新能源客车环保型涂装新工艺、新设备应用介绍

现代涂料与涂装 2018-06-03 14:49:58

经久艳, 朱 广

(比亚迪汽车工业有限公司,长沙 410116)


摘要: 介绍了新能源客车涂装过程中已成功应用的环保新工艺及新设备,包括水性漆工艺、性能、施工注意事项、配套设备;无氟全水基喷涂软质发泡的特点、性能、施工设备以及玻璃钢预浸料制作工艺。

关键词: 新能源客车; 水性漆; 涂装设备; 工艺; 环保


0 引言

  对于汽车行业的发展,采用新能源、环保型新工艺、新设备,如今不再仅停留在概念化、口号化程度上,已经到了真真实实的生产应用阶段,其中水性化已经成为当前涂装行业走环保化的一个趋势与标志。

  比亚迪集团自1995年成立以来,一直秉承比亚迪 “三大绿色梦想”,不断探究、创新,立志以中国科技创新造福人类、荣耀世界;致力于环保型新能源、新材料、新工艺、新技术、新设备等的研究与应用。在清洁能源、清洁生产方面,比亚迪不仅是梦想者,更是坚定的践行者:客车制造采用比亚迪具有全球领先技术的铁电池清洁能源为动力源,在生产中使用的化工物料尽最大可能的水性化、低污染化;在常规客车制造中污染最大的涂装生产板块,比亚迪率先采用了水性漆、无氟全水基喷涂软质聚氨酯发泡、水性抗石击涂料、水性除油剂以及玻璃钢预浸料制作等环保型新材料、新工艺及新设备。本文根据工作实际,对已经批量应用的主要环保型涂装新工艺及新设备进行系统整理,以期对行业的快速发展起到良好的指引与借鉴作用。

1 水性漆应用

  目前国内外客车车身涂装使用的底、中、面漆主要为溶剂型涂料,行业内普遍称为油漆;对于水性漆的研究、试用,从调研信息可知,国内同行也已做了大量的工作,部分客车同行也进行过小批量试用、试生产,以做技术力量的储备,对于批产性的底、中、面全套水性漆的应用,鲜有报道。

  比亚迪汽车工业有限公司自2010年开始,联合比亚迪汽车工程研究院、涂料厂家杜邦(现更名为艾仕得)、PPG、阿克苏等,以及涂装设备公司一起对水性漆的性能、工艺、施工条件等进行了大量的实验室验证、试用, 2012年底开始进行水性漆的批量应用。

1.1 水性漆工艺方案介绍

1.1.1 工艺方案1

  1)工艺流程

  前处理→喷涂水性底漆→底漆干燥→刮原子灰→原子灰干燥→打磨原子灰→喷涂水性中涂(使用底漆或专用中涂漆)→中涂干燥→中涂漆找补→中涂漆打磨→第二次中涂喷涂与干燥、打磨→喷涂水性底色面漆→面漆干燥→喷涂高固含溶剂型清漆→清漆干燥。

  2)底漆、中涂漆、面漆采用水性漆,清漆采用溶剂型漆。为有效降低溶剂排放量,满足清洁生产的排放要求,清漆采用高固含溶剂型清漆。该工艺方案在原材料指标上和有机废气(VOC)产生量指标上,可以达到HJ/T 293《汽车制造业(涂装)清洁生产标准》中的一级标准,具体见表1 ~ 2。


  该工艺方案使传统客车涂装中溶剂含量高的底漆、中涂漆、面漆皆采用了水性方案,而溶剂含量相对较少的清漆则采用了高固含量的溶剂型漆,有效降低了整个涂装过程的VOC且保障了良好的喷涂效果和涂层性能。

1.1.2 工艺方案2

  1)工艺流程

  前处理→喷涂溶剂型底漆(部分有条件的厂家采用电泳底漆)→底漆干燥→刮原子灰→原子灰干燥→打磨原子灰→喷涂水性中涂或溶剂型中涂漆→中涂干燥→中涂漆找补→中涂漆打磨→第二次中涂喷涂与干燥、打磨→喷涂水性底色面漆→面漆干燥→喷涂溶剂型清漆→清漆干燥。

