水性汽车涂料应用浅析

作者:周 全 文章来源:东风商用车有限公司 发布时间:2014-10-27
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随着环保、节能要求的不断提高,汽车涂料呈现出高固体分化、水性化及粉末化等发展趋势。本文结合当前汽车及零部件涂装用水性涂料的开发与应用情况,介绍了阴极电泳涂料、水性金属漆以及水性防腐涂料的特点以及在实际应用中需关注的问题。

水性涂料是以水为溶剂或分散介质的涂料。我国化工行业标准《汽车用水性涂料》中规定的适用范围是以水为主要分散介质,用于汽车外表面起装饰和保护作用的原厂涂料(不适用于电泳涂料),且涂料在施工状态下挥发性有机化合物(VOC)含量(扣除水后)小于420g/L,或涂装过程中VOC排放量小于35g/m2的汽车用水性涂料。按照常规汽车涂装工艺分类,水性汽车涂料应包括电泳涂料(阴极电泳涂料和阳极电泳涂料)、自泳涂料、水性(浸涂或喷涂)防腐涂料、水性中涂、水性面漆(水性金属漆)、水性清漆以及水浆状粉末清漆等品种。

我国汽车车身底漆以及零部件涂装采用阴极电泳涂料现已普及,近年来在很多新建或改造涂装线上各类水性汽车涂料也逐步得到推广应用。但是在显著降低VOC排放的同时,水性汽车涂料也带来了能耗增加、成本上升和管理精细化等诸多挑战。结合当前汽车及零部件涂装用水性涂料的开发与应用情况,本文简要介绍了阴极电泳涂料、水性金属漆、汽车零部件用水性(喷涂)防腐涂料的特点,并对当前实际应用中需关注的问题进行了总结。

阴极电泳涂料

阴极电泳涂料由于具有一系列的优点,一直为汽车涂装领域所重视。为了满足相关产品涂装高品质、低成本的要求,同时适用于更多的产品涂装,现在的阴极电泳涂料在技术上已经取得了较大突破。

薄膜超高泳透力阴极电泳涂料的开发目的是降低电泳涂料的消耗,具体的要求是在保证车身内表面及空腔泳涂质量的同时,车身外表面膜厚明显降低,不仅可以减少涂料消耗,也可缩短电泳时间。通过改变树脂体系、提高湿漆膜电阻以及优化工作液固体分与颜基比等手段,新型阴极电泳涂料在车身内表面膜厚达到不小于10mm的同时,车身外表面膜厚可低至15~18mm,而且电泳涂层的外观质量与防腐性能均可满足汽车涂装的质量要求。薄膜超高泳透力阴极电泳涂料的颜基比偏低,其对车身漆前处理质量要求严格,脱脂、磷化或水洗不良均极易造成电泳涂层出现缩孔、针孔、条纹或颗粒等弊病。薄膜电泳涂层的打磨工艺也应进行优化,以不打磨或少打磨为目标,应特别关注由打磨引起的电泳涂层减薄,不允许出现边角等部位“打穿”现象。以氧化锆技术、氧化锆硅烷复合技术为代表的新型前处理技术与薄膜超高泳透力阴极电泳涂料配套,可以有效改善车身内腔的泳涂效果,但在不同底材(如冷轧钢板、热轧钢板、镀锌钢板和铝板)上,两者配套的最佳施工工艺仍待进一步探索。

以环氧树脂为主的阴极电泳涂料的防腐性能较好,但耐候性能较差。随着汽车涂装品质的不断提升,部分采用阴极电泳涂料涂覆的零部件或总成,不但要求达到较高的防腐蚀性能,还要求必要的耐候性能。

为提高涂层耐候性能,主要的技术路径是开发分层电泳体系,该体系的主体树脂为两种或多种树脂组分的混合物,其中一种树脂是环氧树脂,还有就是耐候型树脂。在电泳漆膜固化过程中,由于不同树脂间表面张力存在差异,可使漆膜自发形成多相的涂层结构,进而得到分层结构的涂层。耐候型树脂在上层具有高耐候性能,环氧树脂在下层具有高防腐性能。为保证分层涂层体系的防腐性能与耐候性能,选择具有适当表面张力差的树脂组分并稳定控制涂层的双层结构和性能是其技术难点。为了发挥各涂层的基本性能,在施工中,工件电泳漆膜的厚度应较常规阴极电泳涂料偏厚,最佳膜厚以不小于28~30mm为宜,这是保证此类底面合一型阴极电泳涂料性能的关键。

近年来,汽车零部件对涂层的防腐性能要求也在逐步提高。一些铸件或热轧板材零件,表面经喷砂或抛丸处理后具有一定的表面粗糙度,采用常规阴极电泳涂料难以满足防腐要求,主要问题是电泳漆膜偏薄,容易出现大面积“点锈”。开发的厚膜型阴极电泳涂料主要是通过不同玻璃化温度的多种树脂配合,并通过添加特殊的高沸点助溶剂,使其具有一次性成膜厚并且工作液参数稳定等特点,还可以弥补磷化处理不良的部分,电泳槽液经长时间运行后仍能保持较好的漆膜外观与厚度。表面粗糙的铸件或热轧板材零件,采用厚膜型阴极电泳涂料才能实现效果良好的涂覆,改善尖角及锐边部位的防腐性能,避免漆膜过早出现不同程度的“点锈”,较为适宜的电泳漆膜厚度是不小于零件表面粗糙度Ra值的3~4倍。这种电泳涂料在施工中也可以通过调整工艺参数(如工作液温度、电泳电压和电泳时间等)实现膜厚在中厚膜、厚膜范围进行调节。对于某些零部件涂装后有严格装配(通止规)尺寸要求的,应考虑对装配(螺纹)孔在前序加工时适当放大规格尺寸或考虑进行适当防护。

