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郭黎晓
(江苏变色龙微粉技术有限公司,江苏常州213100)
0引言
粉末涂装是环保、优质、节能、经济和高效的涂装方式,其出现较晚但发展迅速。粉末涂装已经在绝大部分金属基材的涂装中得到应用,现在仍然使用液体涂装的大多是涂层表面质量要求非常高的产品,如汽车、自行车以及彩钢板等。随着成本竞争的加剧和环保压力的增大,高端涂装的“油改粉”有很强的市场需求。本文在一系列技术研发成果的基础上,分析汽车涂装“油改粉”的可行性,介绍汽车粉末涂装的重大技术进展,提出进一步技术攻关和商务发展方向。
1汽车涂装“油改粉”的价值
粉末涂装具有环保、节能、优质、高效和经济等优点。粉末涂料为100%的固体,生产和涂装过程都不产生有机挥发物质(VOC),没有液体涂料涂装存在的环保、安全、浪费等问题。汽车整车的粉末涂装是公认的汽车涂装发展方向。
粉末涂装除了环保的优势,还具有安全方便的特点。粉末涂料的涂装和固化相对简便,不像液体涂料固化时需要大量排风以避免燃烧爆炸,也不需要缓慢加热以避免气泡。可以采用红外加热等高效快速的加热方式,而最新的红外加热可减少高达75%的能耗。
粉末涂层相对液体涂层具有更加优越的性能,这与绝大部分人的传统认识正好相反。液体涂料随树脂分子量增大就会变得黏稠很难使用,而粉末树脂分子量通常很高,高分子量树脂的涂料具有较好的柔韧性、附着力、硬度、耐候性和耐腐蚀性能。如汽车轮毂的外层就只能采用丙烯酸透明粉末涂层,才能达到抗石击的要求,而液体涂层做不到。
粉末涂装具有效率高、成本低的明显优势。一次涂装足够膜厚的涂层,效率很高。固体含量100%,喷涂时掉落的粉末可回收使用,也不用大量投资做环保处理和安全防范。
因为粉末涂装的很多独特优势,汽车涂装“油改粉”在几十年以前就开始了。汽车上几乎所有要求不高的金属零部件早就采用了粉末涂装,如汽车车身底盘、发动机、座椅、B柱板、行李架、脚踏板、油箱、喇叭网格、刹车片、卡钳、后视镜、弹簧和雨刮器等。福特汽车在美国的工厂,超过50%以上的车身底盘采用了粉末涂装;宝马汽车也曾经采用透明粉末涂料做罩光涂层;绝大部分整车轮毂也用透明粉末涂料涂装。
2传统粉末涂装技术的局限
汽车整车涂装“油改粉”的尝试没有走到底,是因为传统粉末涂层的表观性能达不到高装饰性能的要求。
2.1粉末涂层的平整度差
传统的粉末涂层相对液体涂层明显不够平整,橘皮很重,粉末的颗粒太大引起涂层不均匀。市场竞争需要汽车表面越来越平整、绚丽,也越来越抬高了粉末涂装的门槛。
2.2涂层的厚度太高
常规粉末涂料的粒径为30~50μm,能够稳定涂装的厚度为60~80μm。如果需要涂装2层、3层或4层,累积起来的膜厚会引起涂层的耐冲击性能大大降低。
2.3粉末涂层的金属效果不好
传统粉末涂料无法做出高金属质感的涂层是粉末涂装很难替代液体涂装的一个重要原因,要全面实现汽车涂装的“油改粉”,粉末涂装必须能够做到与液体涂层相媲美的金属效果。
2.4涂装设备和技术
粉末涂装一次喷涂的上粉率较高,可达到70%~80%,要做到100%的利用率,需要借助回收设备,回收设备的效率和清洗换色成为粉末涂装特有的问题。汽车粉末涂装如何实现与液体涂装一样的快速换色,是一个需要解决的技术难题。
2.5粉末涂装烘烤温度太高
常规粉末涂料需要180~200℃的高温烘烤,比现在的汽车油漆涂装温度高很多。如何实现在较低温度下固化,不仅是节约能源的需求,也是与配套的塑胶涂层颜色匹配的需求。
