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水性涂料在工程机械设备行业应用和因素分析
浏览:26次 发布时间:2019-11-13 08:23

水性涂料在工程机械设备行业应用和因素分析

0 引言

水性涂料在涂装行业已经成功应用了十几年。但对机械设备的涂装行业而言,工业水性涂料却还属于比较新的事物。随着国家及各省市对大气污染治理政策、大气污染物排放标准的颁布实施,对VOC排放的控制越来越严格。在此形势下,轨道交通、集装箱、农业机械等行业已经较大范围采用水性涂料替代传统的溶剂型涂料。机械设备行业近年来也对水性涂料进行了应用研究,一些企业已经开始大规模使用水性涂料。另外,水性涂料生产企业也开始关注涂装设备机械行业,针对工程机械设备使用的水性涂料进行了大量的产品研究和开发,许多涂料企业已经开发出专门用于工程机械设备的水性涂料。

但是,工程机械行大面积推广应用“油改水”在涂料成本、工艺性等方面还存在一些困难和不同看法,一些企业拟对环保设施升级改造并继续使用溶剂型涂料,有的企业倾向于高固体分涂料的研究应用。只要废气的排放最终能达到国家和企业所在地的相关标准,采用什么种类的涂料目前并没有强制性规定,但是很多地方大气污染治理政策明确提出要求采用低VOC涂料和试点推行水性涂。本文分析和探讨水性涂料在工程机械行业应用面临的难题和影响因素。

1  工程机械设备涂装水性涂料研究应用现状

水性涂料在工程机械设备涂装行业的研究和应用相对轨道交通、集装箱等行业相对较晚,进展也比较缓慢。2007年以前,对水性涂料在工程机械行业的研究与应用的讨论和报道都比较少。由于水性涂料的工艺性局限以及成本方面的因素,水性涂料在工程机械设备涂装行业并没有得到快速应用,大多数企业停留在观望、研讨和工艺试验阶段,只有极少数企业开展了批量应用。

开展了工程机械设备水性化涂装的应用研究。测试表明,所采用的水性工业涂料与溶剂型涂料相比,能够达到工程机械设备产品的涂装要求。但试验发现水性底漆打磨性稍差,板材厚度大于4 mm 的工件由于热容大、升温慢,面漆下挂时略有黏手。通过5 000台随车起重运输车涂装项目实例分析了水性涂料在工程机械涂装工艺设计中的工艺要点、配套设备要求,并与溶剂型涂料涂装进行了对比。结果表明,水性涂料在涂装设备投入以及涂装的漆膜质量方面与溶剂型涂料相比存在一定差距。但是,认为水性涂料使用成本低廉、对环境无污染,符合涂料发展的方向,将会成为工程机械涂料与涂装的主流。

根据工程机械设备面漆涂装的工艺要求,选择了A、B、C、D 4种不同玻璃化温度的水性羟基丙烯酸树脂制备了不同的水性聚氨酯面漆,并对干燥固化时间、干燥固化过程中起泡的情况、耐候性能及其他物理、化学性能进行了研究。结果表明,当树脂A与树脂B以7∶3的质量比共混复配制备的涂料涂膜整体性能达到了最优,能够满足工程机械要求。

2014年,三一重机有限公司开始进行水性涂料涂装的研究,至2018年,三一重机有限公司昆山园区已有10 条水性涂装生产线 。

随着大气污染治理措施的加强,水性涂料在工程机械设备涂装的应用才得到实质性的进展,部分企业开始进行小批量的试用。从2007年开始,水性涂料在工程机械设备涂装行业研究与应用的讨论和报道越来越多。到了2018年,大多数的工程机械设备涂装企业开始关注水性涂料,加入了水性涂料的应用研究队伍,少数企业开始大批量应用。

水性化涂装是工程机械设备涂装行业发展的趋势,但是推广水性化涂装还存在较多问题,还应进一步进行研究和试验论证,并建议工程机械企业与涂料供应商联合就质量、成本问题进行攻关,待解决存在的问题后再推广应用。

