自行车涂装工艺环保化改进历程澎恰恰

自行车涂装工艺环保化改进历程

本文来源：《第17届环保车用涂料与涂装年会》论文集

作者简介

戴吉柱、男、高级工程师，捷安特有限公司工程技术部经理，中国化工学会专业会员，中国化工学会水性技术应用专业委员会委员，主要从事涂装前处理、粉末涂料与涂装、液体涂料与静电涂装，以及涂装“三废处理”等的研究与应用工作。

近几年，随着国民生活水平的提高，汽车快速地走进了千家万户。不仅“北上广”这样的大都市堵、堵、堵，就连很多小县城目前也出现严重堵车现象带来的另外一个问题就是，汽车尾气排放对空气的污染，特别北方出现了较多的雾霾天气，已经引起全国人民对环境问题的关注。既要金山银山也要绿水青山成为了大家的共识，环保意识与观念不断加强。自行车做为一个绿色出行的运动、交通工具，也吸引了越来越多的人们参与到骑行大军中来，骑行运动的人口大幅提升。

自行车的基本材质为钢铁、铝合金、碳纤维等，为了防护特别是为了追求美观，都要进行涂装。传统的涂装要经过前处理、喷漆、烘干等等工艺，而这些工艺往往给水环境、空气环境带来不同的污染。捷安特本着既要做绿色产品，也要绿色工艺，既要造福消费者也要造福员工与一方民众的理念，从建厂初期就不断展开环保药剂、涂料、工艺的研究，并一步步推进环保事业的不断进步。本文就自行车涂装工艺环保化的改进过程做了介绍。

1 涂装前处理

早年，自行车工件以钢铁件为主，要经过除油、除锈、磷化、钝化等工艺。除油、磷化主要是含磷物质，除锈主要为酸洗，采用盐酸或硫酸工艺。捷安特在前处理方面的环保历程经历了几个阶段，先是酸洗时使用缓蚀酸雾抑制剂，降低了酸雾的排出量，针对排出的酸性气体，再经过碱性喷淋水洗塔中和后排放。其次对于钝化处理，采用弱碱性含磷物质代替了六价铬钝化剂，消除了六价铬的重金属污染。再其次，针对磷化，采用低温、常温磷化，在配方里增加络合剂减少了沉渣的形成，不对磷化槽进行整体排放。再就是采取每隔一段时间将上层清液抽岀，清理掉磷化槽的沉渣后再把上层清液打回补加药剂的方式，减少整槽药剂的排放对水的污染。脱脂剂采用无磷脱脂剂，减少了含磷废水的排放。近些年，锆系与硅烷药剂的兴起，捷安特也对此进行了积极探索与研究，采取硅烷锆盐复合皮膜工艺，先后解决了硫酸酸洗后皮膜耐蚀性差、易返锈以及工件接触点生锈的问题，将硅烷锆盐复合皮膜颜色也做到了与常温磷化类似的灰白色，喷漆后复合防锈效果达到基本一致。钢铁工件的前处理采用无磷脱脂、硫酸+缓蚀抑雾剂+喷淋水塔、硅烷锆盐复合皮膜工艺，为无磷、无氮、无辂、少酸雾的环保工艺。钢铁件前处理工艺如图1。

图1 钢铁件前处理工艺处理

针对铝合金工件，同样也是由初期的阿洛丁六价铬处理工艺，改为三价铬工艺，到近些年又改成了硅烷锆盐皮膜剂，消除了重金属铬的使用；

环保涂装工艺，主要方式有粉末涂装、光固化涂料、高固体份涂料、水性涂料涂装等。

1.1粉末涂装

粉末涂料的优点是无VOC排放，物理化学性能好，可以回收使用，涂料利用率高；缺点是涂装设备换色时间长。为发挥粉末涂料的优势避开劣势，首先从不需换色的清漆改为透明粉末用起。2002年，捷安特率先导入欧洲应用于汽车行业的低温丙烯酸透明粉末代替溶剂型清漆，在流平性、丰满度上都有较大贡献。限制其大量使用主要是自行车的标纸大多是内贴标，要在贴标后再喷透明粉末，一般的油墨耐烘烤性不够，会变色，需要对整个贴纸的油墨体系进行更改，另外一个因素就是丙烯酸透明粉末涂料高昂的价格，高出普通涂料5倍以上的成本。

2004年，采用底色粉末涂料+油性金油组合的工艺，避开贴纸不耐烤的特点，与国际知名品牌联合开发适合于自行车行业的金属粉末，并用于大量生产的基础性车种。但是金属粉末涂料的装饰性效果，特别是金属粉的排列效果始终与油漆的金属质感有较大差距，即使用了邦定工艺也还是存在差距。另外，粉末涂料换色时间长也仍然制约了其在自行车行业的应用，换一次色约需40min，而油漆的换色只需要1～2min，粉末涂装采用两台串联交替换色，也要保证一个喷涂批量≥另外一个喷房的换色时间40min。。

图2 串联交替换色的粉末涂装设备

粉末涂装工艺适合大批量很少换色的生产，自行车行业要应用的产品也要是能足够大的订单。还有就是低温固化，不仅可以减少碳排放，同时可以适合与更多的油漆、贴纸配套。这两年粉末涂料的金属装饰效果、低温化以及粉末设备的快速换色工艺精进，有很大突破，已经有厂家开发出130℃/20min固化的粉末，30～40μm膜厚的粉末涂料、以及实现10min快速换色，粉末涂料在自行车行业的应用制约会越来越少。

