工程机械对低VOC涂料的选择与应用

叙述了工程机械选用各种低VOC涂料方案的特点;使用综合加权评分法分析了各种低VOC涂料对工程机械涂装的影响要素及权重;探讨了适合工程机械的具有"低VOC、低成本、高质量"的聚天门冬氨酸酯聚脲涂料(天冬聚脲涂料)的应用问题。

关键词：涂料涂装?低VOC涂料?工程机械?水性涂料?粉末涂料?高固体分涂料?UV涂料?天冬聚脲涂料

1 工程机械行业对低VOC涂料的艰难选择

? ? 随着制造工业的发展，我国正处在历史上*严重的大气污染状态，雾霾问题已经引起全国方方面面的高度重视。根据有关研究资料介绍，VOC是雾霾的主要形成因素之一，而涂料涂装行业是VOC排放源之一。我国各级政府及环保相关部门，陆续颁布了强硬的环保强制措施，在全国各地形成了治理雾霾的高压态势，涂料、涂装行业也成为重点监控、治理的对象之一。因此，很多涂料与涂装企业，面临着巨大的重大挑战和考验。

? ? 在涂料、涂装行业中，环保治理的主要内容是VOC、溶剂毒性、涂料重金属及其他有害物质等。其中，VOC的危害及其治理，是目前行业内*为关心的重要内容。治理VOC的方法有很多种，大致可以分为两类：一类是在涂料制造与涂装过程中，使用各种废气治理方法进行处理，比如活性炭(或沸石)吸附法、燃烧与催化燃烧法、低温等离子处理法等等；一类是从涂料、涂装的原材料进行控制，减少或不使用含有VOC的材料，从而达到减少VOC排放的目的。两者相比，后者是从根源上进行解决VOC的排放，更具有“事半功倍”的效果。使用“低VOC涂料”，与事后治理相比(涂装过程中的废气处理)是更有效的方法。关于“低VOC涂料”目前没有统一的标准和定义，建筑涂料行业是将VOC在30 g/L以下的涂料称为“低VOC涂料”，VOC在1 g/L以下的涂料称为“零VOC涂料”。财政部、国家税务局的财税[2015]16号文规定，自2015年2月1日起对涂料征收4%的消费税(对施工状态下VOC含量≤420g/L的涂料免征消费税)。国家环境保护标准HJ 2537—2014《环境标志产品技术要求水性涂料》中，将汽车涂料规定为VOC为75～150g/L……鉴于此种情况，为了讨论问题方便，本文暂且将VOC含量低于溶剂型涂料的涂料称为“低VOC涂料”。

? ? 作为工程机械行业与其他使用涂料进行涂装的制造行业类似，所要追求的目标就是要实现“低VOC排放、低成本涂装、高涂层质量”的目标，这也是企业决策者(主管领导)和涂装工程师共同追求的决策目标。但是，由于涂装技术的特殊性，确实让人感到是“雾里看花”、“剪不断，理还乱”，有认识上的模糊性。同时，“牵一发而动全身”，低VOC涂料的选择与使用，涵盖了涂装技术及企业管理的各种各样的问题，涉及企业的方方面面，如何使用有限的资源，获得*佳经济和社会效益，不但是一个简单的涂装技术问题，同时也是一个复杂的决策选择问题，需要使用决策的理论和方法进行分析、思考。作者在本文中试图从涂装技术与企业决策管理的角度，总结工程机械工厂选择、使用“低VOC涂料”的一些体会，抛砖引玉，供涂料涂装行业内的各位同行参考。

