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1 引言
随着涂料工业的发展，涂料的花色 、 品种 、 功能越来越多，分工也越来越细 。 但在涂料的制造和施工过程中因有机溶剂的大量排放而对环境造成巨大的污染 。 为限制有机溶剂的排放，涂料的高固体化 、 无溶剂化 、 水性化已呈日趋壮大之势，业内人士广泛赞同的 “ 4E ” 涂料（ Economy ， Efficiency ， Ecology ， Energy ）即指上述涂料 。 其中，涂料的水性化是近年来发展十分迅速的一个领域 [1] ，但由于水性涂料与溶剂型涂料相比，存在诸多不同：水性涂料以水为稀释剂 , 溶剂型涂料以甲苯 、 二甲苯 、 醋酸丁酯等有机溶剂为稀释剂；在进行喷涂工艺及设备设计时，需要充分了解水性涂料的特点，根据其特点才能设计出科学合理的喷涂工艺及设备 。
2 水性涂料的特点 [2]
水性涂料与溶剂型涂料相比具有低挥发速率 、 高表面张力 、 高导电性 、 腐蚀性以及易产生气泡的特点，导致水性涂料在施工设备和工艺方面与溶剂型涂料相比有所不同 。 水性涂料使用的主要溶剂水与溶剂型涂料使用的一些常用溶剂的特性比较见表 1 。
表 1 水与常用溶剂主要特性对比 [2-3]
水性涂料中水的挥发主要是通过喷漆室的温湿度来进行控制的，而溶剂型涂料可以通过调整稀释剂的挥发速率来调整施工固体含量 。 水性色漆的施工固体含量通常为 20% ～ 30 ％ ，而溶剂型色漆的施工固体含量高达 60% ～ 70 ％ ，因此水性色漆的平滑性较好 。 涂料流变性的控制技术是水性涂料的设计关键，水性色漆的流变特性如图 1 所示 。
图 1 水性色漆的流变特性
当水性涂料喷涂时，在高剪切力的状态下，水性涂料的黏度迅速下降，保证涂料具有良好的微粒化效果；当剪切力消除后，迅速恢复高黏度状态，从而保证了金属颜料良好的定向效果以及抗流挂性能 。 水性涂料与溶剂型涂料相比最大的优点是 VOC 排放量低 。 不同工艺体系的 VOC 排放量见表 2 。 目前欧洲采用 “ 水性中涂 ＋ 水性色漆 ＋ 双组分罩光清漆 ” 的工艺体系较为普遍，从而满足了欧洲对 VOC 排放的标准要求 。
表 2 不同涂装工艺体系的 VOC 排放量对比
3 水性涂料的工艺及设备设计需要注意的一些问题
水性涂料涂装工序与溶剂型涂料基本相同，但在设备选用材料和工艺参数设定上需根据水性涂料的特性进行选取，其典型工艺为：
前处理 [ 上线 → 预脱脂 → 脱脂 → 水洗 1 → 水洗 2 → （去离子水洗 1 ） → （表调） → （磷化） → 水洗 3 → 水洗 4 → （去离子水洗 2 ） → 人工吹水 → 烘干 ] → 强冷 → 喷底漆 → 流平 → 闪干 → 烘干 → 冷却（强冷） → 喷面漆 → 流平 → 闪干 → 烘干 → 冷却（强冷） → 下线
3.1 前处理
各类材料或制品在涂漆以前对其清除各类污物 、 整平及覆盖某类化学转化膜的所有准备工作，统称漆前表面处理 。 漆前表面处理技术是涂装技术的重要组成部分，在整个工艺过程中，需要选用清洗剂 、 表面调整剂 、 磷化剂 、 钝化剂 、 氧化剂等多种精细化工产品，这些化工产品组成复杂 、 性能差异大，如果选用不当或在使用中各槽液得不到很好的控制和管理，反而对涂层质量产生不利影响 [4] 。 由于水性涂料以水作为稀释剂，水的表面张力为 72.6 dyn/cm ，要比一般有机溶剂大，是涂料常用有机溶剂的 2.5 倍（见表 3 ），因而难以浸润底材，易产生缩孔，所以一方面通过在水性涂料生产配方中添加表面活性剂来降低表面张力，提高浸润性能，另一方面，在进行工件的前处理时，对工件表面处理的质量要求更高 。
