水性工业涂料的应用标准及方案

胡中源,董立志,商培,李幕英

(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,河北 保定 072550)

摘要:本文介绍了水性工业涂料的发展情况,简单汇总了国家相关的政策法规,详细阐述了水性工业涂料在应用过程中参照的国家及行业标准,例举了不同领域的涂层设计方案,分析了现阶段存在的问题以及未来发展方向。

关键词:水性工业涂料;政策法规;标准;设计方案                                 

Application status of waterborne industrial coatings

Dong Lizhi, Hu Zhongyuan,Shang Pei, Li Muying

(Recearch Center of Waterborne Coatings engineering, Hebei Chenyang Industrial&trade Group CO., LTD. , Hebei Baoding, 072550, China)

Abstract: This paper introduces the development status of waterborne industrial coatings, It briefly summarizes the guidance of relevant national policies and regulations.The national and industrial standards for water-borne industrial coatings in the application process are described in detail.The coating design schemes in different fields are illustrated.The existing problems and future development direction are analyzed.

Key words: waterborne industrial coatings, standard, painting procedure.

0 引言

随着国家对大气污染防治力度的加强,各地方也陆续出台了VOC管控措施,制定了地方的政策法规。人们环保意识的增强,以及国民教育水平的提高,从事涂装作业的人员也都对溶剂的危害有了科学认知,因此水性涂料、高固体分涂料、粉末涂料等环保产品的应用,是涂装领域发展的必然趋势。尤其是与溶剂型涂料涂装工艺、设备相近的水性涂料,近几年在工业涂装领域发展迅速,逐步在工程机械、特种车辆、自行车三轮车、商用车、设备设施、钢结构等领域实现成功应用,与此同时,水性涂料相关的国家和行业标准也陆续出台,这也为涂装行业的水性化提供了规范和依据。最近几年,国内加大了对涂料用水性树脂的研发和生产力度,水性醇酸树脂水性丙烯酸树脂水性环氧树脂水性聚氨酯树脂等在性能都有大幅创新提高,同时国外水性树脂品牌在国内建厂生产销售,解决了供应和价格的双重问题,这些都为水性涂料的发展提供了充足的条件。

1 水性工业涂料现状

1.1水性工业涂料的优缺点

溶剂型涂料是以、醇、酯类等有机溶剂为分散介质,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(volatile organic compounds)的排放。水性涂料与溶剂型涂料的区别如表1所示。

表1 水性涂料与溶剂型涂料的区别

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由上表可知,水性涂料最大的特点就是安全环保。因其不属于易燃易爆易制毒易腐蚀的危化品范畴,在运输、储存、施工等环节都很安全方便;同时施工时气味低,VOC减排在80%以上,受到很多政府环保部门、涂装企业、消费者、油漆施工人员的青睐。但是由于水分的存在,挥发速率慢、表面张力大等客观因素,与油漆相比在施工宽容度、快速成膜过程、早期干燥后的物理化学性能等方面还存在一定差距,这些影响了水性涂料在一些特定领域的应用,因此,水性化涂装还需要在树脂及涂料研发创新、涂装工艺及设备改进等方面进行深入研究。

1.2工业涂料的整体市场潜力

有文章指出,按照涂料使用的领域不同,分为建筑涂料、工业涂料,这是按照大类去划分。工业领域细分较多,根据目前工业领域应用情况,有专家指出,车用、卷材、粉末、家具单独统计,把其它的工业防护归为一类。按此方法,近三年涂料主要品种的产量如表2[1]

表2 近三年涂料主要品种的产量

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由上表所示,2017年建筑涂料产量745吨,占总产量的比例为36.59%,工业防护涂料产量577万吨,占总产量比例为28.34%,同时每年有近10%的增长率,车辆涂料、卷材涂料增长较慢,粉末涂料的产量达到175吨的最高值,增长率为12.9%,随着国家环保力度的加大,不添加有机溶剂的粉末涂料增长较快。水性涂料的产量没有单独统计的数据,下面介绍工业涂料的市场情况。

1.3 工业涂料细分市场情况

工业领域较为复杂,细分市场较多,不容易统计,本文将主要市场作一些统计分析,列出市场发展的速度,涂料具体需求等,例举的行业见下表3。

表3 近三年工业涂料主要品种的产量

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由上表可知,我国工业防腐涂料2017年达到了577吨,其中船舶涂料占比较高,达到12.3%,由2016年的66万吨增长到2017年的约71万吨,包括新造船舶和船舶修复使用涂料总量。集装箱从2016年的180万TEU增长到2017年的280万TEU,新生产集装箱涂料使用量达到了22万吨,若计算翻新市场,涂料使用量还要增加。桥梁码头涂料2016年产量为48.5万吨,按照占重防腐涂料的比例计算,2017年约54万吨。石化、电力、铁道系统、建筑钢结构,大部分使用重防腐涂料,占比也较高,用量都超过了50万吨。工程机械、特种车辆、自行车等领域,使用涂料在10万吨左右,是细分行业中小领域的代表。综合以上行业数据,占工业防护涂料总比约70%,基本能够反馈工业涂料现状。