2 低VOC涂料选择的影响因素与权重系数

? ? 一般选择工程机械涂料时，要考虑到如下几个因素：

(1)涂料涂层是否符合产品(设备)的使用环境；

(2)涂料涂层是否满足产品(设备)的设计或使用寿命；

(3)涂料在所规定的工艺条件下形成的涂层是否能达到涂层体系的质量标准；

(4)涂料是否有实际使用经验、业绩或模拟试验；

(5)涂料在现有或改造后的涂装生产条件下的工艺性如何；

(6)涂料与其他表面工程技术的配套情况如何；

(7)涂料的性能价格比如何。

? ? 但是，在目前“新常态”的条件下，形势的变化使影响因素变得复杂起来，决策难度加大。现在新建工程机械涂装工厂或涂装车间，可能性很小，主要以现有工程机械的涂装车间(工厂)进行分析。同时，市场不景气、销售额大幅度下降，企业*为关心的难点问题，如投资的大小或成本的高低，也都成为评价的重要因素。

? ? 综合考虑各种情况以及使用“综合加权评分法”的便利，本文特别选择出“VOC含量及排放、涂层体系质量、综合成本、能量消耗、投资费用、实施难易”6个影响因素进行分析。

2.1 VOC含量及排放

? ? VOC含量及排放的法律法规的要求，是*重要的影响因素之一。如果没有严格法规的出台，就不会触动企业的行为，良心和责任感在经济效益面前是软弱的。对企业“停产、双罚、刑事责任”等，直接影响涂料的选择与切换的决心。

2.2 涂层体系质量

? ? 涂层体系质量也是重要的影响因素。不能保证产品涂层质量的低VOC涂料，将会降低或者严重影响企业在市场上的竞争力，导致销售下降，影响全体员工的“饭碗”，这是毋庸置疑的。但是，由于涂层体系的质量有“隐蔽性、滞后性”，在对质量问题的判定上就会出现不尊重客观规律，按“上级意志”办事的倾向。

2.3 综合成本

? ? 综合成本包括涂料及稀料等辅料、人工、能耗(水、电、压缩空气、煤气、蒸汽等)、环保设备运行费用等。如果因为低VOC涂料的采用，加大了工程机械的制造成本，就会挤压产品带来的利润，利润下降会引发企业的各种矛盾，严重影响企业的生存与发展。

2.4 能量消耗

? ? 控制能耗是国家“节能减排”重要措施，是衡量企业整体素质的重要指标。与先进国家相比，我国制造业能耗指标高高在上，不降低能耗指标，我们现有的能源体系，将无法支撑制造业的发展和进步。因此，能耗指标是考核工程机械厂的一个重要内容，也是综合成本的一部分。

2.5 投资费用

? ? 自2011年以来，工程机械行业销售连续大幅度下滑，各企业普遍销售不景气，产能严重过剩。目前投资乏力，大幅度增加投资改造涂装车间、新增涂装设备大量已不可能。限于目前各企业拮据的经济条件，能够使用已有涂装车间和设备的低VOC涂料是*佳选择。使用*少的投资和成本，达到国家或当地的VOC排放标准是*好的选择。汽车行业由于是技术与资金高度密集的行业，在新建或改建涂装车间、设备时，均已投资或预留了使用水性涂料、高固体分涂料的工艺和设施，在使用低VOC涂料时，其改造费用就不会有很大的投资。与此相反，工程机械行业在大干快上时，“萝卜快了不洗泥”，涂装设施严重滞后，在使用双组分溶剂型涂料(2K涂料)涂装时，产品涂层质量还可以凑合，但是，要改用水性涂料等低VOC涂料时，所需要的投资费用就成为一大难题。

2.6 实施难易

? ? 在使用低VOC涂料的过程中，实施的难易程度是制定涂料方案的重要指标。实施的难易直接影响实施的进度，由于是在不停产的情况下进行设施改造和涂料切换，进度的快慢又直接影响企业的生产和效益。

? ? *简便易行的实施方案，就是使用现有的工艺(或简化工艺)设备、土建公用条件，直接进行低VOC涂料的切换，获得达到产品质量要求的涂层体系。*难于实施的方案，就是对现有的工艺、设备、土建公用条件进行改造(调整、新增)，要进行方案设计、审批、招标、采购、施工、验收等工作，均需要大量的人和财物的投入，严重影响企业的生产安排和经济效益。