报道了水性涂料在某工程机械产品结构件涂装上应用的成功案例,为工程机械涂装量最大的结构件提供了很好的参考。

指出了水性涂料在工程机械涂装应用过程中需要注意的事项,系统分析了工程机械应用水性涂料涂装线需要进行的改造措施。

水性化涂装应用推广还存在施工性能差、生产成本较高、设备改造成投入高等方面的问题。

讨论了水性涂料对工程机械涂装的影响,提出了水性涂料选择以及涂层体系设计的方法,对大批量切换水性涂料与涂装中易出现的问题进行了研究,并对水性涂装过程中出现的常见涂层缺陷进行了原因分析,提出了具体改善措施。这为工程机械行业采用水性涂料提供了系统的参考。

对水性双组分聚氨酯涂料在大型交通工具和工程机械领域的应用进行了研究。通过对水性双组分聚氨酯涂料的配方、成膜机理等方面的研究指出,由于水性涂料配方设计较为复杂、施工难度比较大,市场不成熟、政策法规还不够完善、行业标准欠缺的原因,水性双组分聚氨酯涂料在工程机械行业的推广应用还有很长的路要走。

将水性涂料与溶剂型涂料的综合使用成本进行了计算对比。结果表明,相同产量情况下水性涂料年使用成本为656.45 万元,比溶剂型涂料的年使用成本367.92万元增加288.53 万元,成本增加较多。到了2018年,水性涂料在工程机械行业应用的报道开始增加,并出现了湿碰湿的水性涂料施工工艺。

2 水性涂料性能

过去,行业标准对工程机械设备涂装质量有一些基本要求,但对漆膜光泽、耐候性、耐水性及耐盐雾性的要求都不高。 

但是,随着工程机械设备的发展,工程机械产品的外观质量已经远远超过以往的标准,各种性能指标都大幅提高,漆膜的耐水性、耐盐雾及耐候性较原行业标准要求提高很多。 

虽然水性涂料在其他行业已经大面积应用,但是不同行业有不同的特点,工程机械产品在结构、功能、用途等方面与其他机械行业产品存在较大差异,因此对涂料性能的要求也有所不同。不过,通过水性涂料企业的提高改进以及工程机械设备涂装的应用表明,水性涂料完全能够满足工程机械产品的涂装质量需求,除个别性能指标外,水性涂料的各项性能均不低于溶剂型涂料。因此,从性能角度而言,水性涂料在工程机械行业是可以放心使用的。

随着涂料生产企业对工程机械产品越来越理解和对工程机械设备涂装的掌握,在水性涂料开发上更具有针对性。同时,随着涂料企业的配方不断优化、生产工艺不断改进稳定,为工程机械行业提供的水性涂料在质量上不断提高并趋于稳定。应该说,为工程机械行业提供高性能的专用水性涂料将不再是难题。

当然,涂装是一种特殊过程,对涂料和工艺的变更都需要进行大量的测试和验证。即使是同样的涂料更换厂家或品牌,其过程也需要一两年。别的行业成功应用的水性涂料未必就能在工程机械行业使用,比如下面要提到的工艺问题。对大多数工程机械企业来说,水性涂料是一种新材料,其性能需要大量的测试、验证,才能谨慎地在产品上进行工艺试验。

3 成本与供给

成本是影响水性涂料在工程机械行业应用的主要因素之一。自2012年以来,工程机械进入低谷期。加上工程机械行业竞争激烈,成本对工程机械就十分重要。水性涂料由于其原料及生产工艺、产能因素,与相同性能的溶剂型涂料相比,价格偏高10%~30%。工程机械产品,尤其是大型挖掘机、大型推土机等产品,体格庞大,涂装用漆量大,采用水性涂料对产品成本影响较大。

