汽车高固含涂装技术：承担节能减排重任
■ 奇瑞汽车股份有限公司 和军强
随着汽车涂装技术的发展，具有施工高固含的涂装技术逐步得到推广和认可。但真正具有稳定的施工高固含技术问世尚不足十年。经过实践验证，新的高固含技术在挥发性有机化合物（VOC）排放上接近水性漆的水平，在碳排放和施工要求上又具备原来普通溶剂型涂料的优势，是节能环保涂料技术方面的新选择。
汽车高固含技术和水性漆的对比
VOC产生量的对比
普通3C2B溶剂型涂装工艺色漆施工固含平均在20%~30%之间，加上用量较多，其单车VOC产生量占整个涂装工序近一半，详见表1。
色漆涂料随着固含升高、用量减少，按施工固含反算，当金属漆固含接近50%左右、本色漆固含达到60%左右的时候，单车VOC和水性漆基本相当。如果考虑高固含施工中机器人油漆吐出量减少带来的上漆率提升、水性漆多为外加电尤其内表面更难加电的情况，高固色漆减排的优势更大。
采用高固色漆，相比普通溶剂涂料浪费（即环境有害物）减少了50%~70%，而水性漆，大约也是将普通溶剂涂料中60%左右的溶剂用水替代（见图1），即同样内加电的情况下减少约60%的环境有害物。
除了色漆涂料，中涂、清洗溶剂等对高固含和水性漆生产线VOC排放的比较结果也有影响。整体来说，在采用同样工序和机器人外喷、人工内喷的情况下，高固含相对水性漆VOC排放略高，如果内外喷均采用机器人静电喷涂，高固则可能具有VOC排放的优势，但都可以达到2016年11月公布实施的《涂装行业清洁生产评价指标体系》VOC控制指标。
单车碳排放的对比
高固含和普通溶剂漆施工窗口基本相当，而水性漆因为水分预烘干需求和较为严格的施工条件，动能消耗较大，相应地碳排放也较多，有案例显示其他条件基本相同的情况下，高固工艺比传统水性工艺二氧化碳排放可以减少34%。
废水废渣废溶剂后处理的对比
水性漆的核心优势是与水相融，这同时在后处理方面，也形成了一些对应的劣势。一方面前述上漆率的问题可能导致水性漆废物产生量更大，另一方面因为过喷漆雾难以从水中分离出来，以及表面活性剂的影响，喷涂循环水中的有机物含量高、泡沫多、气味大，循环水和污水难以处理，在监管不到位的情况下会进入饮用水融入人体，形成很大的公害。随着干式喷漆漆雾分离技术的不断成熟，水性漆的后处理难题有望得到解决。
水性清洗溶剂中的溶剂也难以分离，目前均需花费较高的危废处理费用，而溶解涂料的清洗溶剂较为容易提炼出可以二次利用的产品，因此在部分地区溶剂型涂料的清洗溶剂可以作为商品卖给有处理资质的单位，建议国家法规支持这一做法，促进溶剂的回收比例。
高固含工艺的比较
环保法规对应情况
根据表1，仅仅色漆采用高固含，使得该段VOC降低60%之后，加上普通溶剂漆中涂原漆固含60%和清漆原漆固含50%左右的行业普遍情况，就可以达到2016年11月1日颁布实施《 涂装行业清洁生产评价指标体系》VOC部分三级指标，详见表2。
在此基础上，为了符合50%高固含环保涂料的使用要求，进一步控制VOC排放，以及根据情况达到更好的经济性或外观性能要求，可以根据情况选择方案，采用清漆切换高固、紧凑高固、配套2K的高固、免中涂高固等技术。
改造和运行成本的对比
原有乘用车溶剂型涂装生产线，多采用3C2B方式，有的在受原有工艺和布局的限制难以改造为3C1B工艺，如原有生产线没有PVC烘干、中涂和面漆的位置难以相连等等，这需要根据生产线的情况具体分析。总体而言，不改变原有3C2B布局的改造成本和风险最低，改造为3C1B的难度要根据具体情况，但投资肯定更高，而清漆系统改造为2K清漆，也是一笔不小的投资，尤其是采用机器人手臂内双组分配比的方案。
在运行成本上，因为3C2B溶剂漆中涂具有绝对的价格优势和质量稳定性，所以现阶段3C2B色漆高固含还是最为经济的方案，随着3C1B高固含工艺的不断普及、高固含清漆和2K清漆的大量应用，加上紧凑工艺在能效和能耗上的优势，未来3C1B高固含和3C1B高固含+2K清漆的运行成本有可能达到、甚至低于3C2B高固含工艺。
当然，如果考虑改造水性漆，目前行业已经有多个实际案例，这样的改造投资往往上亿、需要两三个月停产改造和一段时期的爬坡，运行成本也会明显提升，其代价远远大于改造成上述各类高固含方案。
外观和性能的差异
随着这几年的研究开发，一些研究数据也表明，3C2B高固含工艺外观较好，在紧凑的3C1B高固含中最好配套2K清漆。