1.4 水性工业涂料的市场占有率

水性工业涂料目前应用范围较广,除集装箱行业大范围应用水性体系外,其余领域大部分在尝试使用阶段,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,暂时推广困难,但在轻防腐领域应用相对较多。建筑钢结构用水性涂料应用较快,以某家民营企业为例,2017年水性醇酸钢构漆产品超过了1.5万吨,2018年达到3万吨,预计2019年能超过4万吨,水性涂料增长迅速。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。水性工业涂料的市场占有率,整体还不足10%,发展空间巨大。

2 近五年国家环保政策和法规的推动

涂料涂装行业的环保政策与法规的要求基本是围绕环境问题来限定的,这就要求推进涂料涂装业清洁生产技术,如:对以VOC为原料的涂料品种进行水性化或更新技术减少VOC的使用;在生产过程中杜绝人为地加入对人类和环境有害的物质,或寻求新的环保型替代品等[2]。随着近几年国家对大气污染防止措施的陆续出台,各地也在严厉要求涂装行业向绿色、低VOC排放转型,水性涂料扮演着重要角色。

表4 近五年国家环保政策和法规

时间

颁布机构

政策法规

2014110

安徽省人民政府

安徽省大气污染防治行动计划实施方案

2014616

昆山市人民法院

大气污染禁止令

20141023

北京市人民政府办公厅

北京市工业污染行业、生产工艺调整退出及设备淘汰目录(2014年版)

201521

国务院

关于对电池 涂料征收消费税的通知

2015527

河北省国资委

《关于积极推广使用环保水漆的通知》

201565

杭州市政府

杭州市2015年大气污染防治实施计划

2015618

财政部国家发展改革委环境保护部

关于印发《挥发性有机物排污收费试点办法》的通知

201571

深圳市政府

涂料新标准,全市禁用溶剂型涂料(油漆)

2015831

工业和信息化部                    住房城乡建设部

促进绿色建材生产和应用行动方案

2015101

北京市环境保护局

关于挥发性有机物排污收费标准的通知

201611

全国人民代表大会常务委员会议

《中华人民共和国大气污染防治法》[第二次修订]

2016119

环境保护部办公厅

关于挥发性有机物排污收费试点有关具体工作的通知

20164

中国涂料工业协会

中国涂料行业十三五规划

2016510

河北省

关于制定石油化工及包装印刷试点行业挥发性有机物排污费征收标准的通知

201678

工业和信息化部 财政部

重点行业挥发性有机物削减行动计划的通知

201611

国务院办公厅

《控制污染物排放许可制实施方案》

20161226

工业和信息化部 科学技术部 环境保护部

国家鼓励的有毒有害原料(产品)替代品目录

2017217

环保部

京津冀周边地区2017年大气污染防治工作方案

2017717

泰州市政府

泰州两减六治三提升专项行动实施方案

2017928

江苏省丰县环保局

江苏丰县2018年元月以后使用油性漆属于环境违法行为,将追责

20171229

工信部

汽车行业挥发性有机物削减路线图

201811

国务院

《中华人民共和国环境保护税法》正式开证

2018227

天津市交通运输委和市环保局联合

天津市机动车维修行业涂漆作业综合治理实施方案

2018416

生态环境部

《环境影响评价公众参与办法》

2018627

国务院

《打赢蓝天保卫战三年行动计划》

20181116

生态环境部

《关于统筹推进省以下生态环境机构监测监察执法垂直管理制度改革工作的通知》

20181215

生态环境部

2019年将全面启动新一轮督察,并计划再花4年时间,开展第二轮中央环保督察

201911

山西省

《山西省大气污染防治条例(修订)

3 近五年国家及行业相关标准的制定

目前国家和行业都在关注水性涂料相关标准,每年都有新的标准出台,主要行业标准为主,涵盖树脂体系基本标准,市场细分领域基本性能标准,涂装技术规范等。国家标准相对制定较少,主要是工业领域细分行业较多,不能形成统一规范。据不完全统计,关于水性工业涂料的相关标准如下表5。