总结所有的问题,粉末涂层的平整度、厚度和金属色是妨碍汽车涂装“油改粉”最关键的3个技术难题,如果解决了这3个问题,其他问题的解决就相对容易。
3相关技术的新进展
3.1超细粉末涂料技术
超细粉末涂料技术一直是涂料界的一个重大技术课题。超细粉末涂料的粒径在15~25μm,只有常规粉末涂料粒径的一半。因为粉末颗粒粒径小,超细粉涂层可以达到与液体涂层一样的平整度,其涂层也可以达到与液体涂层相当的厚度。超细粉解决了汽车涂装油改粉的平整度和厚度的两大难题。
制备超细粉的技术难点不是将粉末磨细,而是让粒径小于25μm的超细粉体仍然能够像常规粗粉一样正常流化。而颗粒正常流化是涂装的前提,否则,喷出来的粉末就呈块状而不是雾状。超细粉因为重力小于粉体间的分子间力,粉体之间吸附抱团是其自然属性,很难克服。国内外研究超细粉技术的有很多,但都没有成功生产应用的先例。我们团队从2001年开始超细粉的研发,逐渐地解决超细粉的各种问题,至今已经在多个领域实现了超细粉的工业化应用,采用与传统涂料行业不同的技术路线来解决超细粉的问题。先制备了一系列纳米材料,并成功地找到将其分散并均匀地吸附在粉体表面的助剂,有效地限制粉体颗粒之间的吸附抱团,使超细粉像粗粉一样能够正常流化。在找到克服超细粉抱团属性的方法之后,在落实大规模工业化生产细节上做了大量研发。实际上,超细粉技术是一项系统工程,不仅是某一方面的技术突破,而是包括粉末制备设备、涂料原材料和配方以及涂装应用等各方面的技术创新和完善。比如,要在20~30μm的厚度范围具有很好的遮盖力,必须改变传统的制备方法,而要生产出粒径很细且粒径分布理想的超细粉,必须对磨粉设备进行优化改进。
超细粉涂层的两个特点是平整和厚度薄。平整度可以与液体涂层相媲美;厚度可以从常规粉的50~80μm降低到20~40μm。
我们将超细粉用于汽车行业的涂装已经有不少成功的案列,如需要耐候和耐磨性能优异的车顶行李杆的涂装、能够薄涂以避免折弯涂层脱落的汽车滤芯器外筒的涂装、防止孔眼堵塞的汽车喇叭网格的涂装以及汽车弹簧和汽车轮毂的涂装等,都充分利用了超细粉薄涂和平整的优点。
3.2全绑定金属粉末涂料技术
金属颜料(铝粉和珠光粉等)在喷涂时,因为与粉末颗粒的几何形状和导电率的差异引起的上粉不均匀,是金属粉末涂料涂装的大难题。国外发明了绑定技术,用高速搅拌时产生的热使金属颜料和粉末黏连在一起,大大提高了金属粉的金属效果和涂装稳定性,但目前仍然不能达到液体涂料的金属效果,而且回收粉难利用,生产稳定性也差,金属粉的涂装始终是涂装工程师的痛点。
我们在金属粉技术上的研究方向是改进金属颜料本身的带电性和相容性,以及强化改善后的金属颜料与粉末颗粒的黏连。对颜料进行包覆处理,在传统的包覆二氧化硅或者二氧化钛的成熟技术基础上,进一步用高分子量的通用丙烯酸树脂进行包覆,使金属颗粒的表面具有与粉末树脂同样的带电性和相容性,进而发明了一种能够让所有金属颜料都被粉体黏连的新技术。采用上述两个步骤,通过在工业化生产中的不断改进完善,最后达到100%绑定的效果,形成了“全绑定金属粉末涂料技术”。
全绑定金属粉具有2个特点:一是金属含量可以很高,甚至超过20%,仍然有很好的成膜性;二是生产稳定性大大提高,即使是回收粉也能正常使用。前者,可以制备以前无法制备的高金属质感的涂层,而后者,即较高的生产稳定性,排除了长期困扰金属粉末涂装的最大痛点。简单说,全绑定金属粉可以做到与液体金属涂层相媲美的涂层效果,并可以稳定喷涂生产。这是粉末涂料的一个很有意义的技术突破。
