羅磊 曹祖軍 孫穎 龍浪 馮鵬 張友糧

（中車(chē)時(shí)代電動(dòng)汽車(chē)股份有限公司，常德 415001）

1 前言

目前，涂料生產(chǎn)及其應(yīng)用每年向大氣釋放約1 100×104t 有機(jī)溶劑，這是僅次于汽車(chē)尾氣的第二大VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）污染源[1]，這些揮發(fā)性溶劑可與大氣中的物質(zhì)反應(yīng)，形成粒徑為2.5 μm 的顆粒。此外，這些揮發(fā)性有機(jī)物還造成溫室效應(yīng)、酸雨等現(xiàn)象，它們不僅對(duì)自然環(huán)境造成極大的破壞，還會(huì)引起各種疾病[2]，例如刺激眼睛、皮膚、呼吸道，引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常、頭痛、支氣管炎等。

《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》指出，在重點(diǎn)區(qū)域排放揮發(fā)性有機(jī)化合物的新項(xiàng)目應(yīng)進(jìn)行污染物排放替代[3]。由于水取代了涂料中的有毒有機(jī)溶劑，VOCs 的排放量大大減少。該類(lèi)涂料施工環(huán)境安全環(huán)保，無(wú)火災(zāi)隱患，施工機(jī)械無(wú)需重大改造即可使用，可在很大程度上節(jié)約成本。因此，加快水性涂料的應(yīng)用研究，推廣溶劑型涂料向水性涂料的轉(zhuǎn)型是行業(yè)的發(fā)展方向。我國(guó)客車(chē)水性涂料的噴涂尚處于探索階段，尚未形成統(tǒng)一的生產(chǎn)模式。由于漆膜質(zhì)量和成本問(wèn)題，很少有客車(chē)廠(chǎng)商嘗試采用水性涂料，客車(chē)水性涂料還有很大的應(yīng)用和推廣空間。

2 水性涂料應(yīng)用中存在的問(wèn)題

目前，水性涂料廣泛應(yīng)用于乘用車(chē)生產(chǎn)中，但以下問(wèn)題仍然制約著水性涂料在客車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.1 涂層性能

根據(jù)烘烤溫度的不同，涂層可分為高溫漆和低溫漆。在乘用車(chē)制造中，通常使用高溫涂料，而在客車(chē)制造中，通常使用低溫涂料。目前，市場(chǎng)上水性高溫涂料的性能已經(jīng)非常成熟，漆膜外觀(guān)、耐腐蝕性、耐候性等指標(biāo)可與傳統(tǒng)溶劑型涂料媲美，且環(huán)保性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于轎車(chē)涂裝。然而，水性低溫涂料可能存在以下問(wèn)題：光澤較低、桔皮現(xiàn)象嚴(yán)重、耐老化性能差、成本偏高。

2.2 水性涂料的儲(chǔ)存和運(yùn)輸

水性涂料中的某些成分不穩(wěn)定，在儲(chǔ)存過(guò)程中，很多成分都會(huì)發(fā)生物理變化和化學(xué)反應(yīng)。比如，高分子樹(shù)脂緩慢聚合和降解，色素顆粒絮凝、沉淀[4]，在溫度和濕度發(fā)生重大變化的情況下，這些變化會(huì)加速。因此，水性涂料儲(chǔ)存期間應(yīng)保持一定的溫度和濕度。溶劑型涂料的貯存溫度相對(duì)較寬，但由于水的冰點(diǎn)高于大多數(shù)有機(jī)溶劑，在低于0 ℃時(shí)，水性涂料會(huì)結(jié)冰，其理化性能會(huì)被破壞。此外，如果溫度過(guò)高，水性涂料將產(chǎn)生明膠，呈現(xiàn)果凍狀態(tài)，因此，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中必須采取適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂拼胧?，確保涂料的溫度在允許范圍內(nèi)。