表5 近五年水性工业涂料相关标准

序号

标准号

名称

备注

1

HG/T 4570-2013

汽车用水性涂料

行业标准

2

GB/T 30981-2014

建筑钢结构防腐涂料中有害物质限量

国家标准

3

HG/T 4758-2014

水性丙烯酸树脂涂料

行业标准

4

HG/T 4759-2014

水性环氧树脂防腐涂料

行业标准

5

HG/T 4760-2014

水性浸涂漆

行业标准

6

HG/T 4761-2014

水性聚氨酯涂料

行业标准

7

HJ 2537-2014

环境标志产品技术要求_水性涂料

行业标准

8

GB/T 31817-2015

风力发电设施防护涂装技术规范

国家标准

9

JH/T E05-2015

集装箱用水性涂料

行业标准

10

JH/T E06-2015

集装箱用水性涂料施工规范

行业标准

11

JH/T E08-2015

集装箱用水性涂料涂膜检验方法和验收标准

行业标准

12

GB/T31414-2015

水性涂料表面活性剂的测定

国家标准

13

HG/T 4844-2015

底漆

行业标准

14

HG/T 4845-2015

冷涂锌涂料

行业标准

15

HG/T 4846-2015

水性无机磷酸盐耐溶剂防腐涂料

行业标准

16

HG/T 4847-2015

水性醇酸树脂涂料

行业标准

17

HG/T 5057-2016

水性环氧地坪涂料

行业标准

18

HG/T 5058-2016

轨道交通车辆用水性阻尼涂料

行业标准

19

HG/T 5061-2016

汽车修补用涂料

行业标准

20

HG/T 5062-2016

银镜镜背用涂料

行业标准

21

HG/T 5066-2016

水性涂料用分散剂

行业标准

22

HG/T 5067-2016

涂料用水性醇酸树脂

行业标准

23

HG/T 5175-2017

玻璃和陶瓷制品装饰用水性涂料

行业标准

24

HG/T 5180-2017

汽车塑料件用水性涂料

行业标准

25

HG/T 5176-2017

钢结构用水性防腐涂料

行业标准

26

HG/T 5173-2017

带锈涂装用水性底漆

行业标准

27

DB13/3005-2017

建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准

京津冀地标

28

GB/T34683-2017

水性涂料中甲醛含量的测定

国家标准

29

HG/T 5367-2018

轨道交通车辆用水性涂料

行业标准

30

HG/T 5370-2018

自行车用水性涂料

行业标准

31

HG/T 5367-2018

轨道交通车辆用水性涂料

行业标准

由上表可知,在桥梁码头、船舶、石化、电力等较大份额的重防腐领域,以及工程机械、特种车辆等较小份额的装饰性防护领域,依旧缺乏相关标准,同时水性工业涂料相关的首版标准只是规范了准入门槛,借鉴了溶剂型涂料的主要指标和客户的基本需求,相关标准还需要随着水性工业涂料的发展进行改版升级。

4 近3年重点行业的水性化应用方案

4.1 船舶领域应用

目前在船舶领域应用较少,部分企业在做水性无机硅酸锌车间底漆的推广和应用工作,但应用比例仍然不高;也有一部分企业尝试将水性产品应用于舱室内涂层配套,以及日常修补等,但也未大范围应用。涉及的产品体系有水性环氧、醇酸厚浆、丙烯酸聚氨酯等,都在试用阶段,主要应用于上建区域、房舱区域、机舱区域等不要求长期浸泡介质及不需要重防腐防护的部位。关于船舶用水性涂料的标准还未出台,只能借鉴溶剂型标准进行涂层设计和验收。

表6 上建系统配套体系

6.png

表7 某船舶重工水性涂料涂装方案

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由上面两个表可知,上建系统、室内舱室特定部位可以尝试重防腐涂层配套的设计,主要参照《钢结构用水性防腐涂料》HG/T 5176-2017标准,但是其它部位仍不能满足性能要求。因为水性重防腐涂料技术还不成熟,C4环境内有应用,但在船舶中应用较少;底漆、中间漆,一道施工膜厚没有溶剂型的高;C5环境及浸入土壤、水、油等液体中,暂无水性解决方案;水性工业涂料中亲水基团、乳化剂润湿分散剂、涂层孔隙率等的存在,影响涂层理化性能,还达不到溶剂型的性能指标和船舶的应用要求。

