赵树东
（北京中车长客二七轨道装备有限公司，北京 100072）
摘要：介绍了水性工业涂料的性能,结合轨道车辆行业涂装特点及环保政策,从表面处理要求,温湿度控制,工具设备使用等方面对水性涂料应用做了说明,并对应用效果及综合成本进行了分析探讨.
关键词：水性涂料 涂装 轨道车辆 VOC 应用
0 引言
近年来我国大气环境污染问题日益凸显，已严重影响正常的生产和生活秩序，危害人民身心健康，工业涂装工序VOC排放作为大气污染治理的重点领域，监管力度和频次不断加强，涂料涂装绿色转型升级是必然趋势。
1 水性工业涂料特性简述
水性工业涂料由水溶性树脂、功能填料、装饰颜料、助剂、水及双组份固化剂等组成。近年来水性工业涂料保持着快速的发展势头，已成为绿色环保的主旋律和代名词。水性工业涂料在整个生产和施工过程中使用水作为溶剂，性能特点突出，主要体现在以下几方面：
1）漆膜性能达到同档次溶剂型油漆技术指标；
2）其VOC含量极少，健康环保特性显著；
3）施工过程直接用水稀释涂料、清洗工具，施工方便、安全；
4）生产、运输、储存、施工全过程全周期，不然不爆，安全性能突出；
5）漆渣不属于危险固废范围，固废处理简化。
2 水性工业涂料涂层体系及技术指标的确定
2.1 基本原则
轨道车辆油漆涂装既要满足基本防护性能，同时还要具备优异的装饰效果。我们在机车车辆上试验及应用水性工业涂料遵循以下基本原则：
1）漆膜性能不低于溶剂型油漆；
2）突出水性涂料的安全环保性能；
3）强调配套性能及施工性能。在原有溶剂型油漆施工条件下进行水性涂料涂装，水性与溶剂油漆交叉配套施工性能良好；
4）使用既有喷漆设备实现VOC达标排放。以现有设备、工具的适用性为前提，最大限度减少喷漆室、烘干室等设备的改造。
2.2 配套体系
经过对水性涂料产品的性能分析及符合涂层技术指标的试验检测，确定底漆、中涂漆、面漆、清漆及底面合一漆等采用相应的水性工业涂料，腻子仍采用原子灰。机车及零部件用水性涂料基本配套体系包括：
1）水性环氧底漆（双组分）；
2）原子灰腻子（双组分）；
3）水性丙烯酸聚氨酯中涂漆（双组分）；
4）水性丙烯酸聚氨酯面漆（双组分）；
5）水性环氧底面合一漆（双组分）；
6）水性丙烯酸聚氨酯清漆（双组分）
2.3 性能指标
轨道车辆用水性工业涂料性能指标参照Q/CR 227-2014《铁路机车车辆用防锈底漆》、Q/CR 236-2014《铁路机车车辆用面漆》及Q/CR546.1-2016《动车组用涂料与涂装 第一部分：车体外表面用涂料及涂层体系》执行，其中水性环氧底漆膜层主要性能要求见表1，水性丙烯酸聚氨酯面漆膜层主要性能要求见表2。
水性工业涂料中挥发性有机物等含量限值参照HJ 2537—2014《环境标志产品技术要求 水性涂料》中防腐涂料类相关条款执行，挥发性有机物及其它有害物质限值见表3，另外烷基酚聚氧乙烯醚等6种物质禁止添加。
3 水性工业涂料涂装应用技术说明
中车北京二七机车公司地处北京核心区域，是大气环境综合治理的重点企业，我们从2010年即着手水性工业涂料的技术调研、论证、试验工作，利用既有喷漆烘干设备、喷涂工具，针对不同产品、不同基材、不同表面处理方法及状态，在不同的温湿度条件下，重点对水性工业涂料的性能指标、施工性能、配套性能及涂装效果进行实际应用性试验、验证及评价。通过对多个国家内外著名品牌水性涂料产品进行性能、业绩、性价比等多方面综合比较，我们优选民族品牌的华豹水性工业涂料进行工艺试验、典型工件试验、车辆产品试验。
3.1 工件表面状态及处理方式
在轨道车辆、工程机械等装备制造行业，生产工艺复杂，油漆涂装范围涉及板材、加工件、焊接件、结构件、零部件、机组及整车。工件材质多种多样，包括热轧钢板及型钢、冷轧薄钢板、锻铸件、不锈钢、铝合金、玻璃钢等。工件表面状态也千差万别，如氧化皮、锈蚀、油污、切削液、焊接防溅剂、旧漆膜及灰尘杂质等。为保证油漆涂层的附着力及稳定性，需要针对不同工件结构、材质及表面状态进行针对性处理并到达一定的清洁度、粗糙度，采取的处理方法及要求见表4。