2.3 溫度和濕度控制

水性涂料的組成決定了水性涂料的設(shè)計(jì)方法不同于溶劑型涂料。表1 所示為水和有機(jī)溶劑的部分物理化學(xué)性質(zhì)。

表1 有機(jī)溶劑與水部分特性對(duì)比

水的蒸發(fā)熱是一般有機(jī)溶劑的5~7 倍、沸點(diǎn)高、蒸發(fā)慢、表面張力高、潤(rùn)濕性差，易出現(xiàn)流掛、縮孔現(xiàn)象。由于不同溶劑（如醇、醚和苯）的沸點(diǎn)不同，通過(guò)調(diào)整不同溶劑比例，可以調(diào)節(jié)溶劑的揮發(fā)速率，增強(qiáng)涂料的流平性能。而水的沸點(diǎn)固定，因此水性涂料的施工溫度范圍比溶劑型涂料窄。為了獲得良好的涂層外觀(guān)，對(duì)噴涂區(qū)域的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)的要求應(yīng)該更加嚴(yán)格。水蒸發(fā)成蒸汽，其體積膨脹1 244 倍，增加了噴漆室內(nèi)的濕度。如果相對(duì)濕度＞80%或溫度＜15 ℃時(shí)，水的揮發(fā)速度非常慢，很容易產(chǎn)生流掛，影響外觀(guān)質(zhì)量。水性涂料的施工溫度通常為23~30 ℃；相對(duì)濕度為50%~70%。因此，有必要確保噴漆室的通風(fēng)系統(tǒng)功能正常，以便在涂裝過(guò)程中及時(shí)排出水蒸汽，當(dāng)溫度超過(guò)施工溫度范圍時(shí)，應(yīng)打開(kāi)空調(diào)。

3 水性涂料輸送和混合系統(tǒng)的工藝要求

3.1 水性涂料輸送和混合器的要求

由于水性涂料和溶劑型涂料的不同理化特性，對(duì)混合系統(tǒng)有不同的要求。

a.水性涂料管道必須由不銹鋼組成，且必須經(jīng)過(guò)鈍化處理，包括管道材料、閥門(mén)、密封等，具有耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑性；

b.當(dāng)剪切力不同時(shí)，水性涂料的粘度變化很大，過(guò)高的剪切力會(huì)影響涂料的穩(wěn)定性，因此必須使用低剪切裝置來(lái)保持涂料性能的穩(wěn)定性；

c.確保油漆的穩(wěn)定供應(yīng)并避免干燥。水性涂料對(duì)流體控制有很高的要求，因?yàn)樵阡撈恐械耐苛弦何幌陆岛?，附著于鋼瓶壁的涂料很容易干結(jié)，并且不會(huì)由于液位上漲而溶解，從而影響涂層質(zhì)量；

d.水性涂料中的水是1種分散劑和稀釋劑，對(duì)水質(zhì)要求很高。去離子水的電導(dǎo)率必須＜5 μS/cm。此外，應(yīng)控制pH值在6.8~7.2，因?yàn)樗嵝曰驂A性物質(zhì)會(huì)破壞水性涂層的乳液狀態(tài)，降低流平性和填充性，甚至影響膜的固化反應(yīng)。此外，應(yīng)測(cè)試水中的細(xì)菌含量；

e.對(duì)于水性涂料，混合容器中的溫度必須高于混合室中的環(huán)境溫度。此時(shí)，鋼瓶中的蒸汽在鋼瓶?jī)?nèi)壁凝結(jié)成水，返回涂料系統(tǒng)，避免涂料干結(jié)。

3.2 水性涂料的混合參數(shù)和工藝要求

粘度是1 個(gè)非常重要的施工參數(shù)。對(duì)于水性涂料，粘度測(cè)量不同于傳統(tǒng)的溶劑型。剪切力的變化幾乎不會(huì)影響溶劑型涂料的粘度。通常使用粘度杯來(lái)測(cè)量粘度。在剪切力變化的影響下，水性涂料的粘度變化很大。在低剪切力下，如在容器中，粘度較高，而在管道中高速循環(huán)或噴射時(shí)，粘度大幅降低，使用粘度杯測(cè)定的粘度數(shù)據(jù)具有不可再現(xiàn)性。只有通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量不同剪切速度的數(shù)據(jù)點(diǎn)的流變曲線(xiàn)才可以確定流變行為的完整特征。鑒于現(xiàn)場(chǎng)涂裝工藝的條件，不可能使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量每次調(diào)漆，因此仍然使用粘度杯進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)流動(dòng)時(shí)間，控制同一輸送和混合系統(tǒng)中的涂料保持穩(wěn)定性，并評(píng)估不同涂料批次之間的粘度差異。

