张 瑞，于 萍，杨建明
（山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272000）
摘 要：由于采用水作为溶剂，水性涂料在职业健康、安全和环境保护方面较传统溶剂型涂料具有优势，使用水性涂料能大幅降低 VOCs的排放量，因此采用水性涂料成为涂装行业“蓝天保卫战”的一个主要选择。水性涂料能否大规模替代传统溶剂型涂料的必要条件是，功能上的各项指标如防锈、防水、耐油、耐高温、装饰等性能及寿命是否满足具体工况需要。水性涂料与溶剂型涂料在施工工艺上有所区别，已有喷涂线是否满足或通过适当的改造后满足水性涂料的施工应用，是水性涂料替代溶剂型涂料的充分条件。最后，影响工业企业是否采用水性涂料替代溶剂型涂料的是成本，最终的决定因素或驱动力则是综合效益。
关键词：HSE；水性涂料；VOCs；功能性；涂装线；设备改造；成本；效益
近年来，由于雾霾天气的出现，大家越来越关注环境保护，越来越关注空气污染。一系列的环保政策、标准把环境污染治理落实到具体的污染源上。挥发性有机化合物（VOCs）被认为是导致雾霾的重要污染物[1]，而工业涂装又被认为是重要的 VOCs 污染源[2]。为此，水性涂料作为环保涂料之一，逐步在各种工业产品上得到应用。本文讨论了工程机械用涂料由溶剂型切换至水性涂料的意义、需要的条件等。
1 切换水性涂料的出发点——HSE
水性涂料与溶剂型涂料相比，在职业健康、安全和环境保护（HSE）方面都具有优势。首先，水性涂料以水为稀释剂，含有的有机溶剂及有毒有害物质浓度大幅降低，对涂装工人潜在的职业危害大大减少。其次，水性涂料采用水作为稀释剂，贮存、施工过程的爆燃风险几乎降为零，大大减轻了生产安全管理压力。再次，水性涂料的溶剂含量可比传统溶剂型涂料降低 75%，涂料使用过程产生的 VOCs 大大减少，相应的排放也会减少，从而减少对环境的污染。从 HSE 方面看，最主要的出发点是环境保护。近年来，雾霾天气增多，大气污染问题日趋突出。根据相关的研究，VOCs 是造成雾霾的主要元凶，而涂装是VOCs 的重要来源。为此，国家和地方发布了系列环保标准政策法规，打响了“蓝天保卫战”，鼓励使用水性涂料或其他低 VOCs涂料，限制使用传统溶剂型涂料，从源头减少 VOCs 的产生和排放。减少涂装VOCs的产生和排放已成为涂料涂装行业参与蓝天保卫战的主要行动。虽然 VOCs减排的途径有多个，但源头减排是比较好的一个选择[3-4]。
2 切换水性涂料的必要条件——满足功能性指标
涂料及其涂装是为了满足一定的功能性，比如满足防锈、防水、耐油、耐高温、装饰等某一个方面的功能指标或同时满足多个方面的功能指标。这些功能指标是由涂装产品本身的用途、品质、工况等决定的，不会因采用涂料性能的不同而不同。因此，要将产品涂装从溶剂型涂料改变为水性涂料，其必要条件就是采用水性涂料后，涂装的功能性指标或者漆膜的性能指标不能下降。
功能性指标验证是水性涂料替代溶剂型涂料必须要做好的基础工作。涂层的功能性不仅会影响被涂产品的外观效果，还会影响产品的使用寿命，进而影响产品的综合质量和市场。因此，即使是溶剂型涂料更换型号、品牌，也是非常慎重的一项工作，必须进行大量的检测和验证。水性涂料替换溶剂型涂料就更不用说了，必须对涂层的各项性能指标进行检测，特别是防腐蚀涂层的耐盐雾性、装饰性涂层的耐老化性等重要功能性指标，必须完全达到原有溶剂型涂料涂层的标准。否则，就存在不确定风险。
表1、水性涂料与溶剂型涂料施工工艺条件差异
序号 |
工艺条件 |
溶剂型涂料 |
水性涂料 |
备注 |
1 |
工件表面温度 |
一般不做要求 |
10-35℃ |
使用水性涂料冬季施工工件需预热，使用溶剂型涂料则不需要，喷涂水性涂料时工件表面温度要大于露点温度3℃以上 |
2 |
喷涂环境温度 |
一般不做要求 |
10-35℃ |
使用水性涂料喷漆室送风冬季须有暖风空调 |
3 |
喷涂环境温度 |
一般不做要求 |
40%-75% |
水性涂料比溶剂型涂料对环境湿度更为敏感 |
4 |
闪干 |
无 |
15min |
采用水性涂料需设置闪干工位 |
5 |
烘干条件 |
80℃，30min |
80℃，40min |
厚板为10mm结构件为例 |
6 |
活化期 |
≤8h |
≤3h |
双组分涂料 |
