水性涂料在汽车涂装线输调漆系统的应用

    关键词：输调漆；水性涂料；低剪切；稳压

    0前言

    为促进汽车涂装的环保清洁生产，降低VOC(挥发性有机化合物)排放，水性涂料的应用在汽车涂装工艺中将逐步取代溶剂型涂料并成为主流，为适应水性涂料的设备要求，传统溶剂型涂料的涂装设备如：机器人喷涂系统、输调漆系统、预烘干设备、空调制冷除湿设备、喷漆室、废漆处理设备等必须进行相应的变更。输调漆系统（集中循环供漆喷涂系统）作为涂装涂料的输送、调压、调温设备，在水性涂料应用方面，为了实现水性涂装的稳定品质，需要进行包括稳压器、输漆泵、背压阀、搅拌器等多项设备的细节变更。

    1水性涂料的应用特性

    1.1发泡性

    在发泡性方面，水与溶剂相似，本来很难起泡，即使起泡也会马上消失，但在水性涂料成分中，添加了为改进树脂分散而加入的界面活性剂，受其影响，水性涂料产生的气泡变得稳定不易消失。输漆系统在设备方面需要考虑搅拌器的搅叶形状设计、搅拌器的转速设定等。

    1.2黏度

    水性涂料较传统溶剂型涂料黏度高20～30s，涂料呈现黏稠状，流动性较差，对泵的选择要有动力要求（见表1）。

    表1水性涂料和溶剂型涂料的比较

    1.3表面张力

    水性涂料的表面张力大于溶剂型涂料表面张力，蒸发潜热远高于溶剂，同时导电率高，由于导电性大容易出现电蚀反应，易导致输调漆设备的管路氧化、生锈(见表2)。

    表2水和溶剂的特性比较

    2水性涂料对输调漆系统的要求

    根据水性涂料的应用特性，水性涂料的应用对输调漆系统设备的要求如下（相比较溶剂型涂料设备）：

    (1)由于水性涂料导电性大容易出现电蚀反应，易对设备产生氧化、生锈，为防止设备及管路的腐蚀，减少锈斑变成碎屑混入涂料内形成颗粒的几率，所有接触水性涂料的部位材质必须为SUS不锈钢材质。传统的碳钢泵不能采用，管路考虑SUS304及以上型材，国内大部分水性涂料厂家应用不锈钢304、304L，部分新建涂装线有采用SUS316。

    (1)配管中不能使用不同种类的金属材质，防止不同材质产生的电位差带来的电蚀。

    (2)避免搅拌器在涂料搅拌过程中的漩涡引起空气进入流体及产生分层现象。

    (3)对整个系统要求为低剪切设计，从搅拌器的搅拌、管路弯曲、稳压器、过滤器等皆为低剪切设计。

    (4)由于水性涂料对施工温湿度的要求严格，需要输调漆系统的温控精度在（23±0.5）℃内，所有管路需要保温处理，保温材质厚度≥12.5mm，泵体需要保温等。

    (5)由于水性涂料的清洗剂主要成分为纯水和少量亲水溶剂，所以需要增设纯水供给装置取代溶剂输送系统，同时纯水供给装置需要经过管中管温控后输送至各工位，在传统溶剂型涂料的溶剂输送设备中，溶剂不需经过管中管换热系统。

    (6)由于水性涂料的高黏度，输调漆系统需提高泵的输送能力。溶剂型色漆在循环系统中的流速要求为0.3～0.7m/s，而水性色漆的流速则要求为0.15～0.4m/s。

    (7)水性涂料在输调漆系统的投产前清洗需要更为细致的清洗步骤：清洗稀释剂→亲水性稀释剂→树脂清洗→纯水洗。

    3水性输调漆系统的设备配置

    3.1循环方式

    水性输调漆系统的循环方式通常采用两线循环。两线循环系统的枪站设计不需要三线系统中的墙置式涂料调压器，通过使用一个枪下调压器或枪下Y形接头来控制喷枪的喷涂流量，降低了调压器的设置对涂料产生的剪切力，同时管路元件相对较少、系统换色清洗方便等，在国内水性涂料的生产线上，应用最为普遍。在国外的部分工厂，由于三线式涂料循环系统有一定的灵活性，同时较容易扩张，系统通常有较高的压力、流量、循环速率的可调性等，在水性涂料上也有不少的应用。

    3.2输漆泵

    按动力模式分为气动泵、液压泵、电动泵，国内汽车厂家暂无电动泵应用实例，绝大部分厂家采用气动泵及液压泵，水性涂料的应用既有用气动泵也有用液压泵，如东风本田水性涂料用气动泵进行输漆，江淮新轿车线水性涂料采用液压泵，奇瑞第四涂装线采用液压泵来满足水性涂料的输送要求，气动泵应考虑其排气污染性和水性涂料的缩孔敏感性问题。按结构分为柱塞式、离心式、活塞式，鉴于柱塞泵的稳定性和低剪切力、适应的黏度范围广等优点，其应用最为广泛，柱塞泵的选择需要首先确定泵的流量，可按以下公式进行计算。