采用全绑定粉末涂料技术制备的幻彩粉末涂料,珠光含量可高达25%,用单涂层的粉末涂料就能达到比两涂层液体涂装更好的效果,并彻底解决了液体幻彩涂层的颜色随膜厚变化的致命问题,结束了喷涂涂装因为色差大而无法做幻彩涂层的历史。
3.3低温烘烤粉末涂装技术
传统粉末涂装都是在金属基材上进行的,用粉末涂装中密度板和塑胶等非金属基材的研究需要解决的技术问题,最近都有了较大的进展。
开发足够低温度固化的粉末涂料是有挑战的工作,较低温度固化需要对树脂和固化机理以及配方做改进。技术难点在于快速固化的涂料在常温下的贮存性变差,容易黏连结块,甚至必须要低温环境才能贮存。找到两方面的平衡、实现工业化应用是研究的目标。现在最新的成果是将固化温度从常规的180~200℃降低到了120℃左右。
另一个有意义的技术进步是新型的烘烤设备和烘烤方式。研究发现:2~4μm波长的中短波红外线对粉末树脂的固化特别有效,采用催化燃烧的红外加热器,可以大大加快粉末涂料的固化速度,减少能耗。有案例证明,采用催化燃气红外加热可以比传统的热气加热节约75%的天然气用量。
试验证明:用红外照射固化新开发的低温固化粉末涂料,只需3 min就达到了传统热风固化10 min的效果。催化红外烘烤速度快,占地面积少,特别适合粉末涂装。
120℃×3 min的红外烘烤是一个里程碑式的成果,很多非金属基材都不会产生受热变形。因为粉末涂料不会因为加热太快而出现气泡等缺陷,包括汽车粉末涂装都可以充分利用。
3.4自动化和智能控制技术及其他技术进步
汽车涂装是一个对稳定性和可靠性要求极高的行业,近年来在自动化涂装控制、质量检测和智能生产等方面都走在其他涂装行业的前面,大部分的先进技术和设备对粉末涂装都同样适用。
在利用超细粉和全绑定金属粉为很多客户做“油改粉”的过程中,发现了很多长期未解决的设备技术问题,对传统设备技术提出了挑战,如粉末喷涂死角难喷、喷房和回收设备的清洗麻烦、换色时间长等。我们深感现有涂装技术的不完备,提出了很多“油改粉”需要解决的技术课题,其中有的是困扰粉末涂装界很久的难点,有些已得了研发的突破,有些还在进行,也有的需要其他行业专家一起来攻关。总之,旺盛的市场需求正在驱动涂装技术的快速进步,包括电器自动化控制技术以及机器人智能化喷涂技术也正在蓬勃地展开,并已经出现有价值的应用。我们能够感觉到,涂装工业正在出现全方位的技术创新完善,即将带来很多惊人的成果。
4其他行业涂装的“油改粉”案例
粉末涂料的发展过程可以说是“油改粉”的过程。现在还没有被粉体替代的油漆涂装,多半是因为平整度、厚度或者金属色等传统粉末涂装技术的局限。在环保的驱动下,随着涂料技术的进步,涂装技术也在跟进,很多以前一直无法接受粉末涂装的,现在都在积极推行“油改粉”。
4.1彩钢板涂装的“油改粉”
彩钢板涂装“油改粉”也是个持续几十年攻关而一直没有工业化应用突破的大课题。随着涂装设备的技术进步,特别是超细粉产品的应用,最近终于取得了实质性的突破。
在现有的彩钢板油漆涂装生产线上安装我们发明的高速彩钢板粉末涂装机器,采用“两涂一烤”新工艺,利用原来两个烤炉中的一个进行烘烤,成功实现了高速粉末涂装,涂装速度可达80~120 m/min,涂装线速度不受限制可以更高。使用超细粉涂装得到了平整度足够好而厚度只有25~30μm的均匀涂层(底涂5μm,面涂20~25μm的两涂层体系)。粉末涂层的性能明显优于同等涂料价值的液体涂层,加上节约的能耗、人工,特别是环保处理的高昂费用,彩钢板涂装“油改粉”后,在环保节能、性能提升、成本降低等方面都取得很好的成果。我国每年有1 500万t的彩钢板生产,实现“油改粉”会带来巨大的社会效益和经济效益。
