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水性防腐涂料在装备制造业的应用

浏览量:   来源:www.lysycl.com  作者:思羽

装备制造业又称装备工业,是为满足国民经济各部门发展和国家安全需要而制造各种技术装备的产业总称。其产品范围涵盖了国民经济和国防事业的各行各业,包括机械、电子和兵器工业,分属于金属制品业、通用装备制造业、专用设备制造业、交通运输设备制造业、电器装备及器材制造业、电子及通信设备制造业、仪器仪表及文化办公用装备制造业7个大类185个小类。

    装备制造业方面几乎涉及了目前所有防腐涂料产品,包括传统的醇酸、聚氯烯烃类,以及环氧、聚氨酯,甚至氟碳等重防腐涂料产品。在工业生产对我们生活的环境,特别是空气质量,带来诸多不利影响时,装备制造业的防腐涂料涂装,也是其中的因素之一。

    1.VOC与雾霾

    近些年来,随着空气质量逐渐恶化,雾霾天气现象出现频率越来越高,最直观的就是大气混浊视野模糊能见度差。雾霾在人们毫无防范的时候侵入人体呼吸道和肺叶中,对人体健康有着极大的危害。国家减灾办、民政部在2014年1月首次将危害健康的雾霾天气纳入2013年自然灾情进行通报。

    大气中有五种需要重点控制的污染物,颗粒物(PM2.5和PM10)、二氧化硫、氮氧化物、氨和挥发性有机物(VOC)。挥发性有机物和氮氧化物结合(图1),在太阳光的照射下会生成两种(类)污染物,一种是PM2.5的组成部分,叫做二次有机颗粒物,或二次有机气溶胶(SOA),是大气中PM2.5的一个重要组成部分;另一种污染物则光化学产生的臭氧,臭氧就是光化学烟雾的主要标志之一。挥发性有机物一方面会导致细粒子的产生,形成现在中国城市很普遍的雾霾;另一方面,挥发性有机物也会导致近地面臭氧浓度增高,使得光化学烟雾污染更加严重。涂料涂装产业和石油化工、油墨印染和制鞋工业在内诸多工业体系一样,对的挥发性有机物VOC有着一定的贡献。

    2.溶剂型涂料的VOC挥发

    装备制造业的涂装过程中,采用的主要是溶剂型涂料。其中,高挥发高VOC涂料类型占了很大比重。例如在发动机行业,主要采用的是溶剂型的丙烯酸涂料和聚氨酯涂料;机电产品更多的是溶剂型醇酸涂料,用于较恶劣环境下的产品为环氧涂料和聚氨酯涂料。

    目前对溶剂型涂料的VOC规范,GB30981-2014《建筑钢结构防涂料有害特质限量》,可以作为包括装备制造业在内的钢结构涂装厂家和涂料生产企业作为参考。该标准于2014年7月1日颁布,2015年5月1日开始执行。但是,须注意和理解的是,虽然是强制性标准,但相关产品的VOC规定,也只是市场准入门槛,所以看上去还是的数据显得比较高而不那么环保。这与VOC管控法规还是有一定差距的。

    限用溶剂的限值≤1%,如下:

    –苯

    –卤代烃总和(包括二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、三氯乙烷、1.2二氯丙烷、三氯乙烯、四氯化碳)

    –甲醇

    –乙二醇总和(包括乙二醇甲醚)

表2 建筑钢结构防腐涂料VOC限值

底漆VOC g/L中间漆VOC g/L面漆VOC g/L
无机类车间底漆680醇酸树脂类490醇酸树脂类590
环氧树脂类车间底漆680环氧树脂类550丙烯酸树脂类650
无富锌底漆660氯化橡胶类600环氧树脂类600
环氧富锌底漆650氯化聚烯烃类700氯化橡胶类610
醇酸树脂底漆550丙烯酸类550氯化聚烯烃树脂类720
氯化橡胶底漆620