水性涂料施工过程中，工件涂装前表面处理方法和质量要求和溶剂型油漆是相同的，工件进行常规表面处理后喷涂水性工业涂料，涂膜状态及附着力良好。客观地说水性涂料对表面清洁度更敏感，如果偶然情况下出现清洁度不达标而喷漆的情况，溶剂型油漆隐患会长时间存在，水性涂膜会在短时间内表现出来，为及时处理提供了可能性，质量风险得到有效控制，避免影响的扩大化，在一定条件下水性涂料更起到了表面清洁度检查的作用。
3.2 环境温湿度对水性涂料施工的影响
施工温度和相对湿度是涂料正常施工、成膜的重要环境条件。水性涂料可以喷涂的温度范围10～35℃，相对湿度20％～85％，理想的喷涂温度范围18～30℃，相对湿度30％～70％。在实际喷涂时根据具体涂料类型及施工要求，通过合理选择喷涂方式及喷枪型号，调整工艺参数，可进一步扩大可正常施工的温湿度窗口范围。例如通过调整涂料粘度、涂料流量及喷涂速度、空气压力及流量、涂膜厚度、重涂间隔及表干时间等，以提高水性涂料对施工环境的适应性，达到理想的涂装效果。
水性涂料的干燥同样受温度、湿度、气流的影响，温度高、湿度小、空气流速快，涂层干燥快。水性涂料可以自然干燥，也可以加热干燥，加热烘干前应进行充分的表干或逐步升温干燥，可避免表面干燥过快导致涂层缺陷。
3.3 多样性配套应用
水性工业涂料基本配套体系的确定还应考虑水性涂料与溶剂油漆的配套性能，这主要基于以下情况：首先水性涂料应用初期，不可避免存在与溶剂油漆同时使用并逐步向水性涂料过渡阶段；其次轨道车辆运用期间及检修过程中，涂层修补及再次涂装时也存在水性涂料与溶剂油漆间彼此涂覆的可能性。
中车北京二七机车公司应用水性工业涂料过程中，经过一段时间的交叉使用，库存溶剂油漆得到最大限度的利用，实现无缝隙衔接转型。通过实际应用验证，水性工业涂料配套体系是稳定的、良好的。
3.4 喷涂工具及喷涂方式
轨道车辆涂装主要采用高压无气喷涂、高压混气喷涂及空气喷涂等，涉及到自动喷涂和人工喷涂方式。其中高压喷涂主要用于底漆、底面合一等厚涂层施工，中间涂层漆、面漆等的一般采用空气喷涂。
水性工业涂料的工艺过程、施工方式、参数控制与溶剂型油漆相似，用于溶剂油漆的喷涂工具完全适用于水性工业涂料，在溶剂油漆和水性涂料交替使用过程中，只要注意将喷漆枪（泵）及管路中的残留油漆涂料及溶剂清洗干净，再更换为水性涂料即可。
3.5 喷漆室及涂装生产线
轨道车辆普遍采用干式喷漆室或喷漆烘干室，室内送排风为上送下吸。干式喷漆室的特点是在室体下部底部采用过滤棉吸附漆雾，有机废气通常采用活性炭吸附等方式处理，喷漆室运行及维护过程中没有水的消耗及废水排放，轨道车辆行业典型干式喷漆烘干室主要技术参数见表5。喷漆室、烘干室一般采用独立布局，通过轨道及迁车台与腻子间、准备台位等其它功能台位连接为间歇式的柔性生产线。喷漆室及生产线形式适合轨道车辆多产品、不同工艺流程、不同生产周期的灵活应用，为水性工业涂料施工工艺过程及参数的必要调整提供了可行性。
4 环保要求及措施
近年来，国家和各省市对喷漆废气的排放越来越严格，以北京为例，2015年9月1日开始实施DB11/1226-2015《工业涂装工序大气污染物排放标准》地方标准,本标准为全文强制执行，规定2017年1月1日起现有污染源和新建污染源全部执行更加严格的第Ⅱ时段排放限值，大气污染物排放浓度限值见表6。本标准同时规定采用非原位再生处理工艺的喷漆室，每万m³/h设计风量的吸附剂使用量不应小于1m³，吸附剂更换周期不应长于2个月。
DB11/1226-2015《工业涂装工序大气污染物排放标准》实施后，利用原有喷漆室继续喷涂溶剂型油漆很难满足环保排放要求。无论是通过增加活性炭填充量，还是改用分子筛浓缩及催化氧化燃烧等技术，改造难度和装置建造投入都是巨大的，而且后期日常运转能耗及维护费用很高。
水性工业涂料VOC含量很低，中车北京二七机车公司2016年在原有喷漆室条件下全面实现水性涂装后，经过多次例行环保监测及临时抽查数据均大大低于限值。实际生产施工表明用原有喷漆室喷涂水性工业涂料，漆雾粉尘通过底层过滤棉处理后就可以达标排放。
5 综合成本分析
