水性金属涂料的安全设计与使用
文/凤巢
0 前言
随着汽车工业的高速发展，汽车涂料的用量也在不断增长，2014年汽车产量达到2300万辆，涂料使用达到45万吨。金属效应铝粉颜料由于具有随角异色效果及丰富层次感，使人们能够产生一种生梦幻、愉悦、轻快、高档的感觉，广泛应用于汽车金属漆中，据统计在轿车面漆中金属漆的占有比例达到了70%左右。
近几年来环境保护问题成为全人类最关注的话题之一，我国也出台了相关环保政策来控制有机挥发物的排放。2014年《乘用车生产企业准入条件及审查要求》明确规定汽车行业新增涂装线中面涂必须使用水性涂料，原有涂装线也必须在规定时限内进行改装使用水性涂料。2015年2月开始在涂料行业针对在施工状态下VOC高于420克/升的涂料产品征收消费税，对涂料施工环节征收排污费的政策也即将出台，水性涂料的应用将得到快速发展。目前汽车用涂料水性化率已达75%。
当前水性汽车中面涂料一般呈弱碱性，而铝粉颜料在弱碱性条件下可与水发生反应释放出氢气，因此在制备和使用水性金属漆时，必须采取适当的处理措施，预防涂料质量事故和安全事故的发生。
1 水性金属涂料存在安全隐患的原因分析
金属涂料中一般要添加4%左右的金属铝浆。金属铝性能特殊，能与水在一定条件下发生发应。传统溶剂型金属铝粉涂料，由于涂料体系一般呈弱酸性或中性，且体系中没有水分存在，铝粉能惰性存在涂料中，体系稳定。水性涂料以水做溶剂，涂料体系一般呈弱碱性，在此条件下水会与铝粉发生反应，释放出氢气。其反应方程如下：
2Al + 3H20 = Al2O3 + 3H2 (1)
2Al + 6H20 = 2Al(OH)3 + 3H2 (2)
1.1 铝粉变化对涂料质量的影响
铝粉与水反应后，铝粉表面颜色会发黑变暗，最终影响涂膜效果，达不到客户的要求，导致质量事故的发生，铝粉变化后对金属漆外观效果的影响见图表1。
1.2 铝粉变化对安全的影响
金属漆在储存中与水反应生成氢气，会导致容器中的压力增加而“胀桶”，严重的可导致爆炸事故。在使用时，工人在打开油漆桶同时，如果桶内压力过高，过高的压力可导致涂料从包装桶中涌出，甚至出现“冲盖”现象，造成对操作工的人身伤害。
国内多家汽车生产厂都曾经出现过水性涂料出现“胀桶”，开桶时出现“冲盖”现象，幸未没有发生人身安全伤亡事故。
2、金水性属涂料安全稳定性的测定与评价
水性金属涂料的安全稳定性与金属铝粉反应的程度相关，可通过测定涂料在储存中氢气的释放量来评定其安全稳定性。
在涂料配方确定后，需进行放气量的评价。放气实验合格后，方可进行生产和应用。放气量的评价一般有两种方法。一种是失重评价法，一种是气压评价法。
2.1 失重评价法：
通过评价重量的变化来评价涂料体系的安全性。将制得的水性涂料样品装入密闭容器中，称量并记下此时的重量。然后把容器放入40℃的烘箱中，来考察铝粉的稳定性。以5天为一个循环，取出后冷却至标准温度，之后将容器盖轻轻开启，称量此时的质量，与刚放入烘箱时的重量进行对比。三次循环后，差值越大，则说明铝粉释放气体量越大，涂料体系安全稳定性效果越差。
2.2 气压评价法：
通过密闭容器中体系压力的变化来评级涂料体系的安全性。该方法是最常用的方法，测量装置见图表3。原理是：当玻璃瓶中金属涂料中的铝粉和水发生反应放出氢气时，会引起玻璃瓶中的气压增大。因下空气室和玻璃瓶相通，所以下空气室的气压也会增加。因上空气室和大气相通，它的气压在整个试验过程中恒定不变，所以下、上空气室会出现一个压力差。这个压力差会驱使下空气室中的水流向上空气室。通过上空气室中水的体积的变化来测算涂料释放的气体量。选择一定重量的金属漆，在40℃恒温的环境中，收集3-7天气体的发生量，放气量越小，产品安全稳定性越高。
3. 水性金属涂料安全性能设计方案
3.1 通过铝粉表面处理提高涂料的安全性