当然,随着大气污染治理政策的加严和排放标准的提高,工程机械行业涂装想要达到排放标准就必须升级涂装废气环保处理设施,且升级后的废气环保处理设施投资和运行成本都不会很低。因此,在考虑综合成本时,水性涂料的价格劣势就不再那么明显。

实际上,水性涂料目前成本偏高有供给方面的原因也有需求方面的原因。需求少,研发投入少,生产的就少,生产的少就形不成规模,形不成规模成本就会高,价格高了反过来影响需求。大气污染治理正好提供了打破这种不良循环的契机。虽然有高固体分涂料等替代产品,但还是为工程机械水性涂料需求的增长带来了强力驱动。工程机械水性涂料需求增加,研发投入就会增加,生产工艺就会改进,生产量与供给量就会增加,供给增加一是形成规模效应,有利于降低水性涂料的生产成本,二是形成了市场竞争,因此价格就会有下降空间。近年来,国内外涂料企业及水性树脂企业瞄准了国内水性涂料市场的需求增长,增加了研发和产能投入。2019年3月7日,四川省眉山市彭山区2019年一季度项目集中签约仪式在彭山产业新城举行,此次签约的5个新材料新能源项目包括年产5万t水性树脂项目。2019年3月,德国湛新集团与独山港经济开发区签约,计划在独山港区内建设研发生产基地,项目计划分二期实施,其中一期规划产能为年产10万t高性能工业树脂。2019年2月20日,连云港88个重点项目集中开工,其中包括占地120亩、年产4万t高端油墨、水性涂料及树脂新材料项目。2019年2月14日,由深圳有为化学公司与宜化集团共同投资的光固化新材料产业园开工,该园规划占地2 100亩,将建成2万t光固化引发剂、8万t光固化单体树脂、10万t水性LED光固化涂料。渝三峡A在2018年12月6日公告,与另外两家公司签署了《投资合作协议书》,共同出资设立湖南盛邦新材料有限责任公司,规划建设生产规模为1.5万t/a环保节能型涂料,其中水性工业涂料1.3万t/a,水性石墨烯涂料2 000t/a。2018年12月22日,衡水新光新材料科技有限公司年产10万t水性乳液、5万t水性工业漆树脂项目签约落户安徽明光市。2018年4月4日,广东科德环保科技股份有限公司募资用于“年产6万t水性涂料”项目建设。2018年6月27日,珠江涂料年产1万t水性树脂及涂料生产线正式投产。众多水性涂料项目的开工建设,为水性涂料的供给提供了有力的支撑。

同时,由于溶剂型涂料生产和使用的限制,溶剂型涂料的产能只会减少,不会增加,现有产能也会受到限制,导致价格很难再有下降空间。因此,考虑废气处理等使用成本,工程机械水性涂料的综合成本会越来越低,最终会与溶剂型涂料使用的综合成本持平,甚至低于溶剂型涂料使用的综合成本。

4 水性涂料涂装施工工艺

前面提到,水性涂料涂装在汽车上应用已经十几年了,理论上在工程机械设备设备涂装上应用不该有什么问题。但是,工程机械生产和汽车生产规模不同,涂装工艺不同,涂装设备不同。汽车生产属于少品种大批量生产,涂装生产流水线建设水平高,涂装工艺参数能实现严格控制。而工程机械大多是多品种小批量生产,涂装生产线兼顾产品多,无法高水平建设,在喷漆室温度、湿度等方面大多没有控制措施,部分企业喷漆室送风在冬季会有加热空调,但在夏季基本都没有制冷。水性涂料施工恰恰对环境温度和湿度范围要求较为严格。工程机械设备涂装行业的喷漆室送风由于没有冷暖空调,因此要想将温度、湿度控制在像汽车涂装那样窄的范围是不可能的。而且,工程机械结构件涂装前处理一般都是采用抛丸处理,抛丸清理后直接进入喷漆室喷涂,冬季工件温度与气温差不多,也很难满足水性涂料涂装的使用要求。