每种产品对涂装功能性指标要求并不完全相同，对于其他行业、其他产品已经成功使用的水性涂料，可以参考，但不能直接采用，必须对相关功能性指标进行验证。另外，一些关键性的功能性指标除了在实验室或样板上验证外，还必须在具体的产品上进行验证。这是因为，即使是相同的涂料，不同材质、不同表面状态、不同环境下得到的涂层性能会存在差异。
只有在功能性指标得到充分验证的前提下，才能启动水性涂料替换溶剂型涂料的工作。当然，功能性指标验证只是第一步，后面还有一系列的工作。从目前水性涂料在集装箱、轨道交通、工程机械等行业的应用来看，功能性指标是没有问题的[5-11]。以三一重机有限公司昆山园区为例，2018 年就已经有 10 条水性涂装生产线，水性涂料在挖掘机上已经成熟应用[12]。但是目前水性涂料产品参差不齐，必须选用稳定、可靠的水性涂料产品。
3 切换水性涂料的充分条件——工艺可实现
水性涂料的功能性指标满足了并不代表水性涂料就可成功替代原有的溶剂型涂料。这是因为，水性涂料实际施工工艺条件与溶剂型涂料差异较大，如表 1，已有的涂装生产线是不是具备水性涂料的施工条件或改造条件，需要针对每一条涂装线进行分析诊断。
与溶剂型涂料相比，水性涂料施工时要求被涂产品表面温度、环境温度、环境湿度范围更加窄。比如，溶剂型涂料一般对工件表面温度没有要求，但水性涂料有，因为工件表面温度低，喷涂水性涂料容易形成流挂。另外，与溶剂型涂料相比，水性涂料漆膜的干燥温度和时间会有不同，一般时间要求更长，温度要求更高。
对于本身就具备水性涂料施工条件的涂装线来说，水性涂料功能性指标满足了就可以着手切换。比如汽车行业的涂装线，建设水平高，车间密封性好，喷漆室配置了温湿度调节系统，切换水性涂料相对容易。再比如工件喷漆前有热水清洗的工件，就不需要再预热，只需要烘干室温度、长度满足烘干要求即可。
但是，不同行业、不同企业、不同产品的涂装线千差万别，产品工艺流程不同，喷漆前表面状态不同，喷漆生产节拍不同，喷漆室环境条件不同，烘干温度和时间不同，想要完全参考或借鉴成功的水性涂料应用案例几乎不可能。比如，会有很多水性涂料企业在进行推销时介绍他们的水性涂料产品，在某某汽车厂家、某某产品上已大规模应用。对于同样是汽车产品的涂料用户来说，会是一个比较好的参考。但是，对工程机械而言，基本上不具有参考意义，因为工程机械行业的涂装线与汽车行业的涂装线差距太大。
首先，需要对原有喷涂线的总体情况进行评估。评估结果大致分为以下几种情况：无须任何改动，可直接切换使用水性涂料；进行适当改造后，可切换使用水性涂料；无法进行改造，无法切换使用水性涂料。一般来说，不需要更改能够直接切换采用水性涂料的涂装线不多，或多或少需要进行一些改造。对于大部分涂装线来说，经过适当的改造是可以切换使用水性涂料的，只是改造程度不同，最终的生产效率也不同。无法改造的涂装线原因大多是现场空间受限，比如没有预热室空间，烘干室无法加长等。
遇到这种空间不足问题就难以采用水性涂料，除非降低产能。比如，延长烘干时间和生产节拍，使单班产能下降。为了弥补产能，可增加生产班次，但综合成本增加，企业需要权衡。工程机械行业之前建设的涂装生产线均没有考虑水性涂料的应用，要想使用水性涂料，基本上都需要一定的改造。
其次，制定设备改造技术方案。根据总体评估情况，列出涂装线不满足水性涂料使用的每一个点，并针对这些点制定改造方案。传统溶剂型涂料涂装线要切换采用水性涂料，一般来说，较为普遍的改造项目包括涂料仓库（增加温度调节空调）、增加预热室（工件喷漆前预热）、喷漆室空调送风装置（增加温湿度调节）、流平室（增加温湿度调节）、闪干室（涂膜前期干燥）、烘干室（加长烘干时间），以及各室体内壁的不锈钢材质更换等。对一些比较老旧已经很难长久使用的喷涂线，也可不更换室体不锈钢继续使用，用一段时间后整体按水性涂料使用要求设计更新喷涂线。工程机械涂装线的水性化改造基本上都会需要增加工件预热室，尤其是北方地区，冬季必须对工件进行预热。
再次，对功能性指标满足要求的水性涂料进行工艺验证。工件表面温度、喷漆室温度、流平温度及时间、闪干温度及时间、烘干温度及时间等都需要进行现场试验验证，选择最佳的参数范围。在确定这些工艺参数条件时，既要满足涂装质量的需要，又要满足涂装生产效率的需要。另外，还需要通过试验，选择适合的漆雾絮凝剂。工程机械不同月份生产量波动大，且工艺条件随季节变化明显，因此需要进行不同季节的工艺验证和不同产量下的产能验证。
最后，还需要做好人员培训。材料、工艺方法改变，必然导致人的不适应。水性涂料在施工工艺上与溶剂型涂料差异较大，对员工技能要求高。因此，需要做好涂装操作人员技能培训。