  2)只有中涂漆、面层采用水性漆(部分厂家水性漆方案只有面漆为水性漆),其余涂层仍采用溶剂型漆(如巴斯夫、阿克苏、PPG工艺方案),这种工艺方案也是目前国内4S店修补所普遍采用的工艺。但该方案仅将溶剂含量较高的面漆层/中涂层采用水性化,其他涂层仍为溶剂型,不能有效降低整个涂装过程中的VOC排放。

1.1.3 工艺方案3

  1)工艺流程

  前处理→喷涂水性底漆→底漆干燥→刮原子灰→原子灰干燥→打磨原子灰→喷涂水性中涂(使用底漆或专用中涂漆)→中涂干燥→中涂漆找补→中涂漆打磨→第二次中涂喷涂与干燥、打磨→喷涂水性底色面漆→面漆干燥→喷涂水性清漆→清漆干燥。

  2)该工艺方案采用了全水性化,在现有客车涂装方案中VOC最低,但该工艺中的水性清漆和溶剂型清漆的实际测试结果表明,在光泽、硬度、耐水性等方面水性清漆相对稍差。后续实际应用中未大批量采用此方案生产。

  综合以上3种工艺方案的环保效果、涂层性能、现有设备条件下的施工性,考虑到现有水性漆技术水平,保障产品质量第一,我们主要采用工艺方案1,并持续对工艺方案2、3进行研究性的验证工作。 

1.2 整车应用工艺实例(工艺方案1)

1.2.1 前处理

  前处理工序和现有的溶剂型油漆的前处理工序一致:除油、打磨、二次除油。主要的区别在于二次除油时,使用水性漆专用除油剂3920。

1.2.2 底漆的调配与喷涂

  准备:提前把涂料放置在物料准备区内,保持涂料温度为18 ~ 28 ℃。注意当涂料仓库温度在18 ~ 28 ℃,则不需进行涂料温度的调节;如果涂料和喷涂温度相差较大时,需提前进行温度调节2 h以上,使涂料温度和施工温度尽量保持接近。

  喷漆室温、湿度:温度18 ~ 25 ℃,相对湿度55% ~ 65% (满足水性漆最佳喷涂条件:温度18 ~ 28 ℃,相对湿度35% ~ 70%)。

  喷涂工具:上壶1.3 mm口径空气喷枪(SATA)。

  正常温度烘烤干燥前,需对表面进行低温、大风量吹扫10 ~ 15 min。

  施工参数具体见表3。

  水性底漆的喷涂和溶剂型底漆的喷涂状态有较大的不同。第一道水性漆喷涂需1/2 ~ 1/3压枪,走枪速度稍快,进行薄喷,涂层盖住基材,但不需要继续喷涂。第二道喷涂按照正常走枪速度喷涂(同油性漆),随着水性漆的润湿、表干过程的动力,水性漆可以慢慢流平成膜,否则按照油性漆的喷涂习惯与判断标准,很容易造成膜厚过厚、流挂。


1.2.3 刮灰填平、干燥、打磨

  原子灰刮涂、干燥、打磨同常规油性漆涂层上的原子灰的相应施工工艺。

1.2.4 中涂喷涂

  喷漆室温、湿度:温度18 ~ 25 ℃,相对湿度55% ~ 65% (满足水性漆最佳喷涂条件:温度18 ~ 28 ℃,相对湿度35% ~ 70%)。

  喷涂工具:上壶1.3 mm口径空气喷枪(SATA)。

  水性中涂采用的是和底漆相同的EP300水性漆。

  因中涂层表面进行找补,为遮盖原子灰印,提高涂层质量,找补原子灰、干燥打磨后进行第二次喷涂中涂层。正常温度烘烤干燥前,需对表面进行低温、大风量吹扫10 ~ 15 min。

