汽車涂裝節(jié)能減排工藝探討

曹曉根

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車安全一體化與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000）

汽車涂裝是汽車制造主要過程之一，也是能耗和污染物排放的大戶。其能耗約占汽車制造過程(整車的沖、焊、涂、總)總能耗的60%[1]。降低涂裝過程中的 能源消耗、減少污染物排放對(duì)于保護(hù)人們的生活環(huán)境，具有非常積極的意義。歐洲法規(guī)SMP(1993)規(guī)定，汽車涂裝現(xiàn)有工廠VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)排量從60 g/m2降至45 g/m2；美國(guó)CAA(1990)RACT 規(guī)定現(xiàn)有工廠VOC 排量限值為50 g/m2，美國(guó)CAA(1990)LEAR 規(guī)定新工廠VOC 排量限值為35 g/m2；而德國(guó)TA-Lult (1998)則規(guī)定在2000年已有工廠達(dá)到35 g/m2，新工廠則在1995年達(dá)成同一目標(biāo)。GB 24409-2009《汽車涂料中有害物質(zhì)限量》則規(guī)定溶劑型汽車涂料的 VOC含量限量因種類不同而設(shè)定在560～770 g/L 之間。隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，傳統(tǒng)的溶劑型涂料在汽車涂裝中的使用比例大幅降低。國(guó)內(nèi)2005年之后設(shè)計(jì)的工廠已開始陸續(xù)引入水性漆，而在2002年之前建設(shè)的汽車主機(jī)廠大多數(shù)仍在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其使用的涂料多數(shù)仍為傳統(tǒng)的溶劑型涂料，其中涂、清漆的VOC 含量一般在500 g/L 以上，金屬底漆中VOC 的含量一般在700 g/L 以上。怎樣降低涂裝過程中VOC 的排放及能源消耗？這是擺在老工廠面前的一道難題。

1 汽車涂裝工藝現(xiàn)狀

汽車涂裝主要由前處理、電泳、烘烤、電泳修磨、涂膠(焊縫密封膠、防石擊涂料)、預(yù)烘、噴中涂、中涂烘烤、中涂修磨、涂色漆、涂清漆、面漆烘烤、精修等工序組成。涂裝主要工序的能源消耗比例見表1，各工序VOC 排量所占比例如下：電泳漆1%，中涂16%，涂裝用膠1%，底色漆52%，罩光清漆13%，清洗溶劑4%，防腐蠟13%。

表1 涂裝主要工序能源消耗比例Table 1 Proportion of energy consumption in main working procedures of coating

2 新材料、新工藝

自20 世紀(jì)70年代末以來，陰極電泳漆+溶劑型涂料3C2B(三涂二烘)工藝成了汽車涂裝的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。它賦予了車身良好的保護(hù)及裝飾性能，并具有良好的施工性，廣泛應(yīng)用于A 級(jí)車和B 級(jí)車。直到20世紀(jì)90年代，隨著環(huán)保的需要，溶劑型涂料漸漸退出歷史舞臺(tái)，水性涂料以其較低的VOC 排量逐漸成了涂裝的主角。然而水性涂料需要更高的能耗，也就意味著更多的碳排放。為此，為了減少涂裝生產(chǎn)線的VOC 排量，同時(shí)降低能耗，各大汽車涂料供應(yīng)商如BASF、PPG、杜邦、關(guān)西、立邦等相繼開發(fā)了一系列的涂裝新材料及相應(yīng)的新工藝。典型的有低溫固化型涂料(電泳、中涂、清漆)、高固體分清漆、粉末清漆、3C1B工藝(包括溶劑型3C1B[2-3]和水性漆的3C1B)、免中涂材料及工藝(典型的如BASF 公司的ColorPro，杜邦公司的Eco Concept)、高固體分溶劑型色漆、免中涂的電泳漆等。這些新工藝、新材料的出現(xiàn)為老工廠的節(jié)能減排提供了更多的選擇，其適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 新工藝、新材料適用范圍及其優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Application ranges of new processes and materials and their advantages and disadvantages