水性金属漆

溶剂型金属漆是汽车涂装过程中VOC排放的最大来源,随着环保法规的日趋严格,开发水性金属漆是必然选择。各类新型免中涂工艺的开发与应用,也促进了水性金属漆的普及。

由于水的特性与有机溶剂有很大不同,造成水性金属漆与溶剂型金属漆存在明显差异。水性金属漆与溶剂型金属漆相比具有表面张力大、挥发速率低、电阻低和腐蚀性强等特点,在涂料的制备与应用中需采取如下措施:通过调整树脂的极性,选择配套的有机溶剂,使用表面调整剂和界面活性剂等来降低其表面张力,改善其对底材和颜料的润湿性;由于水的挥发速率低,为使水性金属漆漆膜湿度小于10%(喷涂罩光清漆之前的要求),线上必须采取强制加热法加速进行涂层水分挥发;喷涂溶剂型金属漆的静电喷涂设备由于水性金属漆导电,无法接上高压,并不适用于水性金属漆的静电涂装,通常采用外部加电方式和输漆系统与喷枪之间绝缘(设置绝缘中转漆罐)两种方式;由于水会造成金属腐蚀,引起设备损坏等问题,因此水性金属漆的贮漆容器、输漆管路以及相关部件须采用不锈钢材质,并经过化学钝化处理。基于水性金属漆的特性,为获得优质的装饰涂层,还需严格控制喷涂环境的温度和湿度恒定在最佳范围,温度(25±2)℃,相对湿度65%±5%。而我国地域辽阔,气候条件复杂,喷漆室夏天送冷风一般需要的制冷量较大,能耗问题较突出。综上所述,水性金属漆的应用在材料成本、设备投资以及能源消耗等方面都高于溶剂型金属漆。

应该看到,尽管较多因素制约着水性金属漆的应用,但随着喷漆室循环风技术、热泵技术、免中涂工艺以及冷却降湿闪干技术的推出,环保型水性金属漆的应用已是大势所趋。水性金属漆的应用在关注输调漆系统、自动喷涂系统、涂层闪干系统以及喷漆室环境温度湿度控制系统等设备运行特征的同时,还应在免中涂工艺实施中关注电泳涂层的表面粗糙度和溶剂型罩光清漆(单组分或双组分)的漆膜厚度及外观丰满度。

目前,水性金属漆开发的重点是:尽可能扩大其施工环境的温度与湿度范围;改善水性金属漆贮存与运输的适应性;推动关键原材料国产化,进一步降低水性金属漆的材料成本。

零部件用水性防腐涂料

本文所指汽车零部件主要包括发动机、变速器和车桥等动力总成零部件,以及以钢板弹簧、传动轴和减振器等为代表的汽车底盘零部件。这些汽车零部件由于产品的特殊性(热容量大、含橡塑件或油脂),大多采用低温(80℃左右)烘干型涂料。同样是基于环保的要求,越来越多原来使用溶剂型防腐涂料的汽车零部件涂装线正在逐步更换为水性防腐涂料。与水性金属漆追求装饰性不同,水性防腐涂料对外观要求不是很高,主要是防腐性能要满足质量要求。

水性防腐涂料对工件的表面清洁度要求较高,因此对前处理(脱脂或磷化)要求更加严格。水性防腐涂料的施工环境也没有特别严格的温度湿度要求,但湿度太大易造成漆膜流挂、干性不良和起泡等问题,一般可以通过加强通风和设置低温梯度烘烤来解决。为了实现水性防腐涂料在汽车零部件上的“厚涂”,涂料喷涂前不建议稀释,喷涂也多建议采用高压无气喷涂方式。

目前,在这一领域使用较多的品种是单组分丙烯酸改性环氧涂料。由于以水作为分散介质,漆膜中含有亲水基团,所以水性防腐涂料涂层耐水性较差,尽管可以通过助剂、助溶剂等得到改善,但与溶剂型产品相比仍有较大差距。受制于环氧酯氧化交联反应,漆膜的初始硬度仍有待提高。

开发水性防腐涂料的目的不仅是减少VOC排放,更是在于低毒或无毒化的环保需要。有的水性防腐涂料产品为了改善涂膜性能,超标使用含铬或铅等重金属的化合物,在环保上打了折扣。同时,水性防腐涂料中有机胺散发的刺激性气味以及涂料过喷漆雾的处理效果也应引起大家足够的重视。

结语

我国涂料行业“十二五”规划指出,涂料行业发展的思路是大力发展以水性涂料为代表的环境友好型涂料。随着国家对汽车清洁生产的日渐重视,大力推进我国水性汽车涂料的开发与应用,迫切需要涂料企业、涂装设备企业、高校、科研院所以及汽车企业等多方合作,联合攻关,争取早日推出一批具有自主知识产权、性价比高且涂装适用性良好的水性汽车涂料产品,并实现工业化应用。

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