  施工参数具体见表4。


1.2.5 底色面漆与清漆喷涂

  喷漆室温、湿度:温度18 ~ 25 ℃,相对湿度55% ~ 65% (满足水性漆最佳喷涂条件:温度18 ~ 28 ℃,相对湿度35% ~ 70%)。

  喷涂工具:上壶1.3 mm口径空气喷枪(SATA)。

  施工参数具体见表5 ~ 6。


  清漆为高固含溶剂型清漆,喷涂方法同现有的清漆喷涂。

1.3 水性漆应用的主要特点与注意点

1.3.1 对施工环境的温度、湿度的要求相对较高,适合施工的温湿度范围较窄

  因为水性漆挥发速率主要由温度、相对湿度控制,温度低、相对湿度高时,水的蒸发速率很低。因此,喷漆室的相对湿度和温度必须控制在一定范围内,以确保喷漆雾化过程中适量的水挥发掉,并且使水和有机溶剂在涂膜中保持适当平衡。所以水性涂料在施工中需要对温湿度进行控制,一般喷漆室的温度控制在18 ~ 28 ℃,相对湿度控制在35% ~ 70%之间。

  同时需要注意的是,对于喷漆室的温度区间,不是允许在喷涂时温度可以在整个区间内变动,主要是考虑冬季、夏季温度过低、过高时,需保障喷漆室内的温度在该区间的上下限范围内,设定好温、湿度后,温度的波动尽量保持在±1 ℃,实际生产中建议最多波动也要在±3 ℃之内。同样,相对湿度的波动范围尽量控制在±5%之内。

1.3.2 施工过程中送排风风速的要求

  在常规油性漆的喷涂施工时,手工喷涂时的风速要求一般为0.38 ~ 0.65 m/s。水性漆因具有较大的蒸发热、空气中水气分压,其挥发速度相对缓慢,在喷漆前及喷漆层间闪干时及在烘干室正常温度烘干前,需加快漆膜的干燥从而使水性漆的施工节拍尽量和油性漆的施工节拍保持相近,故在施工时对风速进行程序调节,进行大风量和正常风速之间的联动与切换。

1.3.3 干燥中的注意点

  水的高蒸发热和热容值使水性漆中水的蒸发较慢(水与有机溶剂的物理性能对比,具体见表7)。溶剂型漆中约50%的溶剂在喷涂雾化中挥发掉,而对于水性漆仅约为25%。在水性漆喷涂过程中尤其要注意漆膜的表干情况。对于高温水性漆来说,在涂层表干时必须设置低温加热区将水从涂层中强制挥发出去,以免最终烘烤时沸腾的水穿透漆膜挥发出来影响漆膜外观。对于客车涂装所使用的低温烘烤水性漆来说,同样需进行低温预烘烤,便于水分在漆膜固化前挥发,可以获得良好的涂装效果。

1.3.4 水性漆涂装时容易产生的缺陷和漆膜弊病

  由于水的表面张力大,故水性漆的表面张力也较大,涂装时容易产生流挂、流平性差、缩孔等缺陷和漆膜弊病,同时不容易深入被涂物表面的缝隙、凹坑中。这些水性漆容易出现的问题,主要是由水性漆的溶剂——水的特性造成的,因水的特性和传统油漆的有机溶剂的特性有较大的差异,同时也造成了习惯于油性漆的喷涂工对水性漆喷涂需要一定时间的适应。水性漆的分散介质——水和油性漆的分散介质——有机溶剂之间的主要不同及对水性漆的影响见表7。

1.4 水性漆测试标准与测试结果

1.4.1 水性漆的测试标准

  根据水性漆的特性,并结合油性漆膜测试标准,编写了水性漆性能测试标准(商定)。

  新编制的水性漆试行标准,具体见表8 ~ 9。

1.4.2 水性漆的测试结果

  根据水性漆测试标准,分别采用马口铁试板、铝板针对水性底漆、全水性复合涂层、水性底、中、面与溶剂型清漆复合涂层的性能进行测试。具体见表10 ~ 12。

1.5 水性漆应用的配套设备

1.5.1 水性漆的运输与贮存

  水性漆对温度很敏感,如果在低于冰点的温度运输贮存时会改变涂料的溶解特性,导致其中的活性物质沉淀、不均匀。并且此过程是不可逆的,即使经过加温处理,水性漆不会恢复到均质状态,其特性将被破坏。而温度过高,水性漆容易变质。因此,水性漆运输和贮存都需要控制温度,一般在5 ~ 35 ℃。在运输环境达不到该温度区间时,需要有加热或冷却装置来进行控温。物料到库进行库存及在涂装车间物料室存放也同样需保持在该温度条件,一般情况下,库房配备防爆型空调进行控温,并注意避免阳光直射。