聚氨酯树脂类630
氯化聚烯烃树脂底漆700

氟碳树脂类700
环氧树脂底漆520

硅氧烷树脂类390
连接漆720



    3.环保法规的影响

    排污费由地方环保局来征收,现在对火电行业的SO2、NOx等早已执行。如果将工业VOC排放纳入排污费征收范围,对象将包括涂料原材料企业、涂料企业、涂装企业在内的所有工业领域。涂料及原材料生产企业主要涉及生产过程中的损耗问题。工业涂装企业将成为被征收的重点对象。

    涂装企业,特别是防腐涂装企业的VOC控制排放目前是无组织排放的多。即使是有组织的排放,并由活性碳吸附装置,可能也是应付检查的,并没有真正使用起来。如果违反了新的环保法规,那罚款将是巨额的。但是,真要进行涂装过程中的VOC排放控制,则无疑会大幅度增加涂装成本,这笔帐可能涂装企业现在还没想过如何计算。所以,当国家开始征收排污费时,在现有的涂料采购中,多采用高固体份涂料或水性涂料,将大大减少排污费的支出。

    假定某企业采用的是环氧底漆,其VOC为450g/L,但采用高固体份环氧涂料时,VOC仅为230g/L,每公升减少了220g。如果一年采用10000升该涂料时,VOC排放将削减2200公斤。如果排污费为每公斤10元,则一年省却了排污费22000元。

    《环境标志产品技术要求水性漆》HJ2537-2014,对工业涂料中有害物质限量作出的规定见表3。必须认识到市场上的水性防腐涂料产品的VOC含量很可能会高于下表中80g/的限值。

表3 HJ2537-2014工业涂料中有害物质限量

产品种类项目集装箱涂料防腐涂料汽车涂料
底漆中涂/面漆底漆中涂面漆
挥发性有机化合VOC,g/L≤200≤150≤80≤75≤100≤150
苯、甲苯、二甲苯、乙苯总量 mg/kg≤100

    4.高性能水性防腐涂料

    4.1水性无机硅酸锌车间底漆

    车间底漆,特别是无机硅酸锌车间底漆,被广泛用于包括重型机械制造在内的装备制造业中,作为钢板的预处理底漆,以减少二次表面处理的的工作量和保证最好的表面处理质量。但是传统的水性无机硅酸锌车间底漆固体含量低至28%,VOC高达680g/L,甚至更高,且由于是流水性作业,所以对产品的干燥、防锈性能等有着特别高的要求。

    水性无机硅酸锌车间底漆的体积固体份高达62%,其中38%为水,VOC为0。而且在施工过程,所用的稀释剂也是水,而不是传统的高挥发性的醇类溶剂。平板干膜厚度在15-25微米左右时,保护期长达8-14个月左右。

    溶剂型无机硅酸锌车间底漆的体积固体含量在25~28%,除了具有很高VOC的问题,施工时也大大增加了涂料的用量。水性无机硅酸锌车间底漆具有很高的体积固体分62%,这在车间底漆的历史上是一个革命性的突破。高固体分意味着具有更高的涂布率,从而大大减少了车间底漆的使用量(表4)。减少车间底漆的使用量,意味着在运输和仓储等物流方面更为经济,在混合、搅拌和喷涂过程中也缩短了时间。

表4 车间底漆的涂布率

车间底漆体积固体分,%理论用量,m2/L
DFT 15mmDFT 20mm
溶剂型无机硅酸锌2818.714.0
水性无机硅酸锌6241.330.1

    假定有1000m2的钢板,采用传统的溶剂型车间底漆,按上面的数据,干膜厚度(DFT)在20m时,理论上要用到53.5公升;采用水性无机硅酸锌车间底漆,理论上只要用33.2公升。在车间底漆施工的时候,尽管需要加入稀释剂来调节施工黏度,但是水性无机车间底漆的稀释剂只是干净的普通淡水,成本远比溶剂型稀释剂低很多。