4.2氟碳涂装的“油改粉”
PVDF氟碳涂层是最耐候的金属罩面涂层,能够在几十年的时间内抵御紫外线而不分解变色。氟碳涂料的原材料昂贵,氟碳涂装对平整度和厚度的要求都很高。而建筑涂层有大量的金属涂层,需要金属粉的技术完全过关。我们在氟碳粉的研发和推广上已经做了很多年的努力,取得了比较好的结果。但因为成本和习惯的关系,并没有全面推广开。现在因为环保驱动,氟碳涂装的“油改粉”成为公认的发展趋势,突然开始快速发展。
4.3汽车轮毂涂装的“油改粉”
传统汽车轮毂涂装工艺是“一粉二油+打磨的三涂三烤”,即:底粉+烘烤→打磨→中涂色漆+烘烤→粉末或油漆罩光+烘烤。现在粉末涂层平整度能够达到要求,尝试改为“三粉不打磨的三涂三烤”的新工艺:底粉+烘烤→中涂色漆+烘烤→粉末罩光+烘烤,或者直接把底涂和中涂合二为一,特别是现在金属粉末涂料技术的突破,能够达到液体涂层的金属效果,而粉末涂装能够做出液体涂装做不到的厚实涂层,充分利用粉末涂装的优势,采用“三粉不打磨的三涂二烤”新工艺:底中二合一粉末+烘烤→粉末罩光+烘烤。
采用新的粉末涂装工艺涂装轮毂,技术难点在于需要改进喷涂设备和工艺条件,避免轮毂静电喷涂时的法拉第笼效应,使内外都达到相对均匀的涂层厚度。相关设备和喷涂工艺的改进和完善还在进行,其中涉及很多涂装新技术新工艺,需要相关设备技术研发的配合。
4.4集装箱涂装的“油改粉”和“水改粉”
集装箱涂装去年因为环保政策“一刀切”,限期完成“油改水”。经过大半年的应用实践,逐渐发现水性涂装其实VOC含量仍然很高,性能也不够好,加之喷掉的涂料不能回收等很难改进的问题,现在集装箱涂装也在进行“油改粉”和“水改粉”的大动作。
4.5自行车摩托车涂装的“油改粉”
自行车、摩托车和电动车等(下面统称自行车)的涂装对装饰效果要求都很高。自行车涂装追寻环保节能的道路也是比较曲折的。因为“油改水”很方便,很多公司优先选择“油改水”。但在花费很大精力基本解决金属色、贴水标等问题之后,却发现仍然无法达到环保排放标准,进而投巨资建设废气处理装置,然后发现环保运行成本太高,已经失去了市场竞争力。用超细粉进行自行车涂装,充分发挥超细粉的平整度和厚度优势,加上全绑定金属粉能够做出液体涂层的金属效果,超细粉涂装自行车成为未来自行车涂装的优选。现在遇到的问题是传统粉末涂装设备的技术局限,需要改进设备才能够满足自行车涂装的需求。
自行车涂装的特点是:工件体积大,面积小,喷涂回收粉很多;车架静电死角很多,需强化前补和后补喷涂;而自行车涂装本身的多涂层以及花色套色多,每次喷涂批量小,涂装套色或者贴花标工序繁琐;加上涂装线速快,颜色多,换色频繁,涂装次品肯定有,不可避免要返喷,返喷涂层的膜厚不能太高,否则影响涂层质量等。可以说,自行车涂装集中了对传统粉末涂装技术和设备的所有挑战。
我们使用超细粉和全绑定金属粉技术解决了平整度、厚度和金属效果的问题;发明了“两涂一烤”甚至“三涂一烤”新工艺,简化生产工序,节约生产成本;发明了专门喷涂死角的喷粉枪进行死角部位的前补涂装;并设计了高效喷涂的喷房和快速清洗换色的回收装置。总之,我们尝试解决自行车“油改粉”过程中遇到的必须要解决的各种难题,这些问题一个一个地被解决,逐渐推动了整个粉末涂装技术的进步。我们把自行车粉末涂装看作是汽车涂装“油改粉”的预演,一步一步接近汽车涂装“油改粉”的目标。
4.6中密度板和塑胶部件的粉末涂装