切换水性涂料是一个既复杂又系统的工程，需要做好材料、设备、人员、工艺等方面的准备工作。当然，不同涂装线的原有条件不同，实施的难度也不一样。但是无论涂装设备条件怎么样，从传统溶剂型涂料切换到水性涂料都会是一个痛苦的过程，各种不适应会导致各种各样的问题。切换为水性涂料后，要想完全适应水性涂料施工，需要有长久的心理准备，短则 2~3 个月，长则 1 a（受环境影响极大的涂装线需经历 4个季节、遭遇不同问题并掌握规律）。
从目前水性涂料在集装箱、轨道交通、工程机械等行业的应用来看，水性涂料替代溶剂型涂料从工艺上是可行的[5-11]。就工程机械行业而言，在华北地区和华中地区均已经有成功应用案例[13-14]。当然，不同行业不同企业不同产品需要具体应对。
4 切换水性涂料的终极驱动——成本效益
虽然水性涂料在 HSE方面较溶剂型涂料具有优势，但是如果成本过高，企业也只能望而却步。如果企业使用溶剂型涂料但通过劳保、安全、环保方面的投入既能满足 HSE 的相关要求，综合成本又比使用水性涂料的成本要低，为什么非得选择水性涂料？
从目前来看，许多企业采用水性涂料的综合成本会比采用溶剂型涂料要高。造成采用水性涂料成本高的原因主要有以下几个方面：一是水性涂料价格比溶剂型涂料高；二是涂装线进行改造的投入，使固定成本增加；三是水性涂料施工的预热，烘干时间增加等造成的工艺成本增加。不过，这些方面的成本对不同涂装线来说不一定都高。水性涂料采购单价是提高了，但是它的固含量较高，而且稀释剂是水，最后单位面积上涂料的消耗成本就不一定高，或者高不了多少。在设备改造方面，如果工件喷涂前就有热水清洗或腻子的烘干，那么工件表面温度不用预热就可以满足水性涂料施工要求，不需要额外增加预热的改造投入。对于水性涂料仓库，南方温暖的地区不需要增加空调，北方地区如果厂房、仓库原本就装有暖气等取暖设施，也不需要增加取暖空调。在烘干条件上，实际上水性涂料与溶剂型涂料的工艺要求差别并不大，只是溶剂型涂料的自干性能要好、干燥速度要快，一些行业一些企业习惯于喷涂后让漆膜晾干，以减少烘干的能耗成本。随着对废气无组织排放的限制，晾干的生产方式必然受到限制。综合以上，对于一条原本设计起点高、工艺规范的涂装线而言，采用水性涂料替代溶剂型涂料的成本不会增加太多。如果算上后续的废气处理费用等，有的甚至可能持平。
当然，是否采用水性涂料替代溶剂型涂料不仅仅看成本，最终还要看效益。《关于加强重污染天气应对夯实应急减排措施的指导意见》（环办大气函〔2019〕648号）对水性涂料和溶剂型涂料在重污染预警天气的限产要求不同。黄色预警期间：使用溶剂
型涂料的企业调漆、供漆、涂装、干燥/烘干等涉 VOCs排放工序停产。橙色预警期间：使用粉末、水性、高固体分、紫外光固化等低 VOCs 含量涂料的企业调漆、供漆、涂装、干燥/烘干等涉 VOCs 排放工序停产50%（含）以上，以生产线计；使用溶剂型涂料的企业调漆、供漆、涂装、干燥/烘干等涉 VOCs 排放工序停
产。眼看交货期到了却遇上重污染黄色或橙色预警，采用溶剂型涂料就只能干着急或者丢掉客户，采用水性涂料则可以继续生产或部分生产以保证重要客户或紧急的产品。保住交货期、保住客户，才是效益，才能有效益。成本再低丢了客户也没有效益。当然，遇上重污染红色预警，都得停。但从目前来看，红色预警的概率较小，2019年入冬以来还未出现过红色预警。
所以，是否切换成水性涂料，成本是影响因素之一，综合效益才是决定因素。目前，坚持采用溶剂型涂料的企业必然有他们的理由，已经采用水性涂料的企业也必然有他们综合效益所在。
5 结 语
水性涂料在 HSE方面较传统溶剂型涂料存在优势，水性涂料的功能性指标与溶剂型涂料已无差别。但涂料成本的上升，综合成本是否增加、增加多少因行业、因企业、因产品而不同。是否切换采用水性涂料不仅仅只看成本，要看最终的综合效益。
目前，水性涂料特别是工业水性涂料应用的占比还很低，但水性涂料替代溶剂型涂料的范围正在扩大。不同行业、不同企业、不同产品的涂装可根据自身实际情况进行分析，选择是否采用水性涂料，制定切换水性涂料的计划、方案等。
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文章转自《涂料工业》2020年第7期
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