    与同类的溶剂型无机硅酸锌车间底漆相比(表5),水性无机硅酸锌车间底漆具有优异的焊接性能,能够适应采用选进的MIG/MAG/G-FCAW/SAW等焊接工艺,能提高生产效率,并最大限度地减少了焊缝的孔隙和气孔,耐高温性能大大降低了火工矫正造成的钢材变形和减少了热影响面积和对背面涂层的影响。

表5 车间底漆焊接性能的比较

项目溶剂型无机硅酸锌车间底漆水性无机硅酸锌车间底漆
干膜厚度,mm15201520
焊接速度(mm/min) FCAW(两面角) SAW(两面角)  525 750  450 650  700 1200  600 1100
孔隙<2%<2%<0.5%<0.5%

    注:焊接着采用基材为12mm的低碳钢板

    4.2水性无机硅酸锌涂料

    醇溶性无机硅酸锌涂料是重防腐领域和重型装备制造业中的重要防腐涂料品种,但是因为体积固体份相对较低,VOC高达500g/L左右。水性无机硅酸锌涂料因优异的防护性能,零VOC,近三十年来在钢结构建筑、桥梁、石油化工等领域得到了广泛应用,相当程度上取代了醇溶性无机硅酸锌涂料的应用。

    水性无机硅酸锌涂料以高模量的无机硅酸盐,如硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂)水溶液为基料,以锌粉为防锈颜料。水性无机硅酸锌涂料不但具有环保特性,也是富锌涂料中耐腐蚀性最好的。硅酸钾的钾离子带有较弱的电荷,运动稳定,而且其、价格相对便宜,是目前水性无机硅酸锌涂料主要的成膜物。

    水性无机硅酸锌有着优异的综合防护性能。实验室超过10000小时的盐雾试验和老化试验,涂层完好。其涂层长效防腐蚀、耐磨、耐化学品、耐油、耐高温400℃,用水作施工时的稀释剂,无闪点不燃不爆。涂层适用于大气、海水、淡水和pH值在5.5-9.5的酸碱环境下。

    4.3水性环氧富锌底漆

    环氧富锌底漆是装备制造业、钢结构、石油化工、桥梁等领域内,与无机硅酸锌涂料同样重要的防锈底漆。但是环氧富锌底漆的VOC,体积固体份在50%时高达400-500g/L。水性环氧富锌的开发应用,将VOC降到了100g/L以下。

    水性环氧富锌底漆,通常为3组分或2组分包装。如果要加入部分磷铁粉或其他填料,应该把填料加入基料研磨分散至40μm以下,纯用锌粉的水性环氧富锌则无须研磨。三组分水性环氧富锌的锌粉为单独包装,混后搅拌时要先搅拌均匀主剂和固化剂,再倒入锌粉搅拌均匀。两组分的水性环氧富锌底漆,锌粉及其它颜料、助剂等,预先混合在固化剂组分中。

    水性环氧富锌底漆的锌粉含量达到80%以上,适量加入鳞片状锌粉可以提高其防护性能,耐湿热和耐盐雾性能均达到1000小时以上,涂层无起泡锈蚀。

    4.4水性醇酸和环氧酯涂料

    醇酸树脂和环氧酯涂料主要应用于普通防护要求的装备制造业,比如电机马达、发动机、变速箱等等相当于GB/T30790(ISO12944)中C2和C3的腐蚀环境下的零部件等。相应地水性醇酸树脂涂料也主要应用在机电领域普通钢结构防护为多。

    溶性剂的醇酸和环氧酯涂料,体积固体分在50%左右,其VOC高达400g/L,而水性醇酸和环氧酯涂料的VOC可降低至100g/L以下。

    自干体系的水性醇酸和环氧酯树脂,由于此类体系分子中含有油,对颜料的润湿性好,漆膜具有优异的光泽和丰满度,成本较底。干膜厚度在110微米时,耐盐雾性能120小时以上漆膜无异常。水性醇酸面漆耐人工老化可以达200小时。