显然,直接将汽车行业成熟应用的水性涂料拿到工程机械设备涂装行业来使用是会出现“水土不服”情况的,到了冬季工件温度过低或到了夏季喷漆室温度过高都会造成喷涂质量问题。而且,要想让工程机械涂装生产线按照汽车涂装生产线升级改造是绝不可能的。因此,涂料企业不得不针对工程机械涂装生产线的总体情况开发可满足在已有工程机械涂装生产线使用的水性涂料产品,比如施工的温度、湿度范围更宽的水性涂料。从目前市场上的工程机械水性涂料来看,一些品牌的水性涂料施工温度已经放宽到5~40 ℃。当然,由于温度范围变化大,施工时需要根据不同的环境条件调整施工工艺,不利于涂装质量的控制。

同时,工程机械企业的涂装生产线也必须进行一定的改造,比如在水性涂料还不能在低温条件下施工的情况下增加工件预热,保证冬季低温条件下水性涂料的施工。这一点对工程机械推广使用水性漆的影响很大。这是因为,一些工程机械涂装生产线受到已有工艺布局的限制,想在喷漆室前增加工件预热室几乎没有空间。尤其是一些工程机械的结构件配套生产企业,原有涂装生产线本来建设水平就比较低,想要改造成适用于水性涂料的生产线就更难。所以,工程机械全面推广使用水性涂料的难度也不小。

当然,这也取决于地方环保政策的执行力度。比如,喷漆室一般要求微正压,但是有些地市的环保部门,对辖区内的喷漆室不是负压的都不允许。企业要么关门停产,要么对设备进行改造。

5  环保政策

从政策来看,使用水性涂料将是未来VOC减排的主要方向。2010 年6 月1 日发布的强制性国家标准GB 24409—2009《汽车涂料中有害物质限量》对汽车涂料中VOC 含量进行了限制。2013年9月,国务院印发《大气污染防治行动计划》,明确“在石化有机化学、涂料、包装印刷等行业实施挥发性有机物综合整治,完善涂料等产品挥发性有机物限制标准,推广使用水性涂料”。在2016年6月21日发布的《国家危险废物目录》(2016版)(环境保护部令第39 号)中,水性涂料不再列入。2018年7月3日,国务院下发的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》(国发〔2018〕22号)要求,“挥发性有机物(VOC)全面执行大气污染特别排放极限值”,第二十条为“实施VOC专项治理方案”,明确“重点区域禁止建设生产和使用高VOC含量的溶剂型涂料”。在生态环境部与多个部门和上海、江苏等省市联合下发的《长三角地区2018—2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》中,区域内的各地市都将工业涂装废气列为了治理的重点,将低VOC 含量产品源头替代列为VOC 专项整治主要任务,明确禁止新建、改建、扩建生产高VOC 含量有机溶剂型涂料、油墨和胶黏剂的项目。

《广东省环境保护厅关于重点行业挥发性有机物综合整治的实施方案(2014—2017年)》要求表面涂装行业提高低VOC含量的涂料使用比例,鼓励企业使用水基型、高固分、粉末等低VOC含量的涂料。在《广东省挥发性有机物(VOC)整治与减排工作方案(2018—2020年)》(粤环发〔2018〕6号)列出的工业涂装VOC综合整治名单中,其中就有工程机械。要求工程机械行业推广使用高固体分、粉末涂料,试点推行水性涂料。《山东省“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》明确要求工程机械行业“推广使用高固体分、粉末涂料,试点推行水性涂料。《上海市挥发性有机物深化防治工作方案(2018—2020 年)》提出,工业行业全面推进低(无)VOC 含量原辅材料和产品源头替代,也要求工程机械制造行业推广使用高固体分、粉末涂料,试点推行水性涂料。《福建省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》鼓励重点行业企业开展生产工艺和设备水性化改造,加大水性涂料、粉末涂料等绿色、低挥发性涂料产品使用,加快涂料水性化进程,从生产源头减少挥发性有机物排放。

