水性涂料工艺研究及应用分析
文/于伟
摘要：从水性涂料理化性能、环保性、施工工艺及施工成本分析等方面，通过与溶剂型涂料对比，得出水性涂料综合性能优良，施工VOC排放降低70%以上，施工环境窗口相对较窄，基本能够满足工程机械行业更高的绿色环保涂装要求。但在工程机械行业现阶段推广应用要综合衡量涂料成本、涂装作业量、环保达标排放指标、涂装线体设备改造投入、VOC末端处理设备投入及运行成本等，以降低涂装综合成本，顺应环保绿色涂装的发展方向。
关键词：工程机械；水性涂料；理化性能；VOC；工艺验证；施工成本
0 引言
在工程机械行业涂装VOC排放管理日趋严格的环境下，政府部门下发文件要求机械设备类使用环境友好型低VOC含量涂料，降低对环境和人体的危害，因此，为达到环保要求，从源头控制和减少VOC排放，持续开发绿色环保工业涂料，并研究其在工程机械行业的应用越来越迫切。高固体分涂料仍属于溶剂型涂料，相比传统溶剂型涂料施工VOC降低约50%，但是其施工黏度高，需要高压设备喷涂，喷涂大型复杂工件不易控制成膜质量；粉末涂料VOC排放基本为零，但前处理要求高，烘干能耗高，比较适用于薄板件和小型结构件。
本文调研的水性涂料是以水作为分散体系，并采用某种施工方式获得具有与溶剂型涂料性能相同或接近的一种涂料，其施工VOC含量比溶剂型涂料降低70%以上，可有效节省涂装VOC处理设备投入及设备运行成本。但水性涂料水挥发物理成膜与化学成膜交替重叠的成膜机制[1]，决定了其施工环境窗口相对较窄，需要进行原溶剂型涂装线体改造或设备更新，因此，水性涂料在起重机械行业的应用需进行综合性分析。
1 水性涂料简介
水性涂料是挥发物主要成分为水的一类涂料，具有不燃不爆，在储运、施工等过程无火灾危险，作业过程中对人体伤害小等优势。我国汽车、客车及其工程制造行业，水性防腐涂料主要有水性环氧类、水性聚氨酯类、水性丙烯酸类、水性无机硅酸锌类、水性醇酸类等，其中起重机械行业应用最成功的是水性环氧涂料和水性聚氨酯涂料。
1.1 水性环氧涂料
目前应用最广泛的水性环氧涂料是水分散型环氧涂料，环氧树脂在水中乳化，其基料是憎水性的环氧树脂，多为双酚A型，固化剂是亲水性的胺类固化剂。水性环氧底漆主要成分包括：水性环氧树脂、颜料、添加剂（水性分散剂、水性消泡剂、水性触变剂、水性流平剂）、成膜助剂（去离子水、醇醚类溶剂）。
水性环氧涂料一般作为底漆使用，为双组分涂料，对于大多数基材的附着力强，适用于钢材、混凝土和铝材等基材表面，底漆成分中要有防闪锈抑制剂，适用期比溶剂型涂料短，重涂性较溶剂型涂料要好。
1.2 水性聚氨酯涂料
水性聚氨酯涂料主要成分包括：水性丙烯酸树脂、颜料、添加剂（水性分散剂、水性消泡剂、水性流平剂）、成膜助剂（去离子水、醇醚类溶剂），固化剂主要为水性异氰酸酯树脂。水性聚氨酯涂料一般作为面漆使用，为双组分涂料，涂膜的柔韧性、机械强度、耐
磨性、耐化学品性及耐久性都十分优异。由于亲水基团的存在，涂膜的耐水性较差，成膜时间较溶剂型涂料长。
2 水性涂料性能检测
2.1 水性涂料理化性能检测
2.1.1 水性涂料试样制备
物理性能试板选用厚度为0.2~0.3mm、尺寸为50mm×120mm的马口铁板，按照GB/T 9271《色漆和清漆标准试板》规定打磨，检查和清洗，然后依据GB/T 1727《涂膜一般制备方法》制备各种涂层，干膜厚度为（20±2）μm，涂膜颜色、光泽、划格附着力试样底面漆各单涂层干膜厚度为（50±5）μm。每种待测漆种制作3块试板，其中2块投入检测，1块用作对比检验，并分别作编号标记。化学性能试板选用厚度为2~4mm，尺寸为70mm×150mm的低碳薄钢板，采用喷砂处理，达到除锈等级Sa2.5级、粗糙度为25~40μm，检查和清洗，然后依据GB/T 1727制备各种涂层，底面漆各单涂层干膜厚度为（50±5）μm。每种待测漆种制作3块试板，其中2块投入检测，1块用作对比检验，并分别作编号标记。