    水溶性醇酸树脂与溶剂型醇酸树脂具有相同的干燥机理。但是水溶性醇酸树脂在贮存过程中由于酯键的水解,会降低树脂的相对分子质量,其本身的相对分子质量也较低,由于氧气在水中的溶解度较低,自交联不足,其干燥速率比相应的溶剂型醇酸树脂慢。早期的硬度、耐水性和耐溶剂性也较差。用丙烯酸进行改性,可以提高其耐候性和快干性,提高硬度,尤其可以提高漆膜的早期性能,特别适用于水性面漆中的应用。

    4.5水性环氧涂料

    环氧树脂涂料是防腐蚀涂料中应用最广泛最重要的涂料产品,可以与锌粉或其它防锈颜料制成防锈底漆,与环氧中间漆和环氧面漆或其它面漆品种应用腐蚀性大气环境中,也能制成耐油、耐化学品、耐淡水和海水、耐高温的涂料产品,就应用于海洋工程、石油化工、港口码头、纸浆造纸、电力能源等工业环境下。

    传统的环氧涂料体积固体分在50%以下,VOC高达400-500g/L,高固体分的环氧涂料的体积固体分在70-80%,VOC可以大大降低到200g/L左右,无溶剂环氧的VOC更是低于50g/L。

    水性环氧涂料的开发应用,已经有很多年,也取得了很多的成功应用。其体积固体分在50%时,VOC可以降到70g/L以下,更低可以降到30g/L以下,环境保护功能更为友好。

    在耐腐蚀性能方面,不同的的产品,耐盐雾性能可以达到300小时,720小时,甚至1000小时以上。

    水性氧涂料,可以作为底漆、中间漆和面漆,干膜厚度从50~150微米,可以应用于不同的钢结构装置设备表面,也能就用于铝合金、镀锌件和混凝土表面。与水性或溶剂型环氧涂料配套使用,也能与水性或溶剂型的丙烯酸面漆与水性聚氨酯面漆配套使用。

    4.6水性丙烯酸涂料

    水性丙烯酸涂料,用于装备制造业中汽车底盘、电机马达、铸铁铸件、港机、农用车辆、等钢铁结构的防护领域的底漆和面漆应用

    单组份水性丙烯涂料中,水性苯乙烯-丙烯酸涂料有着良好的耐水性能,对金属表面附着力好,适用于底漆应用,干燥时间优于水性醇酸底漆,耐盐雾达96小时。

    对水性丙烯酸进一步改善,如环氧改性水性丙烯酸丙烯酸树脂,有着环氧树脂的高模量,高强度和高化学品,耐腐蚀性也强,又有着丙烯酸树脂的光泽、丰满、耐候性好的特点,使用性能强。环氧改性水性丙烯酸树脂,有冷拼、酯化和接枝共聚法。接枝共聚法又分为乳液聚合和溶液聚合。可制备低VOC含量的水性快干型丙烯酸防锈底漆,或底面合一的水性丙烯酸防锈漆,也可制备水性氨基烤漆。耐盐雾600小时不起泡不生锈,铅笔硬度在2H,附着力0级,表干30分钟,实干40小时。

    水性丙烯酸面漆,尽管其体积固体在35%左右,实测VOC低于40g/L。有着优良的保色保光性能,在1400小时的Q-SUN测试中,△E1.9,保光率达到86%。可以作为大气环境下需要良好耐候性能的面漆使用。

    4.7水性聚氨酯面漆

    双组分水性聚氨酯涂料中的面漆产品,适用于高腐蚀环境下,要求更好的保耐候性能的设备装置和钢结构使用,对于光泽和鲜映性有着较高要求。

    作为主体树脂含羟基的聚丙烯酸酯二级分散体和聚碳酸酯改性羟基聚酯二级分散体。前者羟值高,高光、高硬度、高耐化学品性;后者柔韧性好、高耐候性、高耐水性、并可与羟基丙烯酸水分散体混拼使用。固化剂主要采用改性的亲水改性多异氰酸酯。

