水性工业涂料的应用现状

董立志,胡中源,商培,赵宁宁

(河北省水性涂料工程技术研究中心,河北晨阳工贸集团有限公司)

摘要:介绍了水性工业涂料的发展现状,分析了不同领域水性涂料的使用情况,阐述了水性工业涂料应用过程中急需解决的问题,探讨了未来发展趋势。

0 引言
随着人们环保意识的增强以及现代工业和社会的进步,涂料的生产越发强调4E 原则,即“Economy”( 经济)、“Efficiency” ( 效率)、“Ecology” ( 生态)、“Energy”(能源), 因此环境友好型涂料是今后涂料行业发展的趋势,主要涵盖高固体分涂料、粉末涂料、紫外光电子束固化涂料以及水性涂料等,其中水性涂料近几年增长最为迅速。
水性涂料与溶剂型涂料的区别是安全、环保。溶剂型涂料的VOC 含量高,一般超过60%,施工时采用有机溶剂作为稀释剂清洗剂,同时在运输过、储存程中存在易燃易爆的安全隐患。而水性涂料VOC 含量低,一般低于10%,与溶剂型比可减排80%,施工时采用自来水稀释剂和清洗剂,在运输过、储存程中不存在易燃易爆的安全隐患。水性涂料是用水全部或部分取代了有机溶剂,减少了挥发性有机化合物VOC 的排放。但是在众多涂装领域, 水性涂料在性能方面与溶剂型涂料仍存在着一定差距, 目前还不能完全取代溶剂型涂料。这与上游原料技术发展、规模国产化以及下游客户环保需求密切相关,随着水性树脂技术的不断升级,人们环保意识的不断提升, 以及国家环保法规的日益完善,水性涂料应用范围会越来越广。
工业涂料主要应用于工业设备、集装箱、船舶、桥梁、储气罐、铁路油轮、港口机械、管道、钢结构和混凝土等的防护与装饰。目前仍以溶剂型涂料为主,水性工业涂料的市场空间巨大。
1 水性工业涂料现状
相比于粉末涂料、UV 固化涂料等低污染涂料,水性涂料对施工设备及场所要求较低,同时对于工件尺寸、施工设备及施工工艺的限制较小,所以水性涂料成了取代目前溶剂型涂料的必然选择。近年来在我国发展迅速,但是由于性能、施工特性及价格等因素,水性涂料在工业涂装领域,占据份额仍较小。因此,加大水性涂料为代表的环保型涂料的研究开发,提高水性工业涂料的应用比例,已成为一项非常紧迫的任务。
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由表1 可知, 水性工业涂料目前应用范围较多,除集装箱行业大范围应用水性体系外,其余领域大部分处于尝试使用阶段。在一些重防腐领域还达不到性能要求, 在高装饰性要求领域成本相对增加较多,在轻防腐领域应用相对较多。建筑钢结构应用较快。工程机械、特种车辆、自行车等领域逐步推广应用,产品已经成熟,近三年此领域水性涂料将快速增长。
2 水性工业涂料细分领域应用
2.1 船舶领域应用

(1)水性船舶涂料发展现状
与溶剂型涂料相比,水性船舶涂料不仅能够有效规避明火交叉施工带来的安全隐患,还能降低在密闭施工环境中有毒挥发物对工人的危害。以船舶机舱和船员起居舱涂装为例,与溶剂型涂料相比,如果使用水性底漆和面漆的体系,VOC 将比纯溶剂型下降77%,减排效果显著。
(2) 涉及标准要求

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(3) 涂层配套应用
按照在船舶上的使用部位和位置的区别,船舶涂料可以分为:船用车间底漆、船舶水线以下涂料、船舶水线以上涂料、船舶干货舱涂料及船舶液舱涂料等。按照造船行业内的涂层设计方案,结合具体水性产品的性能,设计不同配套体系。