    式中：

    d——涂料管道横截面直径，cm；

    Hv——每活塞冲程的体积，L；

    V——流速，m/s；

    N——冲程次数，1/min。

    同时水性涂料的流速比溶剂型涂料慢，要求为0.15～0.4m/s。对于水性涂料，其输漆泵连续工作时泵的往复频率介于12～20cpm（每分钟的循环量）为最佳。

表3各种泵的应用比较

    3.3稳压器

    水性涂料首选不锈钢隔膜式稳压器（见图1），其具有流道光滑、流阻小等特点，同时其采用特殊结构膜片设计，具有极好的密封性和稳压效果；蓄能介质与涂料分隔，可防止涂料被污染，稳压效果持久，保证输出压力脉动小于±0.5kg/cm2。稳压器的稳压介质一般有采用氮气稳压及压缩空气稳压两种，常用稳压器还有罐式稳压器，但在实际中由于其稳压效果不稳定采用较少。

    图1隔膜式稳压器

    3.4搅拌器

    搅拌器分气动搅拌器及电动搅拌器，气动搅拌器相比电动搅拌器，具有较好的经济性，同时可以通过控制流入气量的大小便捷地进行手动调整搅拌器转速。要使搅拌器能够起到良好的搅拌作用，最重要的是使涂料罐内没有死角，因此，选择搅拌器的桨叶直径和转轴的长度必须根据涂料罐的直径与高度进行设计。同时搅拌器的搅拌速度也会影响涂料搅拌的效果，搅拌速度过快，会造成对涂料的剪切而破坏水性涂料的性能，也会使涂料罐内产生漩涡从而影响涂料的均匀一致性，过慢的搅拌会使涂料在罐内的运动速度不够，也会造成涂料的沉淀。对于水性涂料应使用低剪切搅拌器，常见的搅拌器如图2所示。

    图2搅拌器示意图

    3.5涂料罐

    涂料罐分循环罐及调漆罐，鉴于目前涂料厂家提供的水性涂料在出厂前就已调节好黏度及助剂，不需要在涂装线上重新调漆，部分水性涂料涂装线不单设调漆罐，节约一定的费用投资，在日系车企较为常见。涂料罐应采用不锈钢电解全抛光工艺制造加钝化处理。表面粗糙度Ra低于0.1，具有良好的表面光洁度和耐腐蚀性，保证罐内壁不易挂漆，减少水性涂料结皮的可能性；桶体、桶盖密封结构具有良好的密封性，有效防止意外尘粒进入。涂料罐的桶盖有平顶式和圆顶式两种较为常见，部分水性涂料生产线采用平顶式结构，部分采用圆顶式结构。近期国内部分公司研发的专门应用于水性涂料的全密封特殊结构设计的圆顶式涂料桶，可最大限度地减少涂料的挥发成分流失，减少水性涂料的结皮。需特别注意的是水性涂料的回流管设计，涂料从罐顶返回时应通过导向管进入罐内防止水性涂料的飞溅、气泡，同时防止飞溅附着在罐壁的涂料对涂料整体性能造成的不良影响。最佳方式为设计成侧底部回流。

    3.6背压调压器

    背式压力调节器是输调漆系统的重要组件，用于控制系统管路中的压力以满足喷涂参数的需要，常用的有低剪切型和非低剪切型。传统的球体式和座式调节器能在涂料通过球体和球座式时剪切水性涂料，对于水性涂料需要低剪切型背压器。

    3.7过滤器及管路系统

    过滤器分袋式过滤器和滤芯过滤器，过滤器应为不锈钢材质，对于水性金属涂料选用振荡式过滤器效果更佳。在流量选择上，大流量过滤器对水性涂料的剪切力最小，建议选用。输调漆系统的管路考虑SUS304及以上型材，建议使用304L、316规格型材。同时管件内壁越光滑越好，接头可采用卫生式接头或卡套式接头，不宜采用螺纹接头，接头内径与管内径应保持一致，管路的转弯与升降尽可能地少，转弯半径需要大于6倍管径，以减少压力损失和沉淀等。

    4结语

    在水性涂料的应用上，输调漆系统除了上述主体设备外，其他细节的地方也不可忽略，如：鉴于水性涂料严格的施工温湿度范围，在涂料的温控系统上应选用管中管系统，温控精度（23±0.5）℃，水夹套的换热方式的温控精度不易于控制，建议不采用。鉴于水性涂料的清洗溶剂为DI纯水和亲水溶剂配比组成，需要增设DI纯水罐和亲水溶剂罐输送系统，在两罐之间为提高混合精度可设置自动配比系统。同时部分控制要求严格的生产线，增设水性涂料pH值监控系统。输调漆系统的设备及质量将直接影响喷涂车身的涂装质量，对于水性涂料在输调漆系统上的应用需在设备设计及选型细节上进行深度的探究。