表 3 涂料常用有机溶剂的表面张力
3.1.1 除油
钢铁表面除油程度要严格按照 GB/T 13312 — 1991 的要求进行检查和控制 。 本方法是用标准 G 型极性溶液滴 2 滴（ 0.1 mL ）在被试表面上，立即用玻璃棒涂成 20 mm × 40 mm 的覆盖面积，将特制的 A 型验油试纸紧贴在溶液膜上， 1 min 后观察变色情况 。 若 A 型验油试纸显色均匀 、 连续完整，即为合格，反之不合格 。 无论对溶剂型涂料还是水性涂料，除油质量的好坏，对产品涂膜的质量都会产生较大的影响，但对于溶剂型涂料喷涂来说，工件表面除油不太彻底时，涂膜外观缺陷不会立即表现出来，但对水性涂料来说，工件表面除油不彻底，在其表面就难以形成完整的涂膜，所以，对水性涂料喷涂来说，前处理质量显得更为重要 。
3.1.2 磷化
磷化膜的检验要严格按 GB 6807 — 1986 进行，可采用 3 ％ 氯化钠水溶液于 15 ～ 25 ℃ 浸渍，或硫酸铜溶液点滴 。 也可以涂漆以后进行盐雾试验来考核 。 硫酸铜点滴液配方如下： CuSO 4 · 5H 2 O 为 41 g /L ， NaCl 为 35 g /L ， 0.1 mol/L 的 HCl 为 13 mL/L 。 水性涂料对磷化膜的要求与溶剂型涂料基本相同，磷化膜必须均匀完整，细密无挂灰 。
3.2 强冷
水的蒸发潜热为 2457.22 kJ/kg ，而涂装常用溶剂的蒸发潜热：二甲苯为 343.2 kJ/kg ，丁醇为 590.2 kJ/kg ，酮类为 343 ～ 444 kJ/kg ，都要比水低得多，所以喷涂同样厚度的涂料对工件的降温作用水性涂料更大一些，因此认为对于拖拉机底盘 、 柴油机等主要由铸件构成 、 涂层以防腐为主 、 对涂装表面装饰要求不高的工件，可以不设强冷 。
3.3 喷（底 、 面）漆
喷涂水性涂料所用的一般空气喷枪与溶剂型涂料相同，但对环境条件（主要是温度 、 湿度）的要求与溶剂型涂料相比存在一定的差别 。 在喷漆室中喷涂水性涂料时，水变成水蒸气体积膨胀 1 244 倍，可以使喷漆室中的湿度瞬间升高，当湿度达到 90% 以上时涂在被涂物上的涂膜会流淌下来 [5] 。 所以，喷涂水性涂料时控制喷漆室的湿度很重要，温度也要保持在不产生流挂和流淌的范围，一般认为，温度在 15 ～ 30 ℃ ，相对湿度在 60% ～ 80% 较为适宜 。 由于水的腐蚀性比溶剂大，喷漆室尤其是循环水处理系统最好采用不锈钢制成 。 喷漆室内的送风必须有适当的调温调湿装置 。 国内汽车涂装喷漆室冬天都可以调温调湿，夏天却很少有调温调湿的，因为需要的制冷量太大，所以很少有送冷风的 。 因此在高温高湿地区，如果使用水性涂料，必须在喷漆室安装中央空调，夏季也需要送冷风，这样才能保证水性涂料的施工质量 。 水性涂料和溶剂型涂料的喷涂环境条件见图 2 。
图 2 水性涂料和溶剂型涂料的喷涂环境条件
3.4 闪干