4 水性涂料的噴霧成膜特性

靜電旋杯水性涂料的成膜過(guò)程可分為4 個(gè)階段，霧化、充電、移動(dòng)粘附、收縮和微調(diào)整[5]。

第1 階段：霧化，由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的旋杯，水性涂料在強(qiáng)大的離心力作用下會(huì)形成無(wú)數(shù)的小液滴和顆粒。

第2 階段：充電過(guò)程，涂料液滴被高壓發(fā)生器充電。

第3 階段：移動(dòng)粘附，在旋杯的離心力作用下，帶電子的顆粒飛到物體表面并均勻地粘附在物體表面。

第4 階段：收縮和微調(diào)整，隨著溶劑的蒸發(fā)，涂料顆粒容易收縮和微調(diào)整，導(dǎo)致濃縮、聚集、重疊、擠壓等現(xiàn)象，并逐漸形成薄膜。

水性涂料的大多數(shù)溶劑是水。與有機(jī)溶劑相比，水的蒸發(fā)速度較慢，干燥時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，顆粒移動(dòng)過(guò)程中水的揮發(fā)較低，漆膜的固體含量不易增加，第4 階段的收縮和微調(diào)整不明顯，而成膜質(zhì)量主要取決于第3 階段的均勻附著。因此，高質(zhì)量的外觀(guān)要求有合適的噴涂距離、移槍速度、涂料流量、氣壓、旋杯速度、靜電電壓、噴幅重疊和噴涂路徑。

5 機(jī)器人噴涂工藝開(kāi)發(fā)

5.1 路線(xiàn)的開(kāi)發(fā)

常用的機(jī)器人噴涂速度為300~800 mm/s。噴幅重疊通常為1/3~2/3，以兼顧漆膜均勻性和噴涂效率。圖1 顯示了車(chē)身前圍的噴涂路線(xiàn)，圖2 顯示了車(chē)身左側(cè)的整個(gè)噴涂路線(xiàn)。根據(jù)車(chē)身的外觀(guān)為車(chē)輛每個(gè)部件分別編制軌跡程序。軌跡要求垂直于噴涂部位表面，路線(xiàn)間距均勻。為保證效率，應(yīng)減少空槍運(yùn)動(dòng)時(shí)間，使運(yùn)行路線(xiàn)順暢。

圖1 車(chē)身前圍部位噴涂運(yùn)動(dòng)軌跡

圖2 車(chē)身左側(cè)整體噴涂運(yùn)動(dòng)軌跡

5.2 程序的調(diào)試

路線(xiàn)編制完成后，導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人控制臺(tái)。使用樣車(chē)車(chē)身測(cè)試程序，進(jìn)行示教和優(yōu)化。確認(rèn)噴涂路線(xiàn)、運(yùn)行距離、旋杯的噴涂方向、噴槍之間的連接等參數(shù)是否合適。示教結(jié)束后，將結(jié)合工件的特性，預(yù)設(shè)電壓、氣壓、速度、噴涂幅度和流量等參數(shù)。參考之前的涂裝工藝經(jīng)驗(yàn)以及樣板噴涂的測(cè)試和評(píng)定，表2中給出了噴涂參數(shù)的最佳設(shè)置。

表2 機(jī)器人噴涂參數(shù)設(shè)定

6 水性中涂噴涂步驟

6.1 供漆系統(tǒng)的投料

在集中供漆室投料，首先將水性中涂原漆加入容器，再將稀釋劑加入原漆，在儲(chǔ)罐中開(kāi)啟機(jī)械攪拌，待完全混合均勻后，調(diào)整至相應(yīng)粘度。固化劑加入固化劑罐體，并用氮?dú)獗Ｗo(hù)。

