0 引言
水性涂料是指可用水配制的涂料或其挥发的溶剂部分主要是水（或大部分是水）。工业涂装领域采用的水性涂料有电泳涂料（阴极电泳涂料和阳极电泳涂料）、水性防锈涂料（浸涂用或喷涂用，还有厚膜型）、水性中涂漆、水性底色漆、水性清漆、水浆状粉末清漆等。
汽车工业发达的国家基本上已实现了水性涂料替代传统溶剂型涂料的更新换代；我国汽车车身底漆采用阴极电泳（CED）涂料已普及，自2004 年以来，采用水性中涂漆和水性底色漆的车身涂装线已有20 多条中国机械网okmao.com。
水性涂料是环保型绿色涂料，采用水性涂料替代现用的溶剂型涂料是工业涂装低VOC（挥发性有机化合物）化的主流措施。如仅用水性底色漆（WBBC）替代溶剂型底色漆（SBBC）就可削减VOC 排放量达80% 以上。采用水性涂装体系（水性中涂漆/ 水性底色漆/ 溶剂型清漆）替代现行溶剂型涂装体系后，削减VOC 的效果显著，见图1。
图1 水性涂料体系的VOC削减效果
1 水的特性给水性涂装带来的难点
由于水的特性与有机溶剂相差甚远，水的蒸发潜热大，挥发慢，表面张力高，易产生气泡且难消除，高导电性，以及腐蚀性（见表1、2）给水性涂装带来许多问题。
表1 水与一般溶剂的特性比较
水性涂料（中涂漆和面漆）的涂装工艺与溶剂型涂料基本相同。但在作业方面受水的特性影响，在喷涂时会产生问题，必须采用与溶剂型涂料不同的设计，见表3。
表3 水性涂料的主要问题及其防治方案
对涂装作业影响最大的因素是水的蒸发潜热大，水蒸发所需的能量是有机溶剂的5 倍；加上受温度和相对湿度的影响，与空气中的含水量有关，相对湿度高（即空气中含水量多）的场合，水从涂膜蒸发就难，涂装作业性就下降。
在喷涂过程中，水性涂料的固体分提高速度较溶剂型涂料慢得多，且受涂装环境温、湿度的影响较大（见图2、3）。溶剂型涂料通过稀释剂的调整，可提高涂装时的固体分，但却不能指望水性涂料的固体分会上升很多。水性金属闪光底色漆在喷涂区溶剂挥发只有20%~30%，而一般溶剂型金属闪光底色漆在喷涂区溶剂挥发已达60%~70%（见图4）。
由图3 可见：湿度变化对涂装不挥发分的影响很大，为确保涂装作业性，应加强湿度管理。因水分蒸发慢，在涂装时易产生流挂，另外在喷涂金属闪光底色漆时，晾干时间延长，使涂装作业效率变差。其次，影响水性涂料涂装作业性的因素是表面张力。
水的表面张力较有机溶剂高得多，如醇类、酯类、酮类溶剂的表面张力为（20~25）×10-3 N/m ；二甲苯、煤焦油溶剂等芳香族碳氢化合物的表面张力为（28~32）×10-3 N/m ；200# 溶剂油那样的直链状碳氢化合物的表面张力为25×10-3 N/m 左右。广泛采用的高沸点溶剂，如丁基溶纤剂的表面张力为（27~28）×10-3 N/m，丙烯乙二醇醚系的表面张力为（28~31）×10-3 N/m，溶纤剂乙烯酯的表面张力为（28~29）×10-3 N/m。基于水性涂料的表面张力较溶剂型涂料高，在涂装时易产生下列缺陷及涂膜弊病：
（1） 对被涂面不易润湿，不易渗入小细缝中；
（2） 流平性不良，易产生缩孔、针孔；
（3） 易产生流挂、缩边；
（4） 不易消泡。
水性底色漆的涂装作业性不仅与涂料和涂装工艺有关，还与涂装方法及相关设备有关，要提高水性底色漆的涂装作业性，必须从以上两方面加以改进。中涂漆不仅涂覆在电泳涂膜上，还需涂覆在车身密封胶和抗石击的车底涂层上，它们都是低极性成分，应关注表面张力高的水性中涂漆对它们的润湿性，在配方设计时使用表面调整剂和溶剂来降低水性中涂漆的表面张力，使其对底材易润湿。另外，在厚膜型涂料场合，水分难挥发，需优化预加热和烘干的规范。
总之，水性中涂漆涂装线的稳定化作业十分重要。水性涂料的电阻低，在高压下导电，因涂料管漏电无法接上高压，故喷涂溶剂型涂料的静电喷涂设备，不适用于水性涂料的静电涂装。通常水性涂料静电喷涂采用外部电极荷电或输漆系统与电喷枪之间绝缘两种方式。
外部荷电方式容易实现，仅在喷杯外安放高压放电针，喷杯不带电，其他喷涂装置与喷涂溶剂型涂料的设备相同，因而设备成本几乎不增加，但是涂装效率比喷杯荷电方式约低10%。输漆系统与喷枪之间绝缘的方式，需设置绝缘中转漆罐，系统复杂，向中转漆罐补充涂料时须停止喷涂，短生产节拍、多色场合不适用。