闪干即涂装后漆膜的流平和溶剂（包括水）的预蒸发过程，其目的是为了防止含有大量溶剂或水分的湿漆膜（水性底色漆中水的含量约为 63% [6 ） ] 突然进入较高温度（ ＞ 100 ℃ ）的烘干炉 。 是否设置闪干工序，闪干时间和温度的具体参数要根据所使用的水性涂料的性能 、 对工件涂层的质量要求和烘干炉要求的温度来确定 。 一般情况下，湿碰湿工艺 、 烘炉烘干温度较高（一般在 100 ℃ 以上，高于水的沸点温度） 、 对漆膜光泽和外观要求较高时，应该设置闪干工序 。 闪干时间的确定，对生产线而言，闪干时间主要受链速影响 。 闪干时间短，涂层内水分和溶剂没有及时挥发出来导致经高温烘烤后出现针孔 、 痱子等缺陷；闪干时间长，漆膜表面过干，涂层容易产生橘皮等缺陷 。 要合理选择闪干时间，但同时需增加加热闪干区，否则容易出现流挂 、 气泡等质量问题 。
3.5 烘干
同喷漆室的设计原则类似，烘干室中由于空气中水分含量较高也会对设备造成腐蚀，所以烘房内壁也需采用不锈钢制造 。 同时，水性涂料中稀释剂的主体是水，水的挥发与喷漆室的温湿度有较大关系 。 当湿度一定时，随着温度的升高，水的挥发速率增加；当温度一定时，则湿度增加，水的挥发受阻；当相对湿度过大时，水分挥发很慢，施工过程中易产生流挂等漆膜缺陷 。 由于水的蒸发潜热大（见表 1 ），是一般溶剂的 5 ～ 7 倍，烘干室的热容量要适度增大 。 同时，水较有机溶剂蒸发慢，致使水性涂料的烘干时间要长，涂膜和被涂物升温不宜过快 。 在水性涂料中除用电泳涂装法所得涂膜，受电渗作用使湿涂膜中的含水量很少，可直接经受高温烘烤外，其它含水量较高的水性涂料涂膜都要靠晾干和分段升温（在 100 ℃ 以下保温一段时间），使涂膜中的水分基本蒸发掉，才升至工艺温度烘干，不然会由于水分在 100 ℃ 时激烈沸腾而产生漆膜弊病 。 水性中涂 、 面漆和溶剂型中涂 、 面漆的典型热对流加热的烘干温度 、 时间变化曲线见图 3 和图 4 。 都有这样的经验，在室外风口晾晒衣服干得快，反之，通风不良干得慢或不能干燥，空气的相对湿度大了，也干得慢 。 这也是水性涂料干燥的原则 。 因而在晾干及烘干室中控制空气的湿度对烘干时间及效果非常重要 。
图 3 水性涂料中涂、面漆的固化 ( 烘干 ) 曲线
图 4 溶剂型中涂、面漆的固化 ( 烘干 ) 曲线
3.6 自动喷涂系统
水性涂料的主要溶剂是水，具有高导电性，如果采用溶剂型涂料通常使用的内部加电式旋杯（见图 5 ），高压静电会从输漆系统泄漏出去，因此水性涂料在应用初期一般使用外部加电式旋杯（见图 6 ） 。
图 5 内部加电式旋杯
图 6 外部加电式旋杯
但由于外部加电式旋杯系统中外置的加电手指容易积油漆，导致清洁频次增加；同时手指对旋杯移动速度和环境湿度较为敏感，会造成油漆利用率降低 8 ％～ 13 ％ ，影响油漆外观质量 。 随着技术的发展，目前内部加电式旋杯已开始在水性涂料喷涂线上使用，在喷涂开始前，油漆从调漆桶吸到储存器，然后与主循环回路断开 。 这样可防止高压静电漏到调漆间去，影响生产和造成危险 。
3.7 输调漆系统
溶剂型涂料的输调漆系统可采用碳钢制成，而水性涂料由于水会使金属生锈而腐蚀，因此水性涂料的输调漆系统必须使用不锈钢材料 。 相对溶剂型色漆而言，水性色漆的输调漆系统更需注重低剪切应力控制 、 稳定的流量以及避免高压系统，高剪切力 、 高流量及高压力均会使水性色漆加速老化，直接影响喷涂质量，如输调漆系统的回压阀和搅拌桨必须采用低剪切力类型，否则将破坏水性树脂的乳化性能；溶剂型色漆在循环系统中的流速要求为 0.3 ～ 0.7 m /s ，而水性色漆的流速则要求为 0.15 ～ 0.40 m /s 。