? ? 另外，各工程机械工厂都有大量的条件较差的外协厂。在“多品种、少批量、条件差”实际情况下，即使主机厂有能力投资进行改造，大量外协厂本来涂装设施的水平就低，利润很少，让其进行改造，也是很困难的事情。众多外协件不能有效应用低VOC涂料，就会影响整机的涂料切换和涂装质量。

3 各种类型低VOC涂料的分析评价与选择

3.1 各种低VOC涂料方案的特点

? ? 涂料制造技术的进步为涂装提供了各种低VOC涂料，对于工程机械制造行业的涂装如何根据行业特点进行选择，尚需按照“涂装5要素”进行细致的分析。表1为各种低VOC涂料的定性分析汇总，也包括使用*多的溶剂型涂料。

3.1.1 溶剂型涂料

? ?现在工程机械使用量大、应用面广的涂料，是溶剂型的环氧底漆与丙烯酸聚氨酯面漆，此处列出的是作为低VOC涂料作为对比的基础。其他各类使用量较小的涂料，在此不再赘述。

3.1.2 水性涂料

? ? 工程机械大面积使用的喷涂类水性涂料是双组分环氧底漆与双组分聚氨酯面漆，表2列出了试验的结果和收集到的相关资料。

3.1.3 粉末涂料

? ?对于粉末涂料而言，有两种情况需要分别对待。一是新建粉末涂料生产线(或车间)，二是利用已有的粉末涂装生产线。对于工程机械主机厂的钢结构件的涂装，一般不使用粉末涂装生产线，要使用粉末涂料的方案，就需要新建，具体特点见表3。

3.1.4 高固体分涂料

? ?高固体分涂料(简称HSC，又称高固含涂料)是指在喷涂施工时固体分含量为65%～85%的涂料。通过合成低聚物或齐聚物可大幅度地降低成膜物的分子量，降低树脂黏度。而每个低分子本身尚需含有均匀的官能团，使其在涂膜形成过程中靠交联作用获得优良的涂层，从而达到传统涂层的性能。另外，需选用溶解力强的溶剂，更有效地降低黏度。由于高固体分涂料的利用率高、VOC污染小，一次成膜厚度大，可节省工时和人力，并提升施工效率，是重要的环境友好型涂料之一，具体特点见表4。

3.1.5 UV涂料

? ? UV涂料即紫外线光固化涂料，亦称为光固化涂料、光引发涂料。当涂料经过专用设备辊涂、淋涂或喷涂到被涂工件表面之后，在紫外线光的照射下，促使涂料的引发剂分解，产生自由基引发树脂反应，瞬间固化成膜。UV涂料固含量可达100%，不含挥发性有机化合物(VOC)，对环境污染小，固化速度快，节省能源，涂膜性能好，适合自动化涂装生产线。目前在家具行业普及很快，其他行业也有使用，工程机械行业未见使用，但对于外形简单的零部件有开发的前景。具体特点见表5。

3.1.6 聚天门冬氨酸酯聚脲涂料(天冬聚脲涂料)

? ? 聚天门冬氨酸酯聚脲涂料简称天冬聚脲涂料，是近年来聚氨酯工业领域出现的一种新型脂肪族、反应速度可控(不需要烘干)、高性能(等同或高于聚氨酯涂料)、低VOC排放(高固体分85%～100%)，被称为第三代聚脲，可以做到“低VOC、低成本、高质量”，一举三得。目前在国内外市场上主要应用于重防腐、防水、耐磨地坪等领域。目前在机械行业的使用只是刚开始，工程机械行业国内外有的厂家在开始试验。由于其特殊优异的性能(固含量高、不需要烘干、涂层性能好)，因此，笔者建议要与一般的高固体分涂料有区别地进行分析研究。天冬聚脲具体特点见表6，化学反应原理如图1所示。