1.5.2 喷漆室

  为满足水性漆施工对温、湿度的要求,需对温、湿度进行控制,故水性漆的喷漆室皆配置了恒温恒湿空调送风系统。

  主要结构组成为:进风段、初效过滤段、中间段、天然气加热段、表冷除湿段、循环水喷淋加湿段、二次加热(除湿,配热水锅炉)、风机段、中效过滤段、消音段、均流段、送风段、风阀等,其中降温使用的冷却水来源于冷却塔。

  同时,由于水性漆中分散溶剂——水的挥发速率较小,为加速水分挥发、缩短水性漆层间闪干时间,并顾及水性漆正常喷涂时的风速及能耗,采用增加水性漆吹扫装置和喷漆室正常供风进行结合。水性漆喷漆室的风速控制采用程序设定并对两种方式的供风进行程序联动控制。水性漆吹扫装置见图1所示。


  根据水性漆对喷漆室的影响与要求,喷漆室内壁及风道等要求使用不锈钢材质。

  为增加喷漆室的使用年限,喷漆室下方的循环水池材料也要求使用不锈钢材质。

1.5.3 烘干室

  烘干室采用天然气加热,利用热风循环方式对车体进行加热烘干,循环方式应利于顶部和侧面涂层的干燥。要保证车体受热均匀,设计考虑节能措施(如内循环风道等),以达到节能、环保、安全目的;同时,为了便于水分在漆膜固化前更好地从涂层中挥发出来,避免气孔、针孔等缺陷,在漆膜固化前需进行低温烘烤,因此,烘干室需要在达到涂层固化需要的温度前有一个低温烘烤阶段进行预热,以便于漆膜中水分在漆膜固化前充分挥发出来,获得良好的涂装效果。另外,烘干室的温度和温度的保持时间可根据各种漆的特性设定、可调。

  一般情况下,低温烘烤段预热是通过风管风阀将一定温度的热风送到顶部的局部送风吹扫装置,预热3 ~ 15 min(升温3 ~ 15 min,根据底漆、中涂、面漆、清漆的工艺设定)。送风吹扫装置由不锈钢风嘴、轴流风机、进风过滤棉和壳体等组合而成,补偿室内风量和热量,对工件表面涂层可从不同的角度进行蒸发。每套配置2台轴流风机,风量1 600 m3/h,电机功率160 W,保证风管内流速达0.7 m/s左右。热风源取自三元体,各自对应。但考虑到各厂家的水性漆的施工性能上的差别,在对烘干室升温、控温的区间范围进行了放大,并要求控制程序上的联动。

  同水性漆对喷漆室的影响和要求一样,对于烘干室内壁及循环风道等,要求使用不锈钢材质。

2 无氟全水基喷涂软质发泡

2.1 无氟全水基喷涂发泡的特点

  1)普通聚氨酯施工过程中毒气味大,对施工人员伤害大。无氟全水基喷涂发泡是新型软质水基发泡材料,100%以水为发泡剂,不含氟化物、惰性气体及其他对大气环境和人体健康有害的物质,施工过程中及完成后无任何有害挥发物释放,现场喷涂没有飞溅,施工简便,满足当前社会对绿色环保的要求。

  2)施工简便快捷,基层面不须作特别处理,不须再作找平层。基层面潮湿不会影响其粘接性。施工进度快,可节省大量的保温隔热层施工时间。冬季施工没有任何影响,无论是-40 ℃的低温,还是45 ℃的高温,或车体有些潮湿都可以进行施工,且泡沫保温隔热性能不会降低。使用专用设备进行配比、加热、混合及喷涂,施工受人为因素影响小,质量得以保证。