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2.2 集装箱领域应用
(1)水性集装箱涂料发展现状
自2017 年开始,“禁油推水” 行动开启了水性集装箱涂料的大规模使用。水性集装箱涂料的大规模推广应用节能减排意义重大, 使集装箱行业VOC 排放减少70%~85%以上, 同时将带动整个工业涂料市场向水性化、高固含等环保涂料转型升级。全球90%以上的集装箱在中国生产, 我国每年有的新造集装箱250 万~350 万TEU,2017 年新造集装箱为320 万TEU,按照每个TEU 用漆量70 kg 计算,新造箱领域总用漆量约为22 万吨。
(2)涉及标准要求
FDA21.CFR175.300 水、正庚烷、乙醇的提取物,IICL集装箱涂料具体要求,JH/T E05—2015《集装箱用水性涂料》,JH/T E06—2015 《集装箱用水性涂料施工规范》,JH/T E08—2015 《集装箱用水性涂料涂膜检验方法和验收标准》。
(3) 涂层配套及应用
此箱内、外配套体系为目前主流配套方案,其防护性能及施工应用已经过箱厂及上下游企业的认可及检验,也是目前主要涂料供应商的水性集装箱涂料研究方向。
2.3 建筑钢结构领域应用
(1)水性建筑钢结构涂料发展现状
国外的建筑钢结构涂装起步很早,施工水性涂料较为常见,国内通过不断引进及创新,水性建筑钢结构涂料日益完善。随着国内对环保的日益重视,使得涂装企业也倾向于应用水性涂料。预计未来1~2 年,水性环氧富、水性醇酸、水性丙烯酸、水性环氧和水性聚氨酯漆等产品会逐步升级换代,进一步抢占溶剂型涂料市场份额。

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(2)涉及标准要求
HG/T 5176—2017《钢结构用水性防腐涂料》、ISO12944—2017、GB/T 30790—2014《色漆和清漆-防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护》。
(3) 涂层配套体系及应用
水性钢结构涂装已有成熟体系,经过市场应用及认可,目前主要根据防腐等级要求、腐蚀环境、施工条件来确定涂层配套体系。

2.4 工程机械及特种车量领域应用
(1)水性工程机械涂料发展现状
目前工程机械(含叉车和农用机械)及特种车辆(包含消防车、油罐车、水泥搅拌车、自卸车等特种车辆)涂料行业的涂料用量约在20 万吨,应用规模将会以每年3%~5%的增长率持续稳步发展。国内市场包括三一重工、雷沃重工在内的企业已经成功进行了水性化涂装。但由于缺少全套的解决方案,水性涂料仍没有广泛使用。国家“十三五”规划要求工程机械行业VOCs 减排达到30%以上, 水性涂料作为较环保的涂料种类之一,在工程机械(含叉车农用机械)行业中有较大的应用空间。
(2) 涉及标准要求
由于没有专门针对工程机械、改装车用水性涂料的标准,所以一般执行HG/T 4339—2012《工程机械涂料》、HG/T 4759—2014《水性环氧树脂防腐涂料》、HG/T 4761—2014《水性聚氨酯涂料》这三个标准,同时遵循客户的涂装技术规范要求。
(3) 涂层配套
由于工程机械、特种车辆主要在户外作业,处在风吹日晒、高湿热、温差大、路况差的环境,所以对涂层的装饰及防护性能要求较高。一般要求不高的部位,水性配套体系用漆主要是双组份环氧底漆、双组份环氧中间漆、双组份丙烯酸聚氨酯中间漆、双组份丙烯酸聚氨酯面漆, 其它重防腐体系采用环氧富锌、环氧中间漆和聚氨酯面漆体系。而某些特种车辆涂装线比较简单,为了追求涂装效率,某些企业多采用近似“湿碰湿”工艺,底漆喷涂后40 ℃保持10~15 min,然后喷涂面漆,最后80 ℃烘烤40~50 min。

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2.5 自行车、三轮车领域应用
(1)自行车、三轮车市场现状
2017 年,我国自行车产量达到9 011.9 万辆,自行车、电动三轮车涂装目前90%以上采用油漆施工。目前,已有小鸟、爱玛、富士达等一线品牌积极探索水性工业涂料应用,但是现有水性化程度依然低,随着涂装水性化发展及环保政策的制定, 水性自行车涂料成了高环保压力下的油漆替代品,有很大的发展空间。
(2)涉及标准要求
一般执行HG/T 5370—2018 《自行车用水性涂料》,同时参照客户对涂料性能的具体要求。目前没有专门针对电动三轮车水性涂料的标准,一般执行HG/T 4758—2014《水性丙烯酸树脂涂料》和客户的涂装要求。
(3)涂层配套及应用

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2.6 桥梁领域的应用
(1)水性桥梁涂料发展现状
桥梁包括了跨海大桥、公路大桥、铁路大桥;桥梁涂料包括了钢结构、混凝土等系列配套涂料。桥梁用配套涂料的水性化是桥梁涂装工程实现节能减排的要手段之一, 开发与推广应用受到了国家和相关行业协会的高度重视。目前有的设计单位已经在混凝土大桥上使用水性配套体系,但钢结构桥梁实际应用案例较少。
(2)涉及标准要求
JT/T 821.4-2011 《混凝土桥梁结构表面用防腐涂料第4 部分:水性涂料》、JT/T 722-2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》、TB/T 1527-2011 《铁路钢桥保护涂装及涂料供货技术条件》、ISO 12944:2017、GB/T 30790-2014。
(3) 涂层配套性能

