水性涂料工藝研究及應用分析
文/于偉
摘要：從水性涂料理化性能、環保性、施工工藝及施工成本分析等方面，通過與溶劑型涂料對比，得出水性涂料綜合性能優良，施工VOC排放降低70%以上，施工環境窗口相對較窄，基本能夠滿足工程機械行業更高的綠色環保涂裝要求。但在工程機械行業現階段推廣應用要綜合衡量涂料成本、涂裝作業量、環保達標排放指標、涂裝線體設備改造投入、VOC末端處理設備投入及運行成本等，以降低涂裝綜合成本，順應環保綠色涂裝的發展方向。
關鍵詞：工程機械；水性涂料；理化性能；VOC；工藝驗證；施工成本
0 引言
在工程機械行業涂裝VOC排放管理日趨嚴格的環境下，政府部門下發文件要求機械設備類使用環境友好型低VOC含量涂料，降低對環境和人體的危害，因此，為達到環保要求，從源頭控制和減少VOC排放，持續開發綠色環保工業涂料，并研究其在工程機械行業的應用越來越迫切。高固體分涂料仍屬于溶劑型涂料，相比傳統溶劑型涂料施工VOC降低約50%，但是其施工黏度高，需要高壓設備噴涂，噴涂大型復雜工件不易控制成膜質量；粉末涂料VOC排放基本為零，但前處理要求高，烘干能耗高，比較適用于薄板件和小型結構件。
本文調研的水性涂料是以水作為分散體系，并采用某種施工方式獲得具有與溶劑型涂料性能相同或接近的一種涂料，其施工VOC含量比溶劑型涂料降低70%以上，可有效節省涂裝VOC處理設備投入及設備運行成本。但水性涂料水揮發物理成膜與化學成膜交替重疊的成膜機制[1]，決定了其施工環境窗口相對較窄，需要進行原溶劑型涂裝線體改造或設備更新，因此，水性涂料在起重機械行業的應用需進行綜合性分析。
1 水性涂料簡介
水性涂料是揮發物主要成分為水的一類涂料，具有不燃不爆，在儲運、施工等過程無火災危險，作業過程中對人體傷害小等優勢。我國汽車、客車及其工程制造行業，水性防腐涂料主要有水性環氧類、水性聚氨酯類、水性丙烯酸類、水性無機硅酸鋅類、水性醇酸類等，其中起重機械行業應用最成功的是水性環氧涂料和水性聚氨酯涂料。
1.1 水性環氧涂料
目前應用最廣泛的水性環氧涂料是水分散型環氧涂料，環氧樹脂在水中乳化，其基料是憎水性的環氧樹脂，多為雙酚A型，固化劑是親水性的胺類固化劑。水性環氧底漆主要成分包括：水性環氧樹脂、顏料、添加劑（水性分散劑、水性消泡劑、水性觸變劑、水性流平劑）、成膜助劑（去離子水、醇醚類溶劑）。
水性環氧涂料一般作為底漆使用，為雙組分涂料，對于大多數基材的附著力強，適用于鋼材、混凝土和鋁材等基材表面，底漆成分中要有防閃銹抑制劑，適用期比溶劑型涂料短，重涂性較溶劑型涂料要好。
1.2 水性聚氨酯涂料
水性聚氨酯涂料主要成分包括：水性丙烯酸樹脂、顏料、添加劑（水性分散劑、水性消泡劑、水性流平劑）、成膜助劑（去離子水、醇醚類溶劑），固化劑主要為水性異氰酸酯樹脂。水性聚氨酯涂料一般作為面漆使用，為雙組分涂料，涂膜的柔韌性、機械強度、耐
磨性、耐化學品性及耐久性都十分優異。由于親水基團的存在，涂膜的耐水性較差，成膜時間較溶劑型涂料長。
2 水性涂料性能檢測
2.1 水性涂料理化性能檢測
2.1.1 水性涂料試樣制備
物理性能試板選用厚度為0.2~0.3mm、尺寸為50mm×120mm的馬口鐵板，按照GB/T 9271《色漆和清漆標準試板》規定打磨，檢查和清洗，然后依據GB/T 1727《涂膜一般制備方法》制備各種涂層，干膜厚度為（20±2）μm，涂膜顏色、光澤、劃格附著力試樣底面漆各單涂層干膜厚度為（50±5）μm。每種待測漆種制作3塊試板，其中2塊投入檢測，1塊用作對比檢驗，并分別作編號標記。化學性能試板選用厚度為2~4mm，尺寸為70mm×150mm的低碳薄鋼板，采用噴砂處理，達到除銹等級Sa2.5級、粗糙度為25~40μm，檢查和清洗，然后依據GB/T 1727制備各種涂層，底面漆各單涂層干膜厚度為（50±5）μm。每種待測漆種制作3塊試板，其中2塊投入檢測，1塊用作對比檢驗，并分別作編號標記。