3.2 低VOC涂料方案的分析评价

? ? 对于各种低VOC涂料方案的分析评价方法，*简单实用的就是“综合加权评分法”。在主要影响因素中，VOC含量、涂层质量、投资费用3项是工程机械行业目前*重要、*迫切的问题，因此，将权重取*高值20%；综合成本、实施难易取次高值15%；能量消耗取10%。各种低VOC涂料对各种影响因素的得分，分为5级：很好，91～100分；好，81～90分；尚可，61～80分；不好，41～60分；坏，0～40分。根据以上原则进行计算，汇总后如表7所示。

3 低VOC涂料方案的选择

? ? 根据加权评分法的分析，优先选择的排名顺序为：天冬聚脲涂料＞高固体分涂料＞溶剂型涂料＞水性涂料＞粉末涂料＞UV涂料。当然，*终方案的选择还有其他非技术、非理性分析的影响，因企业的不同可能会有各种各样的选择。我们在加权评分的基础上，重点选择了天冬聚脲涂料进行试验验证。

4 各种低VOC涂料方案的验证与实施

? ? 对于企业来讲，各种未使用过的低VOC涂料方案都具有一定的风险和试验费用，*好的试验验证的方法，就是首先在现有的涂装生产线上利用废旧材料进行试验，确定其可行性程度的高低。然后，再进行其他方面的试验，具体步骤如下：

(1)初步试验：利用废材料，在生产线上进行喷涂，解决各种低VOC涂料产品的不确定性问题，以便减少零部件涂装及试验费用。

(2)试片涂覆制作及检测：测试涂层体系的性能，耐候性、中性盐雾、耐湿热委托第三方，其他甲乙双方组织测试，减少试验费用。

(3)对5套自制件进行涂装试验：检测涂料的施工性能及涂装生产设备及组织的适应性，测试涂料耗量及涂装成本。

(4)小批量试制：进行50～100台挖机的试制，检验涂料对挖机的各内外协厂、生产组织管理体系的适应性。同时，将实际样机放入不同使用环境，进行跟踪检测，判定其耐久性等指标。

(5)正式切换：根据试验结果，编写试验报告，请上级各部门审核、批准，选择适当时机进行全面地切换。我们根据实际情况进行了10个涂料供应商提供的共计11个涂料产品的初步试验，其中水性涂料5个、高固体分涂料2个、天冬聚脲涂料4个，验证试验现在还在进行之中。

5 各种低VOC涂料方案效果评价问题

? ? 对于涂装企业使用各种低VOC涂料方案的效果评价，应该对照环保监测的实测数据，依据VOC的排放标准判定是否符合。不能由环保部门指定某种涂料或某种处理设备的采购，从而判定验收合格与否。涂料使用与涂料制造企业，要对环保部门进行数据分析(理论计算数据与进行测试后的数据)，据理力争，使用价格性能比*好的涂料及工艺方法。新的排放标准目前还没有发布，应该包括排放废气的浓度、每小时排放量，或者涂装每平方米工件排放的VOC数量。

6 结语

(1)以天冬聚脲涂料(固含量≥85%)为代表的“低VOC、免烘干”涂料，比较适合工程机械行业当前的需要，但外观装饰性及个别指标仍需提高；水性涂料如果不改造现有涂装条件(工艺设备、土建公用)就可以获得高质量的涂层，也是有推广价值的，否则，需要较大的投资，目前形势下很难实施。

(2)粉末涂料对于小件或薄板件，有着很大的应用空间，要大力推广。

(3)UV涂料只适用于工件形状简单的清漆，需要研发的课题较多，技术风险很大。

(4)传统的高固体分涂料，需要向低VOC涂料过渡，以减少废气处理的费用。

(5)溶剂型涂料，对现有的涂装生产条件有使用价值，在废气治理投资可以接受的条件下，满足环保要求的标准，可以继续使用。

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