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3 应用过程中面临的问题
(1) 国内水性树脂技术落后
对于水性涂料用树脂,需要解决亲水基团、水对性能及施工的影响。而国内水性树脂由于技术落后,国产化缓慢,一般采用进口水性树脂,这导致水性工业涂料成本较高、产品交期慢、原料资金占压等问题。随着近两年集装箱用水性涂料产量增加,导致了各涂料企业抢购原材料的情况,加剧了进口的树脂和助剂供应不足的问题,致使一些产品被迫选择替换配方。
(2) 施工容忍度低,涂装效率受限
俗话说,三分涂料,七分施工。由于流水线作业的施工特性,要求高效率施工,往往需要快干的特性。施工时经常存在着除油、除锈、打磨不到位和烘烤不到位的现象。与油性漆相比,水性漆对基材处理、温度、相对湿度、风速等要求更加严格,不良的基材处理和施工条件往往伴随着流挂、锈蚀、附着力、光泽和防腐性能的降低。例如,水性双组份聚氨酯面漆容易产生“痱子”,在其成膜过程中,水会与异氰酸酯发生反应生成二氧化,涂膜在干燥过程中,如果涂层表面干燥过快,相对湿度较大、漆膜过厚就会影响气泡及溶剂的溢出, 从而形成一定的气压将涂膜顶起或顶破。不但影响美观,而且影响漆膜性能。所以为了防止“痱子”的产生往往会限制施工工艺及漆膜厚度。从而影响了施工效率及性能。
(3) 施工过程增加了设备和能源的投入
水性涂料施工过程中大概有50%含量的水(主要作为溶剂和稀释剂使用), 为了保证施工效率和涂膜最终性能,需要这部分水快速挥发,因此需要一定的加温措施作为辅助,增加了设备和能源的投入。例如水性环氧底漆+聚氨酯面漆中“湿碰湿” 工艺很难突破,对于“湿碰湿”工艺来说,虽然可以提高施工效率,但是对于水性涂料来说,底漆干燥、反应不完全,往往会降低涂层的性能,同时伴随着配套体系诸如:附着力差、针孔、开裂、失光、失色、起“痱子”等缺陷。所以“湿碰湿”工艺往往需要配方和施工工艺进行调整,达到适应现场工艺要求的最佳性能。
(4) VOC 处理设备要求不明确
目前各地政策不一,环保部门大多鼓励涂装线加装RTO、RCO 等末端处理设备,资金投入较大。有的地区鼓励水性涂料的应用, 但是同样要求加装昂贵的VOC 处理设备。目前水性环氧底漆、水性聚氨酯面漆搭配涂装的体系能够做到满负荷生产时VOC 排放在20 mg/m3 以内,远低于当地和国家标准,也取得了有资质的检测机构的报告, 但是环保部门依然经常检查、查封、停产,强制加装光催化、RTO 等处理装置。
(5) 涂料包装物、废水处理后的污泥检测问题
水性涂料涂装过程中产生的废漆渣,根据2016 版《国家危险废物名录》中规定,染料、涂料废弃物不包括水性漆。水性涂料固体废物虽然不属于危化品,但因为缺少具体标准,检测机构缺乏检测依据,检测不规范且项目繁多。这些都增加了企业负担,而且浪费不必要的公共资源,也影响了水性涂料的推广应用。
(6) 涂料废水处理方法少、成本高
随着环保政策和法规的不断完善,促进了三废处理领域的发展,但是在污水处理方案的实用性方面需要继续提高。需要污水处理行业有针对性地结合涂装行业进行研究分析,做成不同规模的、模块化的、具有循环使用功能的、可持续化的污水处理方案,达到模块方案多、成本降低的目的。
4 结语
(1)除了特种涂料涂装领域外,工业防腐领域逐步出现水性涂料产品配套体系和涂装方案,有的领域已经批量化生产, 随着国家环保政策和法规的完善,水性工业涂料将步入发展的快车道;
(2)水性工业涂料是环境友好型涂料之一,在溶剂型涂料的涂装线上,经过微小的改造就能实现水性化,随着水性涂料产业规模的增大,产品价格降低会进一步刺激在工业涂装领域的应用;
(3) 水性工业涂料实际应用案例和指导标准欠缺,还需要进一步完善,达到各涂装领域的技术要求,规范行业的健康发展。
(4)水性工业涂料“三废”排放检测不明确,方案不足。需要由行业协会牵头组织制定水性涂料排放标准,营造良好发展环境;
(5)水性工业涂料的市场应用数据不全,细分领域占比,水性涂料占比等数据需要行业协会或其它平台给予统计,便于行业内查阅分析。


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