生产过程中的油漆涂装成本主要包括人工、油漆材料及辅料、设备及工装工具、能源消耗等直接费用，全面客观的成本构成还应该从产品的全生命周期及环境影响、社会效益等多维度考虑，下面对水性工业涂料与溶剂油漆的综合应用成本进行简单分析比较。
5.1 材料费用
油漆材料主要包括油漆涂料及配套稀释剂等。水性涂料价格一般要高于同等性能的溶剂油漆价格，不同型号不同品牌差异较大，总体上国外及合资品牌明显高于民族品牌，随着市场占有率及产量的提高，水性工业涂料价格呈现逐渐下降趋势。溶剂油漆在粘度调整及施工后工具清洗时需要消耗有机溶剂，而水性涂料直接采用纯净水或自来水，这方面水性涂料具有明显价格优势。
5.2 设备费用
在现有环保排放要求下继续使用溶剂油漆，无论是新建喷漆室还是利用原有喷漆室，都必须在有机废气净化处理上进行更大投入，动辄几百万。原有喷漆室一般能满足水性涂料施工并能够达标排放，不同气候区域可根据需要加装湿度调控装置。
5.3 运行费用
针对有机废气处理装置，采用非原位再生处理工艺的喷漆室、烘干室，活性炭等吸附剂填充量大，定期更换的材料、人工及废材料处置等费用高、工作量大、时间长。具有再生处理功能的吸附剂处理装置及催化氧化燃烧处理装置，运转能耗及维护费用也是很高的。
5.4 排污税费
2015年6月我国发布《挥发性有机物排污收费试点办法》，北京、上海、江苏等十多个省市已经陆续开征VOC排污费。其中北京市2015年10月1日开始对石油化工、汽车制造等5大行业试点，VOC排污费基本收费标准20元/Kg，超标排放40元/Kg。
2018年1月1日《中华人民共和国环境保护税法》施行，开始对大气污染物、水污染物、固体废物和噪声征收环境保护税，其中苯、甲苯、二甲苯等列入水污染物和大气污染物征收范围。
5.5 固废处理费
溶剂油漆产生的固体废物危险废物，须严格按照规定进行储存、运输及无害化处理，2016年6月环保部等联合发布新一版《国家危害废物名录》，将水性涂料生产和使用过程中产生的固废不再列为危险废物，相关细则颁布实施后水性涂料固废处理简单，降低了水性涂料的应用成本。
5.6 安全生产
溶剂油漆是典型的易燃易爆品，在油漆生产、储存、运输、涂装施工过程中涉及的人员、工装工具、设备设施、库房厂房等须进行防爆配置、建造、运行，一旦发生不可预测的安全事故，后果和损失不可估量。水性涂料不燃不爆，生产安全风险极低，在相关法律法规及标准的规范指导下，将大大降低水性涂料的安全施工成本。
5.7 其他成本
溶剂油漆对直接操作人员、间接接触人员健康的危害及对环境的影响毋庸置疑，企业和国家需要大量投入进行劳动防护、监测、治疗、治理等。
6 应用效果
水性涂料与粉末 涂料、UV涂料、高固体份涂料等都是绿色环保涂料的发展方向，可根据涂料性能及涂装产品的结构特点、防护功能、工艺过程等合理选择应用。其中水性工业涂料的配套体系、工艺过程、施工方式与溶剂油漆相同，对原有喷漆设备的适应性强，在轨道交通行业是传统油漆最直接、最有效的替代产品。
2016年7月1日开始，中车北京二七机车公司全部产品、全涂层体系实现了水性化涂装，彻底解决了VOC污染及涂装生产环节安全隐患问题。华豹品牌水性工业涂料应用于内燃机车、电力机车、工程机械、矿山车辆及出口机车等全系列新造和检修产品，配套体系、施工性能、漆膜性能满足防护装饰要求。
涂料的综合应用成本构成因素较多，从不同主体、不同阶段、不同范围、不同角度测算结果有所不同，综合考虑使用水性涂料的直接成本不会明显提高，但安全环保特性突出，社会效益和环境效益显著。
7 结语
涂料涂装正处于绿色转型期，以水性工业涂料为代表的环保涂料，技术不断进步，性能不断提高，施工技术不断成熟，实现了从基本防护到高端装饰的多功能多领域覆盖。水性涂料社会认可度和影响力不断提升，目前已在汽车、机车车辆、工程机械、钢结构、集装箱、风电等多个行业应用。在国家节能、环保政策法规推动下，配套技术不断发展，水性工业涂料已经迎来了快速发展机遇。
（文章发表于《现代涂料与涂装》2019-4）
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