂料生產(chǎn)過程中，從配料，研磨分散，調(diào)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(jì)算生產(chǎn)線總能耗時(shí)，把電耗、水耗、燃?xì)夂摹⒄羝亩嫁D(zhuǎn)換成千克標(biāo)準(zhǔn)煤（kgec）。3條溶劑型生產(chǎn)線所用溶劑型涂料在涂料生產(chǎn)環(huán)節(jié)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?xì)夂臑?.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?xì)夂臑?.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?yàn)樗酝苛媳热軇┬屯苛蠈囟瓤刂埔蟾鼑?yán)格，因此在生產(chǎn)過程中水性涂料的缸外會增加恒溫水浴裝置，從而導(dǎo)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?yàn)樗酝苛弦运疄槿軇?，而溶劑型涂料無需水，因此水性涂料生產(chǎn)的水耗大于溶劑型涂料。水性涂料燃?xì)夂氖侨軇┬屯苛系?00%。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(chǎn)過程中差異不大。           

2.2 涂裝過程能耗

涂裝過程能耗如圖4所示。

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?xì)夂臑?.50m3/m2，水性涂料燃?xì)夂臑?.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?yàn)樗恼舭l(fā)潛熱很大，為2260J/g，是溶劑型涂料使用的大多數(shù)有機(jī)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(fā)速率慢，相對蒸發(fā)度是常用有機(jī)溶劑的20%～30%[相對蒸發(fā)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(shè)備或流程（烘房，流平室）來加速水分的烘干。在烘干前需增設(shè)預(yù)烘干（升溫）段，使?jié)衿崮さ牟粨]發(fā)分達(dá)到80%以上，再在高溫下烘干。預(yù)烘干的主要作用是使外飾塑料件表面涂料的脫水率達(dá)到一定程度以便進(jìn)行后續(xù)涂裝，如果不揮發(fā)分小于80%，在烘干過程中水性底色漆的水分轉(zhuǎn)化為氣態(tài)體積膨脹，會將其表面的有機(jī)清漆涂層頂起而產(chǎn)生氣泡缺陷。其次水性涂料的施工作業(yè)性較差，施工環(huán)境溫度濕度范圍較窄。噴漆時(shí)合適濕度為(65±5)%，在空調(diào)系統(tǒng)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(shí)易產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，濕度太低，漆面則會失光。噴漆室合適噴漆環(huán)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(fā)不夠快，會產(chǎn)生流掛現(xiàn)象。為此，要求噴漆室的空調(diào)系統(tǒng)要具備制冷、加熱和純水噴淋加濕功能。綜上，預(yù)烘干和溫濕度調(diào)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(shè)預(yù)烘干（閃干）設(shè)備，導(dǎo)致占用生產(chǎn)面積增大，水的腐蝕性要求噴漆室、預(yù)烘干室采用不銹鋼材料還會導(dǎo)致投資增加。

2.3總能耗

溶劑型涂料總能耗（生產(chǎn)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(chǎn)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(shè)預(yù)烘干工序且底漆、色漆、清漆噴房后均設(shè)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(zhì)量導(dǎo)致了水性涂料的總能耗大于溶劑型涂料。

3.結(jié)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(xiàn)了水性涂料本身的環(huán)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(dá)標(biāo)。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(shí)要充分考慮到包括能源消耗和碳排放這些因素，同時(shí)還應(yīng)考慮其他環(huán)境友好型涂料在我國的使用可能。在政策引導(dǎo)方面也可以綜合考慮各種涂料的環(huán)保性和節(jié)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(huán)境友好型涂料也可以是今后發(fā)展的重要方向。特別是高固體分涂料，其對設(shè)備環(huán)境要求不像水性涂料那么高，對現(xiàn)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(nèi)大量的有環(huán)保要求進(jìn)行溶劑型老線改造的企業(yè)來說，也可以作為一個(gè)潛在的替代方案進(jìn)行探討。

我國是汽車大國，在現(xiàn)階段大規(guī)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(guān)各環(huán)節(jié)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(guān)的樹脂、各種助劑以及其他材料在水性化方面共同發(fā)展提高其環(huán)保性的同時(shí)，進(jìn)一步提升其節(jié)能性。

本文轉(zhuǎn)載 《涂料工業(yè)》