    水性聚氨酯面漆,有着良好的保色保光性能,耐水性好,干燥快,硬度干,机械性能良好。光泽度达到90以上(60),鲜映性DOI值大于80%。耐老化性能可达到1500小时粉化0,变色1级(GB/T1865)。除了一般的设备表面,还能用于要求高装饰性的高铁动车,轨道车车辆、风机塔筒、机场车站等等钢结构表面。

    5.不同涂料系统的VOC排放比较

    以装备制造业中最常用的环氧底漆和聚氨酯面漆体系为例,我们来分析不同涂料体系的VOC排放。

    在GB30981-2014《建筑钢结构防腐涂料中有害物质限量》中的相关涂料产品的挥发性有机化合物含量较高,在市场上占有相当大的份额,是最低合格入门要求,环氧底漆为520g/L,聚氨酯面漆为630g/L。如果以此为例(系统1),不包括稀释剂的VOC排放量见表4。

表4 普通涂料系统(系统1)的VOC排放计算

产品干膜厚度微米体积固体份VOC (g/L)用量 L/m2VOC排放/m2(g)
环氧底漆120405200.30156
聚氨酯面漆60356300.17107
总VOC排放



263

 

    提高环氧底漆的体积固体份(系统2),VOC只有230g/L,已经满足了现有国际上所有的底漆VOC排放标准。欧洲CEPC(欧洲油漆油墨艺术颜料工业委员会)提出的底漆和中间漆的VOC最高限定为250g/L。

    不采用高固体份的聚氨酯面漆是因为会大大降低面漆的光泽度。采用与面漆相近又有区分的底漆颜色,可以适当降低面漆的膜厚,也一定程度上降低了VOC排放。

表5 高固体份底漆(系统2)的VOC排放计算

产品干膜厚度微米体积固体份VOC (g/L)用量 L/m2VOC排放/m2(g)
高固体环氧底漆12074%2300.1841.40
高光聚氨酯面漆5054%4050.0936.45
总VOC排放



77.85

    底漆和面漆都采用水性涂料的全水性系统(系统3),除了面漆的光泽会有一定程度的下降,完全可以满足当前的防腐性能要求。全部采用水作为稀释剂,施工过程中将不再产生VOC排放。

表6 水性底漆/溶剂型面漆(系统3)的VOC排放计算

产品干膜厚度微米体积固体份VOC (g/L)用量 L/m2VOC排放/m2(g)
水性环氧底漆12051%690.2416.56
水性丙烯酸面漆6036%1110.1718.87
总VOC排放



35.43

    从以上不同涂料系统可以看出,为了降低VOC排放,满足现行及将要来到的更严格的大气污染排放法规,有不同的解决方案,如采用高固体份涂料系统,采用水性/溶剂型涂料系统,或全水性涂料系统。

    由于在施工过程中需加入稀释剂,而采用水性涂料时使用水作为稀释剂,不再产生新的VOC,可以更大程度上减少VOC排放。使用高固体涂料系统,可以减排VOC达50%以上;使用全水性涂料,加上不再使用二甲苯等溶剂作为稀释剂,则可以减排VOC可降低到当前常规溶剂型涂料系统的13.3%多。

    6.结束语

    国家开始强有力地治理大气污染,VOC管控是其中一项重要工作。防腐涂料的生产研制,以及涂装施工,都受其影响很大。

    目前高VOC产品的使用,在装备制造业中,还占据着很大的市场,这对防腐涂料企业来说,是机遇也是挑战。水性涂料产品的开发,进一步地推广应用,现在正是重要时机。

    防腐涂料企业来说,不仅仅是减少消费税的支出,也能减轻下游涂装企业的排污费的支出。更是利国利民,还我蓝天白云的实实在在的贡献。