2.1.2 水性涂料理化性能檢測
本文調研了起重機械行業水性涂料的應用現狀，開展多個品牌水性涂料的性能研究，基本掌握了水性涂料的理化性能，見表1。
根據表1中水性涂料與溶劑型涂料理化性能指標對比，可得出：在物理性能指標方面，水性涂料相比溶劑型涂料固體分低5%~10%，光澤度低5%，常溫表干時間長1~2倍，其余物理性能與溶劑型涂料基本持平；在化學性能指標方面，水性涂料的耐鹽霧、耐人工老化、耐濕熱性能與溶劑型涂料持平。
2.2 水性涂料施工VOC檢測
水性涂料及溶劑型涂料施工狀態VOC排放量對比見表２。
由表2可知：水性涂料施工狀態下VOC小于200 g/L，屬于綠色涂料產品，其環保性能優于常規溶劑型涂料、高固體分涂料。
2.3 水性涂料施工工藝驗證
2.3.1 試驗流程
按起重機械零部件涂裝線工藝流程（清洗→拋丸→清理→噴涂底漆→底漆流平→底漆烘干→冷卻→噴涂面漆→面漆流平→面漆烘干→強冷），在涂裝線噴涂水性涂料（選用中山大橋、威士伯水性涂料）試驗，大型結構件下線后，檢測涂膜外觀質量（是否有明顯流掛、橘皮、針孔、縮孔），24 h后在無明顯涂膜缺陷的前提下檢測涂膜光澤度、厚度、附著力、硬度等。
2.3.2 檢測結果
按照起重機械零部件涂裝線工藝流程，工件下線晾置冷卻1 h后，觀察水性涂膜外觀質量及干燥情況，晾置24 h后檢測涂膜60°光澤、厚度、附著力、硬度等，檢測結果見表3。
根據試驗結果可以得出：水性涂料在環境溫度≥15 ℃，相對濕度≤75%的條件下，可以按照涂裝線工藝流程進行施工，涂膜外觀質量符合檢測要求。
2.3.3 工藝驗證結論
根據起重機械零部件涂裝線水性涂料試驗過程及結果，采用水性漆工藝主要存在5個方面問題：前處理清洗質量要求較高、噴涂前工件應預熱、噴涂環境溫度及相對濕度要求嚴格、噴涂后閃干流平、充分保證烘干溫度及時間。水性涂料涂裝工藝流程及施工要點見表4。因此，要保證水性涂料工藝要求，需進行現有溶劑型涂裝線體設備投資改造。
2.4 水性涂料成本分析
根據涂料施工固體含量、施工密度、施工配比，計算涂料的理論涂布率，并結合涂料單價，計算得出涂料單位面積理論施工成本。水性涂料與溶劑型涂料理論成本對比分析見表5。
通過成本分析對比得出：相比常規溶劑型底漆，水性涂料單位面積理論施工成本增加93.0%；相比常規溶劑型面漆，水性涂料單位面積理論施工成本增加56.8%。
3 結語
本文重點介紹了水性涂料的理化性能、施工VOC排放、涂裝施工工藝和施工成本，并與溶劑型涂料進行了對比分析。水性涂料施工環境窗口較窄，起重機械產品采用水性涂料涂裝，需對原有溶劑型涂裝線體改造或設備更新。但水性涂料施工VOC排放較溶劑型涂料低70%以上，涂裝VOC末端排放可根據環保排放指標、生產噴涂作業量，投入小額資金的活性炭吸附或活性炭吸脫附設備處理，而不需要投入大額資金的沸石轉輪濃縮+RTO高效焚燒處理設備，可有效節省VOC處理設備正常運行能源消耗成本。
因此，起重機械涂裝生產線在現階段推廣應用水性涂料，要基于涂料成本涂裝作業量、環保達標排放指標、涂裝線體設備改造成本，以及VOC末端處理設備投入及其運行成本等方面進行綜合分析。隨著水性涂料行業研發的積累和起重機械涂裝制造能力的提升，水性涂料逐步替代溶劑型涂料，實現綠色環保制造水平的升級。