除了下发打赢蓝天保卫战作战方案,各省市还陆续颁布了有机废气排放的地方标准,许多省市还专门针对工业涂装制定了地方强制性标准,表4是部分已经颁布的涉及到工程机械涂装的地方废气排放标准。

一系列的环保措施及排放标准对传统溶剂型涂料的使用起到了很大的限制作用,反过来大大促进了水性涂料的生产和应用。工程机械涂装也是VOC治理的主要内容,水性涂料又是一种仅次于粉末涂料、电泳涂料的低VOC涂料,因此采用水性涂料是工程机械合规生产、达标排放的一个重要途径。

6 水性涂料的安全、环保优势

6.1 安全与职业健康

2019年3月以来,国内连续发生了数起化工爆燃事故。其中2019年3月21日发生在江苏省盐城市响水县陈家港镇化工园区内江苏天嘉宜化工有限公司化学储罐爆炸事故波及周边16家企业,事故造成78人遇难,500多人受伤。用作溶剂型涂料稀释剂的有机溶剂极易挥发,在运输、储存、使用过程中都存在爆燃可能性,成为安全生产管理的风险点。而水性涂料以水为稀释剂,不存在燃爆风险。因此,选择水性涂料相当于选择了一份安全。

另外,职业健康也越来越受到关注。溶剂型涂料中一般含有苯、甲苯、乙苯、二甲苯、卤代烃、游离二异氰酸酯(TDI和HDI)单体、甲醇、重金属等,这些物质对环境和人体健康安全可以造成严重危害。工人施工需要进行严格的劳动保护。而水性涂料稀释剂以水为主,有机溶剂降低70%以上,水性涂料用水作分散介质,在使用过程中无有害有机溶剂挥发,无苯、甲苯、乙苯和二甲苯等苯类溶剂存在,也无游离二异氰酸酯(TDI和HDI)单体、甲醇和卤代烃存在[29]。这对操作者的危害程度大大降低,职业卫生条件大大改善。从这个角度看,选择水性涂料就是为员工选择健康。

6.2 环保性能

在喷涂的液态涂料中,水性涂料是目前VOC含量最低的涂料。VOC是大气污染治理的重点之一,国家及地方的治理方案中均对VOC制订了专门的措施。因此,低VOC是水性涂料最为突出的优势。虽然行业性标准对水性涂料的VOC含量要求在420 g/L内,但现在许多涂料企业生产的水性涂料VOC可以控制在15%以下,有的甚至在10%以内。因此,为了共同的蓝天,从社会责任角度考虑,工程机械行业应积极主动考虑水性涂料的应用推广。

为了治理大气污染,国家及各省市区均出台了相关治理政策和措施。部分地区在秋冬季对部分企业实行豁免制度,即在大气污染启动黄色预警时,环保治理较好、排放达标的企业可不被强制停产,而环保治理差、排放不达标的企业则被强制停产。水性涂料由于含有的有机溶剂少,因此排放的VOC也十分有限。有的企业采用水帘式吸附,使用水性涂料后VOC无需处理直接排放就能达到当地排放标准[6]。

因此,选择水性涂料也是为了使企业生产不受或少受大气污染治理的影响。

7 结语

尽管水性涂料在工程机械行业的应用仍然处于起步阶段,但是在主要工程机械企业的带动下,研究应用的企业越来越多,为工程机械企业开发生产水性涂料的企业也越来越多。随着大气治理压力的增大,工程机械企业必然会将水性涂料作为替代现有溶剂型涂料一个主要选项。随着水性涂料供给的增加,工程机械用水性涂料在价格上会有所松动。

经过了近几年的探索和近年来的应用证明,水性涂料在工程机械行业的应用是可行的,也是成功的。虽然工程机械涂装水性化还存在难点,但一方面得益于成功经验的推广,另一方面迫于环保治理压力,水性涂料在工程机械行业的应用是一种趋势,而且会不断从整机生产企业推广到配套件生产企业。


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