4.2集装箱领域应用

自2017 年4 月1 日开始,全国标准干货集装箱生产厂家的涂装生产线,全部推广水性涂料产品体系的使用。截至目前,新生产标准干货箱,除车间打砂后第一道环氧富锌底漆外,全部水性化;特种住人集装箱部分水性化,而翻新箱市场水性化较慢。涉及的产品体系有,应用于标准干货箱的水性环氧富锌、水性环氧厚浆、水性丙烯酸面漆,应用于住人集装箱的水性醇酸防锈漆水性丙烯酸防护漆、水性环氧底漆水性聚氨酯面漆等。水性集装箱涂料应用较多,尽管在应用之初出现了闪锈、涂装效率降低、单箱成本增加等问题,也出现了涂层脱落等,但目前的水性涂料技术,在严格控制施工的前提下,是能够满足集装箱市场的性能要求的。集装箱的水性涂料标准较完善,标准制定得也比较早。

表8 某涂料生产企业KTA检测报告

8.png

表9 某企业折叠箱的涂装应用

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4.3桥梁领域应用

已经在混凝土大桥上使用水性配套体系,钢结构桥梁也在尝试水性底层、中层以及面层进行配套涂装,但目前水性化较慢。涉及的水性涂料产品体系有,应用于混凝土桥梁的丙烯酸、环氧、氟树脂产品,应用于钢结构桥梁的无机富锌、环氧富锌、环氧云铁、聚氨酯、氟碳面漆等。混凝土桥梁结构已有水性涂料标准,钢结构桥梁目前还没有明确标准可依。

表10 广东跨河大桥工程配套体系

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表11 太原市政钢结构跨路桥工程

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4.4钢结构领域的应用

截至2018年初,京津冀、长三角、珠三角均已对溶剂型涂料施工有了严格限制。对于用漆的企业,要求进行生产线改造,增加VOC 后处理装置,而且在雾霾严重的天气还要停产[3]。特别是钢结构产品体积大、行业分布广、企业平均规模偏小,涂料喷涂往往在开放场所进行,实现VOCs有组织排放难度较大,空气污染严重,而水性涂料替代溶剂型涂料能够减排VOC达80%以上,有很大的市场空间。2016年,涂料市场为48万吨左右,水性涂料销量为1.5万吨,水性化比例为3%;醇酸、环氧等系列已经实现水性化,但是在重防腐领域应用相对较少。主要研发及应用难点为:水性涂料整套设计体系,被设计院认可需要有漫长的过程;钢结构用水性涂料应用时间较短,目前重防腐配套没有长时间的实际应用案例;大部分没有烘烤,涂层干燥慢,施工间隔长,早期抗水性差;厚涂型产品,干燥更慢,容易起痱子、气泡等弊病。钢结构用水性涂料的标准相对完善,也是第一批被行业重点推动水性化的领域。

表12 建筑钢结构主体项目涂层配套体系

  12.png 

表13 河南室内商场项目涂层配套体系

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4.5工程机械及特种车辆领域的应用

工程机械、农机、特种车辆属于工业细分领域,预计每年用漆量超过20万吨,所有产品体系为环氧底漆与聚氨酯面漆配套,不同的部位对涂层的性能要求不同,目前水性涂料已经能够满足客户要求。但是在应用过程中还存在一些需要改进的项目:探索湿碰湿工艺,工艺流程的匹配性稍差;聚氨酯面漆超过80微米,容易起痱子;水性施工粘度大,设备要求高;水性产品施工窗口窄,受温、湿度影响大;水性修补漆,接口问题。据了解雷沃重工、宏昌重工、东风改装车、大迪等厂家批量使用水性涂料体系,三一重工北京、昆山、上海数条生产线全部水性化,徐工、临工、龙工等企业也在尝试使用水性体系,目前整体水性化程度不足5%;随着环保排放要求的严控,特种车辆涂装领域水性化呈现急速上升趋势。工程机械及特种车辆水性涂料目前还没有标准可依,只能参照溶剂型的标准和客户的基本要求,亟需相关标准的出台。以下是两种典型的涂装方案。

表14 某企业挖掘机的涂装应用

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由上表可知,一般配重、动臂等要求不高的部位采用环氧底漆和聚氨酯面漆的涂装,涂膜厚度80-120微米;覆盖件、薄板件一般采用环氧底漆/电泳底漆、中间漆、聚氨酯面漆三道涂装体系或者电泳底漆、面漆两道涂装体系,涂膜厚度80-100微米。

表15 特种车辆车厢涂层配套

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特种车辆涂装线比较简单,企业间也不相同,目前较多的还是近似“湿碰湿”工艺,底漆喷涂后40℃保持10-15min,然后喷涂面漆,最后80℃烘烤40-50min。