通过对铝粉进行处理，降低与水的反应活性，从而提高涂料的安全性能。水性铝银浆常用的改性方法为添加阻蚀剂法和包履法。添加阻蚀剂法是在铝粉颗粒的表面以物理方法混合添加剂，在铝片的外层形成保护层，最终阻止铝和水发生反应。阻蚀剂包括脂肪酸阻蚀剂、低分子阻蚀剂、表面活性阻蚀剂和聚合物（高分子）电解质阻蚀剂。包履法是指用物理、化学方法对粒子表面进行处理，有目的的改变粒子表面的物理化学性质，在铝粉的外部形成一层保护层。常用的方法有铬酸盐处理、钼酸盐处理、有机硅改性处理。二氧化硅包覆法的铝粉浆，是水性汽车涂料中使用相对较多的一类。其优点是不会产生氢气或者氢气产生量非常小，但其缺点也明显，价格贵，与涂料中有机物的相溶性差，铝粉的闪烁感差，可选择品种少等。图表4为二氧化硅包覆的铝银浆包覆前后外观闪烁感的差异。
钼酸盐包裹的铝银浆，其包覆层厚度只有二氧化硅包覆层的五十分之一，不会影响铝粉的闪烁感，又比完全依靠聚合物钝化处理的铝粉在放气方面性能要优越。其缺点是价格贵，可选择的范围较窄。
汽车涂料制造商通常根据自身产品的特点，对铝银浆钝化后采用有机物包裹处理，其优点是铝银浆的品种选择丰富多样，铝粉的闪烁感几乎不受影响，缺点是包覆膜与铝颜料表面结合力弱，易脱落，稳定性能差。图表5为含磷酸基聚合物对铝粉的处理示意图。
3.2 控制涂料pH值来提高涂料的安全性能
铝粉与水的反应活性受涂料的pH值大小的影响，某金属涂料在常温下pH值与金涂料放气量对应关系见图表6。
从图中可见，当体系pH控制在6.9-8.5以下，铝粉的反应活性较低，而高于8.5时，铝粉的反应活性随着pH值的上升而快速增加，产生的氢气量对应增加。
水性涂料一般在在碱性条件下才能稳定，因此涂料的pH值最好控制在7.7-8.5之间，此范围内铝粉、涂料皆能处于稳定状态，可有效的提高涂料的安全性能。
3.3 规范涂料运输、贮存条件，减低安全隐患
水性金属涂料的搬运和运输过程中，严禁烟火，避免猛烈碰撞与摩擦。
温度越高，铝粉的反应活性越强，因此水性金属涂料的运输和储存必需使用保温装置，温度最好控制在5-30℃范围内。
为质量和安全起见，一般水性金属涂料的储存期控制在3个月之内。
加强巡回检查，发现有胀桶等异常现象，尽快进行处理，消除安全隐患。
4 包装容器安全性能的设计
4.1 控制包装桶强度
选用具有一定抗压能力的包装桶降低桶内气压增加产生的安全隐患。对涂料包装桶进行加压试验，在密封的包装桶内注入空气，记录不同压力下包装桶的鼓胀变形情况。图表7为钢桶的压力变形测试。
4.2 控制涂料的装填量
根据包装桶的大小和抗压能力，测算涂料允许产生氢气的安全量，选择合适的涂料的装填量，来降低涂料储运中存在的安全隐患。
4.3 包装桶设计安全改进
在包装钢桶桶顶或桶盖上安装防水透气塞，既可密封防水，又可透气泄压。防水透气塞见图8。
5. 涂料使用时开桶的安全规范设计
作业人员要穿上具备防静电性能的工作服，安全靴等作业保护用品。佩戴无照明灯的安全帽，护目镜、面罩或防静电手套等。
作业姿势尽可能伸长手臂，使头部远离涂料桶。尽可能使头部低于涂料桶的上部。
开启有小口的涂料桶时，先缓缓开启小口，再开启大口。开启过程中如有气体喷出的声音，停止操作，声音消失后再继续开启。如果涂料已有胀气现象，又有塑料内衬时，打开盖子后用小刀将塑料内衬划破让气体释放出来。
如果涂料桶没有开口，使用手动工具（禁止使用电动工具）套筒扳手、钳子等缓缓松开桶盖固定环的固定螺栓。同样开罐过程中，如果听到有气体喷出的声音，要停止操作，待喷气声没有后再缓缓打开。不要将固定螺栓完全卸下，只将螺栓拧松，使桶盖固定环松动。从固定螺栓处，将扁平螺丝刀插入桶盖和桶体之间，缓慢向上方翘起使石油桶盖打开一间隙，在螺丝刀和间隙部位上方盖上软布，防止内容物喷出。确认气体排完后，卸下螺栓，打开桶盖。
如果涂料桶发生变型，桶盖固定螺栓无法打开时，在涂料桶上开一小孔。由于涂料桶上部空间充满氢气气体，不能在此开孔，须在涂料桶装有液体的下部手动钻头缓慢开一小孔开孔。
整个作业场所要保持通风，排气通畅。
6 结语
水性金属涂料的安全性是水性汽车涂料必须越过的一道坎。本文通过强化涂料安全性能的设计，包装容器安全性能的设计，制定涂料储存、运输和使用时的安全规范，可有效降低和预防安全事故的发生。只要加强控制和管理，水性金属涂料的安全性是可控的，汽车制造商可放心使用。