2.1.2 水性涂料理化性能检测
本文调研了起重机械行业水性涂料的应用现状，开展多个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，见表1。
根据表1中水性涂料与溶剂型涂料理化性能指标对比，可得出：在物理性能指标方面，水性涂料相比溶剂型涂料固体分低5%~10%，光泽度低5%，常温表干时间长1~2倍，其余物理性能与溶剂型涂料基本持平；在化学性能指标方面，水性涂料的耐盐雾、耐人工老化、耐湿热性能与溶剂型涂料持平。
2.2 水性涂料施工VOC检测
水性涂料及溶剂型涂料施工状态VOC排放量对比见表２。
由表2可知：水性涂料施工状态下VOC小于200 g/L，属于绿色涂料产品，其环保性能优于常规溶剂型涂料、高固体分涂料。
2.3 水性涂料施工工艺验证
2.3.1 试验流程
按起重机械零部件涂装线工艺流程（清洗→抛丸→清理→喷涂底漆→底漆流平→底漆烘干→冷却→喷涂面漆→面漆流平→面漆烘干→强冷），在涂装线喷涂水性涂料（选用中山大桥、威士伯水性涂料）试验，大型结构件下线后，检测涂膜外观质量（是否有明显流挂、橘皮、针孔、缩孔），24 h后在无明显涂膜缺陷的前提下检测涂膜光泽度、厚度、附着力、硬度等。
2.3.2 检测结果
按照起重机械零部件涂装线工艺流程，工件下线晾置冷却1 h后，观察水性涂膜外观质量及干燥情况，晾置24 h后检测涂膜60°光泽、厚度、附着力、硬度等，检测结果见表3。
根据试验结果可以得出：水性涂料在环境温度≥15 ℃，相对湿度≤75%的条件下，可以按照涂装线工艺流程进行施工，涂膜外观质量符合检测要求。
2.3.3 工艺验证结论
根据起重机械零部件涂装线水性涂料试验过程及结果，采用水性漆工艺主要存在5个方面问题：前处理清洗质量要求较高、喷涂前工件应预热、喷涂环境温度及相对湿度要求严格、喷涂后闪干流平、充分保证烘干温度及时间。水性涂料涂装工艺流程及施工要点见表4。因此，要保证水性涂料工艺要求，需进行现有溶剂型涂装线体设备投资改造。
2.4 水性涂料成本分析
根据涂料施工固体含量、施工密度、施工配比，计算涂料的理论涂布率，并结合涂料单价，计算得出涂料单位面积理论施工成本。水性涂料与溶剂型涂料理论成本对比分析见表5。
通过成本分析对比得出：相比常规溶剂型底漆，水性涂料单位面积理论施工成本增加93.0%；相比常规溶剂型面漆，水性涂料单位面积理论施工成本增加56.8%。
3 结语
本文重点介绍了水性涂料的理化性能、施工VOC排放、涂装施工工艺和施工成本，并与溶剂型涂料进行了对比分析。水性涂料施工环境窗口较窄，起重机械产品采用水性涂料涂装，需对原有溶剂型涂装线体改造或设备更新。但水性涂料施工VOC排放较溶剂型涂料低70%以上，涂装VOC末端排放可根据环保排放指标、生产喷涂作业量，投入小额资金的活性炭吸附或活性炭吸脱附设备处理，而不需要投入大额资金的沸石转轮浓缩+RTO高效焚烧处理设备，可有效节省VOC处理设备正常运行能源消耗成本。
因此，起重机械涂装生产线在现阶段推广应用水性涂料，要基于涂料成本涂装作业量、环保达标排放指标、涂装线体设备改造成本，以及VOC末端处理设备投入及其运行成本等方面进行综合分析。随着水性涂料行业研发的积累和起重机械涂装制造能力的提升，水性涂料逐步替代溶剂型涂料，实现绿色环保制造水平的升级。