1.2 UV固化涂料

UV固化是最早应用于木板行业的涂装工艺，其特点是固化速度极快，但耐冲击性差。传统涂料设计为室内产品，选择的树脂耐候性较差，有完全无溶剂的也有加入一部分溶剂调整作业性的。固化需要UV光照射，对工件的形状有一定的要求，或者对灯管的布设位置要求较高，要能够保证喷到漆的地方都照射到才能确保固化完全。近些年有涂料厂家也开始研发室外型的UV固化涂料，自行车行业国内还没有报道有使用的，在台湾有公司在使用。

1.3高固体分涂料

自行车常用的油性涂料，一般固体分在50%左右，金属效果要求高的珠银粉漆在40%左右，稀释后固体分大多在20%～30%之间。针对底漆与金油，开发固体分在65%以上的高固体分涂料，减少溶剂含量，从而减少VOC的排放量。80%以上固含的高固体分涂料，研究过程发现，满足施工黏度要求的涂料其固化程度不够，性能达不到要求，还待持续研究。

1.4水性涂料与涂装

捷安特于2006年开始水性涂料在自行车行业的应用研究。初期开发了一个底漆，一个面漆，摸索其性能与配方特点。拟定的开发目标是各项性能达到油漆的标准，与油漆不得有明显的差异。首先通过手工空气喷涂确认其物理与化学性能，同时确认其贮存稳定性，包含原漆的贮存稳定性与稀释后的贮存稳定性。自行车涂装一般为4喷5烤的工艺，见图3。采用油漆喷涂时大多没有强制送风，为自然进风、强制排风，没有调节空气的温度与相对湿度，而是通过调节不同季节的涂料挥发速度来适应环境温湿度的变化；流平室没有预烘烤，烤炉内温度也没有分段升温，而是整个烤炉里空气温度基本维持一致。该工艺优点为相对运行成本低、但对涂料的施工适应窗口要求宽。而文献资料里提到的水性涂料涂装条件，要求设备要不锈钢材质，空气温度在℃，相对湿度%，流平室要60℃左右，烤炉要分段升温，施工条件要求苛刻，所有这些都将极大地提高自行车涂装的成本。为此，我们采取了沿用油漆喷涂工艺，预留改善空间，先调节水性涂料施工适应性，万不得已再调整工艺与硬体设备的方案进行验证。通过测试及时调整涂料配方，改善了水性涂料稀释后易沉淀，喷涂时易起泡、流垂，漆膜耐水性差、光泽度低、膜厚低、耐冲击性差等问题，施工与物化性能都与油漆相当。

图3 自行车4喷5烤涂装工艺流程

自行车喷涂，整个行业采用的都是Ω静电旋碟喷涂机喷涂，静电机前后用手工补正静电喷不到的死角部位。比较经济的静电高压控制在90kV，但是传统静电机喷涂水性涂料遇到的第一个问题是静电高压打不上去，没有静电高压，单靠旋碟的旋转涂料无法雾化，也就无法喷涂。要静电机喷涂水性涂料，首先需解决静电高压问题。从原理上讲，静电高压打不上去，就是静电泄露问题，静电泄露要通过解决整个涂料喷涂系统的绝缘性，专门在原有涂装研究室试验线，进行了改装。通过更改供漆系统的绝缘棒长度、放置涂料桶的绝缘台、升降杆及从其中穿过的涂料管材质、以及专门隔离的供漆系统进行测试，经过多次改良后，终于使得Ω静电机可以正常喷涂水性涂料，并于2014年正式改装两条底涂线进行中试，见图4。

图4 自行车单层涂装工艺流程

这条中试线也没有增加特殊的车架预热工艺、预烘干工艺，也没有温湿度调节，所有条件维持与溶剂型涂料一样。烘烤条件为。经过2a的试验，以及对涂料的多次改良，使得水性涂料底漆能够在各项性能上与溶剂型涂料一致，且也可以在较宽的温湿度范围内施工。冬天加水约20%，岩田NK-2黏度杯测黏度在40～60s，夏天加水约30%，黏度在25～35s之间，空气相对湿度只要在80%以下即可，吐出量根据空气相对湿度进行微调，相对湿度大吐出量稍微降低，相对湿度小时吐出量适当调高，影响最大的是空气相对湿度，其次为温度，但是温湿度范围可以比文献资料里的放宽很多。而余热及流平预烘烤没有的情况，也可以喷涂等。

2016年，捷安特按照前期中试的经验，对涂装生产线进行技改，设计7条完整的4喷5烤水油两用的生产线，水性涂料与溶剂型涂料可以随时切换，工艺条件完全一致。比原来增加了涂料间的温度与相对湿度控制，温度在15～30℃之间，相对湿度在80%以下，线速2～3m/min，流平时间10～15min，底中面涂烘烤固化条件为115℃/20min，清漆的烘烤固化条件为125℃/20min。水油共用的工艺，也为涂料的油转水争取了宝贵的开发时间，经过2a时间的开发，已经开发完成15个底漆，211个面漆颜色，3个清漆，用量超80%的水性化，预计2019年将实现全水性目标。

图5 水性涂装4喷5烤工艺流程图

2 结语

对于自行车涂装的环保工艺，前处理采用无磷脱脂、酸雾抑制剂、硅烷锆盐皮膜，无铬钝化等工艺，减少对空气污染与对水的污染。喷涂工艺部分，主要发展为高固体分涂料、水性涂料、低温固化粉末涂料+液体金油几种，不同的产品定位，不同的订单模式，可以采取不同的环保涂料与涂装工艺。这些摸索与实践对行业的相关技术改造具有借鉴意义。

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