中密度板和塑胶部件都是不耐温的部件,需要低温粉末涂装。中密度板涂装的市场需求巨大,而塑胶涂装产品涉及汽车、电器、家电等很多领域。我们技术攻关的重点放在低温粉末涂装技术上,尝试在2个方面做技术突破:一是研发低温固化的粉末涂料;二是采用催化红外加热器快速加热。目前的成果很鼓舞人,涂装超细粉用红外加热器,在120℃×3 min的烘烤条件下完成固化,得到了让客户比较满意的涂层性能。
总之,各个行业普遍存在的同质化竞争和环保压力,大大推动了粉末涂装替代溶剂型涂装或水性涂装的过程。市场需求永远是产业更新和技术进步的最大推动力,调动了整个行业在积极行动,很多一直困扰粉末涂装界的行业痛点正在被逐渐解决,而技术的进步又催生更大的市场需求。
5汽车涂装“油改粉”的技术发展方向
超细粉技术和全邦定金属粉末涂料技术,解决了平整度、厚度和金属效果这3个妨碍粉末涂装向高端涂装发展的最大难题,随着“油改粉”过程中涂装设备问题逐步被解决,会刺激大量的人力和物力资源的投入,全面推动汽车粉末涂装相关行业的快速发展。
5.1汽车粉末涂料技术的发展
首先,汽车涂装需要的高性能粉末涂料会在短时期内快速发展。理论上,因为树脂的分子量不受限制,粉末涂料可以做出性能更加优越的产品。汽车涂装的高要求,会极大地推动高端粉末涂料的多样化发展。
其次,研发新的粉末涂装工艺成果累累。比如,我们率先开发的“两涂一烤”汽车涂装新工艺,会得到进一步完善和广泛应用。在汽车涂装上做“两涂一烤”,可以解决以下问题:将底涂和面涂合二为一,既有底涂的附着力和抗腐蚀功能,又有面涂的颜色和耐候功能;原来需要打白底再涂装的“两涂两烤”的鲜艳色,今后可以用“两涂一烤”完成;对需要罩高光透明涂层的金属涂层,用“底粉+金属粉+透明粉”的“三涂一烤”工艺一次完成。相信还有更多的适合粉末涂装的新工艺、新涂料品种将被开发和应用。
5.2对涂装设备技术的需求
全面实现汽车粉末涂装需要的不仅是新的粉末涂料技术,还对粉末涂装设备的相关技术提出了挑战。汽车涂装对高品质的要求,都是对传统技术的挑战,也是技术进步的好机会。根据汽车涂装的苛刻要求,提出了一些新的技术研发理念。
5.2.1快速清洗和换色设备的开发
用传统的技术和设备进行汽车粉末涂装,设备的清洗换色是个问题。根据具体情况研发设计出一套能够简易清洗并快速换色的系统,满足汽车涂装的要求。还设计了配置两套并联的涂装设备,一套进行涂装使用,另一套做清洗换色,二套交替使用,换色不耽误生产。
5.2.2全上粉喷枪的研发
为了解决粉末涂装回收设备的清洗问题,我们提出全上粉喷枪的研发课题,让喷出的粉末全部喷到工件上,这样,汽车涂装的效率会更高。
5.2.3专喷死角喷枪的研发
粉末涂装还特别需要能够克服静电法拉第笼效应的喷死角的喷枪,让死角的喷涂不再成为不可能的工作。这既是涂装工程师梦寐以求的好事,又是汽车涂装必须解决的问题。
我们发现:针对粉末静电喷涂的相关研发是一个不很成熟的领域,公开发表的文献不多。研究内容属于高压静电的理论和空气动力学的交叉学科,很多研发成果关系到商业产品的应用,公开发表也很少。希望行业内的专家学者认识到这件事的重要性,都积极地参与进一步测试和应用试验,也许有机会发展成为一个对涂装有价值的设备产品。
5.3关于“油改水”及水性涂料
水性涂料是值得推荐使用的环保型涂料,与粉末涂料相比各有优缺点。遇到废气排放问题,客户做“油改水”的决定比做“油改粉”容易,因为“油改水”需要的设备改动不大,投资很小,而粉末涂装需要建立全新的涂装设备。遗憾的是,目前水性涂料的技术还不够成熟,绝大多数涂料的VOC含量还比较高,而且性能也不够稳定、不够好。即使从发展的最终结果评估,水性涂料的成本也比较高,性能没有粉末好,甚至不如溶剂型涂料。水性涂装最大的问题还是废气和废渣的处理困难。