傳統(tǒng)工藝與3C1B 工藝、免中涂工藝的區(qū)別如下：

3 技術(shù)方案的選擇及優(yōu)化

不同技術(shù)方案在技術(shù)難度、投資、涂裝質(zhì)量、VOC排放、能耗、成本方面有著明顯的差距。免中涂工藝 (包括溶劑型和水性涂料)由于其外觀質(zhì)量的限制，目前只適用于A 級(jí)車或?qū)ν垦b外觀要求較低的產(chǎn)品。3C1B 工藝(包括溶劑型和水性涂料)外觀質(zhì)量稍好，但用于B 級(jí)車仍然不能與傳統(tǒng)工藝的涂裝外觀相比，且管理難度加大。采用高固體分清漆能夠確保涂裝質(zhì)量，且成本的上升相對(duì)較小，是比較理想的選擇。但其VOC降低相對(duì)較少，實(shí)際中往往和其他方案組合使用。高固體分溶劑型色漆對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理的要求很高，VOC 降低效果不突出，但由于無需設(shè)備改造，能夠在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)VOC 的降低，適合于改造前的臨時(shí)過渡。

各種技術(shù)方案自身都有著比較明顯的局限性，顯然免中涂的前景最為誘人。無論從能耗和污染物排放的降低，還是節(jié)省初始投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，都有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。為了擴(kuò)大其使用范圍，BASF 及杜邦公司在不遺余力地進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。通過實(shí)驗(yàn)得知，免中涂工藝的最終外觀質(zhì)量與底材(此處指電泳)的外觀質(zhì)量(一般用粗糙度來表示)相關(guān)。當(dāng)?shù)撞牡拇植诙冗_(dá)到0.3Ra(量程為0.8 mm)及以下時(shí)，免中涂工藝(需使用專用的涂裝材料)與傳統(tǒng)的3C2B 工藝漆膜外觀幾乎相當(dāng)?？梢娒庵型抗に噷?duì)底材的要求遠(yuǎn)比傳統(tǒng)3C2B 工藝苛刻。如果能夠提高底材的質(zhì)量，那么免中涂工藝的應(yīng)用范圍就可大大拓寬。以BASF 的ColorPro 為例，試驗(yàn)證明，除了外觀與采用標(biāo)準(zhǔn)3C2B 工藝略有差異外，其余性能均能滿足要求。BASF 的ColorPro 工藝試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 BASF ColorPro 工藝試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of BASF ColorPro process

4 結(jié)語

隨著人們對(duì)環(huán)境的要求越來越高，減少VOC 排放、降低能耗成了衡量企業(yè)誠(chéng)信、社會(huì)責(zé)任的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前在世界范圍內(nèi)，新工廠采用免中涂工藝的越來越多，尤其是BASF 公司的ColorPro 和杜邦公司的Eco Concept 工藝，它們廣受青睞，其相應(yīng)的產(chǎn)品也在不斷繼續(xù)改進(jìn)。但是國(guó)內(nèi)尚無免中涂涂料的實(shí)際應(yīng)用。目前，盡管已有在建工廠，但國(guó)內(nèi)的一些老工廠還在觀望階段。已知某工廠已對(duì)溶劑型3C2B 改造為水性免中涂工藝進(jìn)行了改造評(píng)估，投入費(fèi)用在3 000 萬左右，停產(chǎn)時(shí)間約50 d，改造后可取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，預(yù)計(jì)在2014年改造完畢。估計(jì)近5年此類改造將會(huì)井噴式地出現(xiàn)。在老工廠(如沈陽某工廠)成功應(yīng)用了溶劑型3C1B 涂料及工藝，高固體分清漆的應(yīng)用將更為普遍。以上新工藝和新材料的相繼出現(xiàn)，為老工廠降低涂裝過程中VOC 的排放及能源消耗帶來了曙光。

[1]曾輝,鄭磊,王傳軍,等.節(jié)能型轎車涂裝車間的規(guī)劃和管理 // 節(jié)能創(chuàng)想2006──全國(guó)首屆電氣節(jié)能大賽節(jié)能應(yīng)用技術(shù)論壇論文匯編[C].上海:中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì),2007:198-200.

[2]王納新,王路路.汽車涂裝的“三噴一烘”工藝[J].汽車工藝與材料,2004 (5):26-29.

[3]渡邉?wù)?溶剤型 3WET 塗裝技術(shù)の開発[J].Japan Energy & Technology Intelligence,2004,52 (10):104-105.