  3)具备弹性变形能力,可随车辆外围护结构热胀冷缩而弹性变形,从而不会出现温度应力裂缝。异形、角落部位都可被很好地覆盖。可灌注、喷涂等方式施工,对车体内如钢板夹层等部位,有良好的可操作性。同时具有较强的黏接力,不会像硬泡一样有断裂脱落等现象。同时,发泡时间短,一次成型,而硬泡发泡周期长,容易引起车身鼓胀、凹陷,影响车身的平整度。

  4)独特的开孔结构,所形成的保温隔热层具有“可呼吸性”,遇水后不会塌落,集保温隔热、阻气、防潮及憎水4种功能于一身,干燥后保温隔热性能没有损失。不会发生毛细管虹吸现象,可有效防止潮气渗透,如浸没在水中,泡沫的开孔结构水会穿透泡沫体,但开孔结构又能使泡体内的水分在重力作用下自然干燥,受潮又干燥后性能不会改变。开孔结构与憎水特性使泡沫涂层成为一个即能有效地呼吸又能自干的保温隔热材料。其憎水率达到99.1%。普通聚氨酯完全闭孔结构,使其不具备排潮自干的能力,在车内外温差较大的时候,水蒸气迁移时由于受到硬泡聚氨酯的阻隔,夹层可能结露,易滋生霉菌等。

  5)100%以水为发泡剂,其成品密度只有8 kg/m3,远远低于客车隔热保温材料性能指标≤30 kg/m3的要求,与普通聚氨酯相比较大大减轻了客车的质量,可以很好地减轻客车自重。

  6)具有良好的保温隔热性能。其导热系数达到0.038 W/(m·K),完全达到客车隔热保温材料性能指标,达到了节能效果。

  7)是有效的隔音层。全填充和密封的特性,使它成为降低由空气通过车体传播声音的理想隔音体系。按美国测试与材料协会标准ASTM E 90-83、E 497-76测定,其隔声等级(STC)为37 dB,按ASTM E 90-85、C 423-84测定,其降噪系数(NRC)为0.7。

  8)按GB/T 8410—2006《汽车内饰件燃烧特性》测定,保温隔热材料阻燃性结果为A/0,满足难燃类材料要求。离火自熄,烟度值小于20 FSN,不产生有毒气体。

  9)使用寿命长,在整个使用期内保温隔热性能不降低,表面不会老化,不需要另外作表面复合防老化处理。硬泡聚氨酯保温材料表面的平整度受基体的平整度影响很大,而且在光、热、大气作用下易发生老化,因此要求表面复合防老化,提高耐磨性和抗冲击性的材料。

2.2 无氟全水基喷涂发泡料的性能

2.2.1 物理特性

  无氟全水基喷涂发泡料的物理特性见表13。


2.2.2 环保特性

  检测到的有害物质限量值需满足Q/BYDQ-A1906.4440—2014所规定的要求,具体见表14。



2.2.3 燃烧特性

  燃烧特性见表15。



2.3 无氟全水基喷涂发泡的设备

  无氟全水基发泡料的施工采用的是美国GRACO的双组分发泡喷涂设备。该设备是通过供料泵T2系统分别将A料(异氰酸酯)和B料(多元醇组合聚醚)输送到增压主机泵系统;主机系统按1∶1体积比配比后,经系统主加热器升温后再由高压保温加热管道和接枪鞭管将A、B料输送到双组分空气自清洁AP发泡枪;经AP发泡枪充分高压撞击混合均匀后,发泡料喷涂在工件表面上,形成一层可自由启发的泡沫层,起到保温、隔音、降噪、减少空噪鼓动及填充防水隔水的作用,也就是我们需要的发泡层。 

  因为喷涂聚氨酯发泡物料体系由两种化学活性极高的组分组成,正常工艺状态下混合后快速反应,形成合格的发泡层,设备需要具备平稳的物料输送系统、可控的加热系统、精确的物料计量系统、均匀的物料混合系统、良好的物料雾化系统及方便的物料清洗系统等。