6.2 手動(dòng)預(yù)噴涂

用壓縮空氣配合除塵布清潔車(chē)身表面。由于角度限制，一些邊角無(wú)法由機(jī)器人噴涂，需要手動(dòng)預(yù)噴涂，對(duì)車(chē)頂流水槽、底部裙邊、艙門(mén)邊縫蒙皮上沿止口、大燈安裝孔等位置進(jìn)行人工噴涂中涂。噴邊角時(shí)減小噴幅和氣壓，防止產(chǎn)生流掛。

6.3 機(jī)器人噴涂

在車(chē)身的特定部位粘貼隨車(chē)試板，便于隨后性能測(cè)定。將車(chē)身移動(dòng)到機(jī)器人噴涂工位的限定位置。打開(kāi)控制臺(tái)計(jì)算機(jī)上的機(jī)器人控制軟件，確認(rèn)機(jī)器人處于原點(diǎn)位置。確認(rèn)所有自檢狀態(tài)正常，噴涂區(qū)域內(nèi)不得有人員或障礙物，避免發(fā)生事故。檢查車(chē)型，確認(rèn)與實(shí)際車(chē)型相符。檢查噴漆室內(nèi)的送風(fēng)和排風(fēng)是否正常，溫度和濕度是否在允許范圍內(nèi)。啟動(dòng)噴涂程序，機(jī)器人自動(dòng)開(kāi)始在車(chē)身上噴涂。

6.4 流平和干燥

由于水性涂料在噴涂后的揮發(fā)性比溶劑型涂料小，因此工件在噴涂后到達(dá)流平室后，流平時(shí)間應(yīng)相應(yīng)延長(zhǎng)，以確保大量的水蒸發(fā)并及時(shí)排出，形成外觀(guān)良好的漆膜，然后進(jìn)入烘房烘烤。

7 溶劑型面漆配套施工

7.1 中涂漆打磨

將車(chē)身移至中涂打磨室，用P400 砂紙對(duì)前后燈孔、左右轉(zhuǎn)角、窗框邊緣、保險(xiǎn)杠邊緣等尖角棱邊處進(jìn)行手工打磨，對(duì)前后圍、側(cè)圍、艙門(mén)等大面積部位用打磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械打磨。

7.2 面漆噴涂

將打磨、吹灰好的車(chē)身移至面漆噴漆室，用除塵布將車(chē)身擦拭一遍，去除表面灰塵、纖維等雜物。按適當(dāng)?shù)膰娡宽樞驅(qū)?chē)頂、前后圍、側(cè)圍、艙門(mén)等部位均勻噴涂2 遍面漆。

7.3 流平和干燥

面漆噴涂完成后車(chē)身移至流平室，靜置15 min，然后進(jìn)入烘房烘烤。

8 評(píng)審和試驗(yàn)記錄

組織生產(chǎn)、質(zhì)量、工藝、采購(gòu)人員分別對(duì)中涂后和面漆后2 個(gè)階段的噴涂樣車(chē)進(jìn)行評(píng)審，觀(guān)察漆膜外觀(guān)。并對(duì)隨車(chē)試板進(jìn)行測(cè)定，性能測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 車(chē)身和樣板測(cè)定結(jié)果記錄（溫度/濕度為28 ℃/67%）

通過(guò)對(duì)水性中涂和配套溶劑型面漆的性能測(cè)定，可以確定其性能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明水性中涂的施工工藝合理、可靠，符合產(chǎn)品的使用條件。

9 結(jié)論

隨著噴漆機(jī)器人的使用越來(lái)越多，使用機(jī)器人噴涂高質(zhì)量的漆膜已成為一個(gè)重要課題。工藝開(kāi)發(fā)和調(diào)試是結(jié)合各種因素進(jìn)行的，如涂層性能、生產(chǎn)線(xiàn)硬件條件、機(jī)器人性能和工件特點(diǎn)。在機(jī)器人噴涂水性中涂過(guò)程中，通過(guò)涂層管理和工藝探索，實(shí)現(xiàn)了水性涂層性能與溶劑涂層相當(dāng)。使用水性涂料不僅可以顯著減少VOCs 排放，降低環(huán)境污染，還可以改善噴房的空氣質(zhì)量，降低職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境效益兼顧兼得。