因为紧凑水性工艺在确保外观的需要，以及2K清漆在性能上的一些优势，最近几年2K清漆的应用在国内迅速普及，尤其万华化学等国产异氰酸酯2K清漆固化剂的成熟，其单车成本也逐渐向普通清漆靠拢。当然，一些高固体系色漆和2K清漆的配套性研究，也会是一个长期的新难题。
外观和性能的差异，除了配套性和涂层厚度等，主要差异取决于清漆。各家同类清漆产品的开发机理不尽相同，如立邦高固含采用低分子量丙烯树脂+ 低粘度聚酯树脂+高NV氨基树脂（见图2），PPG高固含采用聚酯+丙烯酸体系，艾仕德高固含采用硅氧烷+丙烯酸体系，但总体来说，高固含清漆相比普通单组分清漆，VOC上有一定优势，施工性能相当或略好，在外观和性能上有所提升；2K清漆和高固含清漆VOC基本相当，在耐磨性、目视外观、耐溶剂等方面表现更好，参考部分油漆材料供应商和主机厂的资料绘制的三种产品大致差异示意见图3。
高固含调试的要点
汽车高固含作为一个新技术，尤其在替代原有普通溶剂漆时，需要注意一些技术方面的差异。
高固表干性能与低固体分油漆不同，低固体分色漆在湿碰湿工艺时，需要表干，而高固分油漆不会表干。为了增加对流挂的控制，油漆必选表现为在剪切力作用下的假塑性，及在高剪切力下粘度降低，以及剪切力屈服点，即在某一剪切力之下表现为高的剪切力，为了能使油漆具备剪切变稀以及剪切压力的屈服点，高分子微胶的加入使得高固体分色漆具备了这样的性能。这种表现有一点类似水性涂料，因此水性涂料的一些缺点在高固涂料上也会有不同程度的反映，如表面张力问题导致的缩孔。另外，因为高固含改造多直接配套原有材料，高固含清漆跟原有中涂接触可能产生一些抽缩等不良反应，跟原有PVC胶条接触会可能产生清漆开裂发粘的情况。
因此，采用高固含涂料，需要按照施工要求进行设备的改造，也需要在实验室和调试中反复研究配套关系。高档的汽车涂装线为普通溶剂型涂料也提供了较好的施工条件，基本可以满足高固含涂料施工的要求，只不过原有溶剂型涂料经过多年现场实践在实际应用中可能要求十分宽泛，比如接近温湿度甚至压缩空气含油量大幅度突破产品技术要求也能够施工，而高固含涂料目前还达不到。在原有的PVC胶配套上，要注意塑化剂等迁移材料的控制和阻隔迁移材料的适当添加。
2016年12月26日环境保护部办公厅印发执行的《汽车整车制造建设项目环境影响评价文件审批原则》提出：大气污染防治重点区域内新建、扩建汽车项目，改建项目水性、高固含份、粉末、紫外光固化涂料等低挥发性有机物含量涂料的使用比例达到50%以上。这是建设项目环评法规中首次明确支持在改扩建中采用高固含工艺。
在更加严格的地方政策方面，也有对汽车涂装高固含工艺十分支持的，如《浙江省挥发性有机物深化治理与减排工作方案（2017-2020）》（征求意见稿），将高固含定义为和水性漆一样“含有VOC的非溶剂型涂料”，作为汽车制造业首要推荐的环保涂料升级方案。
随着法规的支持和技术的完善，汽车高固含涂装技术必将和水性漆技术相互竞争，共同承担起汽车涂装行业节能减排的重任。
表1 某传统溶剂型3C2B汽车涂装生产线VOC分布情况
单车耗量 VOC含量 VOC产生量/（g·m-2 ) VOC产生量/（g·m-2 ) VOC产生
/kg /% （烘干炉处理前） （烘干炉处理后） 比例/%
电泳 6.5 3 1.9 0.04
PVC胶 8.9 4 3.5 3.5
蜡 0.3 60 1.5 1.5
中涂 2.0 36 7.3 5.2
中涂稀释剂 0.2 100 1.7 1.2
色漆 2.5 70 17.7 12.5
色漆稀释剂 1.6 100 16.0 11.3
清漆 2.2 50 9.6 6.7
清漆稀释剂 0.4 100 4.0 2.8
清洗溶剂 1.8 100 17.6 17.6
废溶剂回收 1.1 100 -10.5 -10.5
合计 70.3 51.9 100
表2 《 涂装行业清洁生产评价指标体系》VOC部分
Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级
中涂原材料 VOCs含量≤30% VOCs含量≤40% VOCs含量≤55%
色漆原材料 VOCs含量≤50% VOCs含量≤65% VOCs含量≤75%
清漆原材料 VOCs含量≤55% VOCs含量≤60% VOCs含量≤65%
乘用车VOCs /(g·m-2) ≤35 ≤40 ≤45