3 玻璃钢预浸料制作工艺介绍

3.1 工艺介绍

  预浸料可用不同的成型方法,主要包括真空袋工艺、热压罐工艺、模压工艺、缠绕工艺等。而真空袋压工艺主要用在风电、船舶以及轨道交通等方面。根据客车内外饰的产品特点,我公司选择预浸料真空袋压工艺。

预浸料真空袋压工艺,即将预浸料片材根据尺寸要求进行裁剪,铺覆在模具表面后,再将真空袋铺覆在片材表面,用密封胶使其与模具间形成密闭空间,然后利用抽真空及加热过程使材料固化成型。

3.2 工艺优势

  1)预浸料真空袋压工艺与真空灌注工艺产品成型阶段效率保持一致,均优于手糊成型工艺。但预浸料树脂经过前期处理及模具温度的调整,可以大幅提高产品固化的效率。

  目前,部分环氧体系的预浸料在145 ℃的高温条件下,固化时间仅需15 min。其更适合自动化生产,效率更高。

  2)预浸料真空袋压工艺与真空灌注工艺产品在相同铺层条件下基本保持一致,均优于手糊成型工艺。

  因此,预浸料真空袋压工艺及真空灌注工艺均可以实现产品减重。

  3)综合比对

  ①厂房/设备投资:预浸料真空袋压工艺>真空灌注工艺=手糊成型工艺。

  ②物料成本:预浸料真空袋压工艺>真空灌注工艺>手糊成型工艺。

  ③产品强度:预浸料真空袋压工艺>真空灌注工艺>手糊成型工艺。

  ④生产效率:预浸料真空袋压工艺>真空灌注工艺>手糊成型工艺

  ⑤其他:工艺稳定性、售后成本、服役性能和质量稳定性需进行长期验证,以最终考量产品制作成本。

4 结语

  1)通过水性漆在工厂的批量应用,其喷涂并不困难,只要按照工艺要求操作,是比较容易掌握的。但要注意克服常规油性漆喷涂中的惯性,不能按照溶剂型漆的操作习惯。

  主要表现在:①不需要直接喷涂至表面流平(如果按原有习惯直接喷涂至表面流平,会产生漆面流挂);②涂层层间的表干要求严格,必须待上一涂层表干至亚光后方可进行下一涂层的喷涂(否则漆面失光、流挂明显,远远高于溶剂型漆)。

  2)水性漆因为是近期及后续涂装发展的一个重要方向,水性漆的品牌、厂家较多,但能在环保性和涂层性能上都能做到的品牌/厂家,并不是很多。在进行水性漆应用前,特别提醒整车厂家需对水性漆的性能进行全面测试,测试合格后还要多验证其在整车上的施工性能。

  3)在施工节拍上,即使在自然温、湿度条件达到的情况下,在常规喷漆室内进行喷涂,因闪干时间相对较长,整个涂装的节拍会大大地增加,不利于产量较大的客车线生产。在产量大、涂装线不考虑水性漆装置的工厂,很难进行水性漆的批产应用,需要对常规喷漆室和烘干室进行改造。对于新建工厂,涂装设备建设时需考虑增加有利于水性漆施工的装置。

  4)对于水性漆的应用,客车行业现使用的水性漆基本上属于修补系列,在客车行业并无普遍应用。同时,水性漆在一些性能上从大量的测试结果来看,相对油性漆稍差。如想达到或超越油性漆涂层的性能,有赖于水性漆技术的提升与突破。

  5)对于水性漆、无氟全水基喷涂软质聚氨酯发泡、水性抗石击涂料、水性除油剂等水性化、环保化的涂装新材料、涂装新工艺、涂装新设备,会越来越快地被国内外先进的环保型汽车制造厂家应用,作为涂装技术人员需做好前期研究、验证,做好准备,才能保障这些新材料、新工艺的顺利实施并获得良好的涂装效果。

(详情见《现代涂料与涂装》2016-1)





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