4.6自行车与三轮车领域的应用

三轮车市场使用水性体系较多;某些自行车和电动车厂家,已进行尝试,其余大都以溶剂型体系为主,例如天津富士达每年使用几百吨。研发和应用需要解决的难点:水性自行车复合涂层漆膜附着力问题;自行车面漆颜色繁杂;水油体系罩光清漆丰满度差距;三轮车产品电泳底漆品牌较多,对面漆附着力适应性要求高;由水性分散体替代现有水稀释型树脂降低VOC。目前已经制定了自行车用水性涂料的标准,三轮车相关标准还未出台。以下是两种典型的涂装方案。

图1 自行车涂装工艺流程

 16.png

图2 三轮车涂装工艺流程

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4.7石化电力领域的应用

石油石化领域,除无机富锌、修补方案尝试水性体系外,其它大多使用溶剂型涂料,整个配套体系水性产品还达不到性能要求。电力行业涉及钢结构的防腐涂装(火电厂房钢构、各类支架、风力发电塔架等)、变压器行业,也已经有水性化的方案进行尝试,尤其是在原有基础设施建设上进行修补涂装,低VOC的水性工业涂料具有环保优势。研发与应用的难点为:产品线复杂,目前水性化涂装没有整套方案,长期浸入土壤、水、油等液体的应用环境无防腐方案。风力发电塔架用水性涂料正在完善相关标准,国电集团、金风科技等公司也出台了水性涂料的涂装技术规范,其他电力和石化领域无水性标准可依。

表16 石化行业可行性分析[4]

应用领域

主要产品类型

水性化案例及可行性

油气田及储运

炼油化工

 

储油罐内壁专用导静电涂料;环氧/无机富锌底漆,环氧云铁中间漆丙烯酸聚氨酯面漆,石油钻杆专用涂料,有机硅耐高温漆

水性无机富锌底漆

水性环氧富锌底漆

水性环氧云铁中间漆

水性丙烯酸聚氨酯面漆

石油钻杆专用水性涂料

埋地管道(包括天然气、原油、成品油管道)

重防腐环氧粉末涂料,天然气内减阻涂料,无溶剂液体环氧涂料,环氧煤沥青涂料,胶粘剂、防腐用聚乙烯材料等

无水性体系

海洋或近海石油设施

环氧/无机富锌底漆,环氧云铁中间漆;丙烯酸聚氨酯面漆,玻璃鳞片重防腐涂料,有机硅耐高温漆,饮用水设施防护涂料等

水性无机富锌底漆

 

石油工程机械

环氧/无机富锌底漆,环氧云铁中间漆;石油工程机械专用聚氨酯面漆等

水性无机富锌底漆

水性环氧富锌底漆

水性环氧云铁中间漆

水性丙烯酸聚氨酯面漆

钢结构

环氧/无机富锌底漆,环氧云铁中间漆;丙烯酸聚氨酯面漆

水性无机富锌底漆

水性环氧富锌底漆

水性环氧云铁中间漆

水性丙烯酸聚氨酯面漆

表17 电力行业应用(风力发电塔架)

18.png

5 结语

(1)水性工业涂料是环境友好型涂料之一,在降低VOC排放、替代溶剂型涂料过程中扮演着重要角色。

(2)水性工业涂料在重防腐及特种需求领域还不能满足涂装要求,需要上下游企业继续攻克现有技术瓶颈,或搭配其他类型的环境友好型涂料一起使用。

(3)水性工业涂料品牌良莠不齐,需要继续制定相关行业标准,规范应用。

(4)鼓励水性工业涂料的政策很多,但是在落地时阻力较大,需要在现有政策体系上继续细化措施,例如:简化水性涂料环评手续,以及水性涂料生产企业不必进入化工园区等措施。

(5)水性涂料原料、成品、包装物、施工废渣等是否按照一般货物运输和一般废弃物排放,同时亟待解决鉴定流程繁琐、费用高的问题。

(6)水性工业涂料应用案例仍较少,并且一些领域的测试周期较长,随着近几年的快速发展,应用经验的复制,将迎来爆发式的增长。

  

参考文献

[1] 陈红. 2017年中国涂料行业年度报告[R].涂料工业编辑部:4-5.

[2] 万祥龙, 郝国防, 王叶. 涂料行业的环保政策解读及应对策略[J]. 涂料工业, 2014, 34(3):75-79.

[3] 任旭. 轻钢结构水性防腐涂料展望和产品分析[J]. 涂层与防护, 2018, 39(7):16-19.

[4] 李济克. 重防腐涂料在石油石化行业应用及其前景分析[J]. 全面腐蚀控制, 2010, 24(9):2-6.


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