总结各个行业的水性涂料应用结果,的确大量地减少了有机溶剂的排放,但随之产生的副作用却远远大于预期。特别是后期制作环保设备的投资巨大,总费用大大超过新上一套粉末涂装设备的投资;最难接受的是,废气、废渣和废水的环保处理费用太高,影响产品竞争力。水性涂装的整体运行费用,不仅远远不能与粉末涂装相比,比油性涂装的费用也高很多,也就是说,目前采用水性涂装减少溶剂挥发的好处,并不能抵消水性涂装带来的弊病和额外的费用。实际上,很多成功进行了“油改水”的客户现在不得不进行“水改粉”,既是综合考虑的结果,也是环保的必然选择。集装箱涂装和一些自行车涂装都走了先做“油改水”,后又“水改粉”的弯路。
从环保、涂层性能、涂装成本等最主要因素考虑,水性涂料是在粉末涂料无法实施涂装的情况下的合适选择,如木材家具、水泥、低温会熔化的塑胶部件等适合水性涂装。对粉末涂装最终可以完成的涂装,水性涂装只是发展过程中的权宜方法。因为平整度、厚度和金属效果不再是妨碍实现高装饰涂层的限制因素,汽车涂装的未来一定是粉末涂装。水性涂料很可能只是一个阶段性产品。
6对汽车车身粉体涂装的预测
大量的技术进步以及其他行业“油改粉”的成功案例,让汽车涂装的“油改粉”进入了倒计时。现在妨碍汽车粉末涂装的最大障碍,不是相关技术的进一步完善,而是很多新技术无法满足汽车涂装生产高度的稳定性和可靠性要求。无论是我们继续等待,直到自行车、轮毂等高品质粉末涂装逐渐积累起丰富的经验,还是有敢为人先地由汽车厂出面来组织各个供应商加快研发速度,汽车整车的粉末涂装已经指日可待。下面是对涂料和涂装设备技术未来发展的一些看法。
6.1粉末涂层质量和品种
随着汽车粉末涂装的市场需求明朗,可以预测到,高端粉末涂料的品种会快速增加,粉末涂装的汽车涂层质量会明显提升。具体表现在汽车涂层的平整度和鲜艳度不会因为是粉末涂装而降低,而更具金属质感,更有特色的涂层会不断出现;涂层的抗划伤性能大大提升,而同时耐冲击性、抗腐蚀性和耐候性也显著提升。粉末涂装的汽车一定具有更高的涂层质量。
6.2粉末涂装设备和涂装工艺
6.2.1烘烤炉
催化燃气红外加热技术最近发展很快,中长波红外线对涂层固化效率很高,用于粉末涂料的固化是非常好的选择,有案例证明比现有热风加热耗能减少高达75%。这种红外加热器可以根据汽车形状而动态配置,逐渐发展为智能控制,实现近距离定量快速加热固化,不仅能耗大幅度下降,效率也会大大提高。
6.2.2喷粉枪
喷粉枪也需要与电器自动化的机器手配合,在出粉量、气流静电电压和距离等多个参数上实现智能控制,而且根据需要开发不同种类的喷枪。有安装在灵活的机器手上专门做前补喷涂的“死角喷枪”,主要喷涂静电法拉第笼效应较强的死角位置;也有喷涂大面积的“全上粉喷枪”,喷出的粉末几乎全部被吸附到工件上。每把喷枪均有自动调节喷涂参数的智能功能,根据设置的膜厚喷涂适量的粉末,确保均匀优质的涂层。所有喷枪及连接管道都具有自动快速吹洗功能,在换色时快速完成自动清洗。
7结语
超细粉技术和全绑定金属粉技术的发明和工业应用,解决了妨碍汽车涂装“油改粉”的平整度、厚度和金属效果的三大难题,奠定了汽车整车涂装“油改粉”的技术基础。但要成功实现是一个系统的技术工作,需要加强和完善包括粉末涂料技术和涂装设备技术在内的一系列协作创新,工作量大,涉及范围广,需要整个行业的共同努力。强劲的市场需求是挑战更是机会,加强技术交流,整车厂牵头,跨行业的合作,现在是积极实现创新价值的最佳时机。
详见《现代涂料与涂装》2019-10