4 消防及环保问题
4.1 消防问题
水性涂料为不燃物质，溶剂含量占 10% ～ 12 ％ 以下，不含苯 、 二甲苯等，故在设置消防设施时自动灭火消防设施和可燃气体报警装置原则上可不用考虑 。 在喷漆室旁放置一般的灭火器即可 。 但水性涂料的基料树脂仍为可燃物质，积漆干燥后仍存在着火的可能，所以对喷漆室 、 通风管道等设备设施内的积漆也要及时清除，以防积漆燃烧，发生火灾 。 对于水性涂料消防设施技术条件及废气处理的设备设计要求，目前还没有国家标准，建议国家或行业尽快制定相应的标准 。
4.2 环保问题
使用水性涂料后，环保法规中（ VOC ）废气排放要求无需增加设备便可达标 。 但产生的废水需进行多级处理，使 COD 达到排放要求后进行排放 。
5 水性涂料的经济性
同样性能的水性涂料，单价比溶剂型涂料要高一些，但不会太高 。 以某品牌黑色丙烯酸磁漆为例，与某水性涂料性能对比见表 4 。
表 4 某品牌黑色丙烯酸磁漆与某水溶性丙烯酸面漆性能比较
黑色丙烯酸磁漆的单价为 18 元 /kg ，溶剂单价为 10 元 /kg ，而某水性面漆的单价为 25 元 /kg ，以水作溶剂，费用可忽略不计 。
某工件油漆消耗量为： 3 ～ 4 kg ，取 4 kg 溶剂（稀释及清洗）消耗量为： 4 kg × 1/3 ＝ 1.33 kg
油漆成本为 4 kg × 18 元 /kg+ 1.33 kg × 10 元 /kg ＝ 85 元 / 件
水性涂料成本为： 4 kg × 25 元 /kg ＝ 100 元 / 件
水性涂料喷漆室 、 流平室及烘干室所用材质最好为不锈钢，以防止施工过程中湿度大造成设备腐蚀，设备成本较溶剂型涂料设备成本可增加 10 ％ 左右 。 若国家或行业能够颁布水性涂料的消防及环保设施和设备标准，用普通消防设施取代自动灭火系统，水性涂料喷涂线上不设置可燃气体报警装置和废气处理装置，则可减少设备投资 50 万元以上 。 综上所述，水性涂料与溶剂型涂料）在使用 、 材料成本和设备投资方面两者相比，前者略高于后者，但若水性涂料不考虑自动灭火系统 、 可燃气体报警装置和废气处理装置，则两者设备投资基本相当 。 同时，水性涂料具有可回收性，根据工件的特点，一般可回收 10% ～ 30% ，如果再把环保费用 、 工人操作环境大大改善 、 职业病减少等综合因素计算在内，前者使用 、 材料成本还要低于后者，所以水性涂料无论从经济效益还是从社会效益考虑，都是完全值得推广应用的 。
表 5 水性涂料与溶剂型涂料成本比较
6 结语
溶剂型涂料和水性涂料的根本区别在于：溶剂型涂料使用了有毒 、 有污染 、 可燃烧的有机溶剂作为稀释剂，而水性涂料主要使用自来水作为稀释剂 。 尽管水性涂料的性能还需要完善，但代替溶剂型涂料应该是大势所趋 。 水性涂料普及的条件已经成熟，在未来几年，水性涂料大有全面代替溶剂型涂料之势 。 进行水性涂料施工工艺的研究十分重要，本文就水性涂料在进行喷涂工艺及设备设计时需注意的一些问题进行了简要论述，其观点是在进行水性涂料喷涂工艺设计时，对一些水性涂料使用和生产单位及一些相关技术资料的总结，供同行们在进行相关设计时参考 。 |