2 水性涂装的关键工艺条件
基于水性涂料（中涂漆和底色漆）的特性，如特殊的流变性、水分难挥发和润湿性差等，为获得优质装饰涂层，要注意喷涂过程中的4 个涂装条件：
（1） 需控制喷涂环境的温度和湿度恒定在最佳范围，温度（23±2）℃，相对湿度（RH）（65±5）%。各涂料公司根据自己的产品特性推荐施工环境的空气温湿度窗口（见图5、6）。
为节能减排，不保持全年恒温恒湿，而随气侯条件变化，随季节分别设定温湿度值范围。如以下3 种温湿度控制状况：
① 全年25℃，RH 70%（恒定）；
② 冬季22℃，RH 70% ；夏季28℃，RH 80%，其它25℃，RH 75% ；
③ 冬季21~23℃，RH 65%~75% ；夏季27~29℃，RH 75%~85% ；其它24~25℃，RH 70%~80%。
第③种工况，可较①削减CO2 排放量50% 左右。
（2） 水性底色漆喷涂后，罩光前需闪干（预烘干），以确保湿漆膜的不挥发分（NV）>80%。其工艺为：风幕→红外1.5 min →吹暖风3 min →吹冷风2 min →风幕（工件温度降至≤ 35℃）。
（3） 水性涂料的烘干工艺
为使水性涂料固化后水不溶，具有良好的耐水性和与溶剂型涂料一样的性能，一般需要中、高温烘干。为防止湿漆膜的水分突沸，产生“气泡”缺陷，在烘干前需增设预烘干（升温）段，使湿漆膜的不挥发分（NV）达到80% 以上，再在高温条件下烘干，得到良好的涂膜，尤其在厚膜涂层（膜厚≥ 35 μm）场合，更不可缺少预烘干段。水性中涂漆烘干（含预升温段）曲线如图7 所示。预烘干工艺参数（温度及时间）的确定见图8 和表4。
表4 不同预烘干工艺的热风效果
表4 表明，预烘干装置的热风条件：温度40~80℃，风速：10 m/s 以上为宜。
电泳漆涂膜受电渗作用，湿涂膜中含水量已较少（指触干）。可直接进入高温烘干室烘干。进烘干室前将被涂物表面的水珠湿气吹掉即可（如吹60℃左右热风，涂膜外观更佳）。某公司推荐的汽车用中涂漆、底色漆（水性和溶剂型）、罩光清漆（溶剂型）的施工参数列于表5 中，供参考。
表5 汽车中涂漆、面漆的施工参数
（4） 需用耐腐蚀材料：不锈钢或塑料。如预烘干室内壁板需选用SUS304 不锈钢，输漆管路需用不锈钢管等。
基于水性涂料的稳定性和抗冻性较溶剂型涂料差，水性涂料的贮存环境要求5~30℃。调漆间温度可比供漆温度（23±2）℃低3℃，贮存稳定周期6 个月，漆罐要密封，供漆循环系统流速0.15 m/s（溶剂型涂料0.3 m/s）。循环系统涂料周更新率10% 以上。清洗溶剂的配比：亲水溶剂10%，水90%（按需可调整pH 值）。
3 制约水性涂料发展的因素及其现状
当初制约水性涂料发展的因素如下：
（1） 设备投资增大。水性底色漆喷涂后，罩光前要增加预烘干（闪干）设备；水性中涂漆烘干需增加预升温段，占用生产面积增大，投资增加。管道喷漆室、预烘干室要求采用不锈钢材料。
（2） 能耗增大。因喷涂水性涂料（中涂漆和底色漆）需严格控制喷漆室系统供风的温湿度；再加上预升温和预烘干工艺，能耗大幅度提高，比溶剂型中涂漆、面漆的3C2B（三涂二烘）工艺能耗增大1.6倍，CO2 排放量增大1.5 倍。
（3） 水性涂料的施工作业性较差，施工环境温湿度范围（窗口）较窄。再加上水性涂料价格稍贵，能耗增大和涂料稍贵，使涂装运行成本增高。
（4） 原有的老设备和涂装车间很难进行改造来适应水性涂料的涂装。
环保和节省石油资源是推动水性涂料发展的两大动力。保护地球环境，为人类创造更好的生存环境，要求低VOC 化、低碳化；石油资源短缺，价格猛涨，要求节能减排。进入21 世纪以来，国内外要求发展绿色经济，创建环境友好型、低碳经济型社会，致使采用环保型绿色涂料（尤其是水性涂料）替代传统的溶剂型涂料成为大势所趋。近10 多年来，水性涂料及其涂装技术的开发取得了很多重大革新性的技术进步：
（1） 水性涂料的施工性能得到进一步改善。汽车用水性中涂漆和水性底色漆的开发历史是在保证赶超溶剂型涂料质量基础上，扩大喷漆室温湿度窗口及控制范围改进施工特性的历史。如日本在2005年采用的第2 代水性底色漆，温湿度窗口较20 世纪90 年代的第1 代水性底色漆的工艺窗口扩大了许多。第3 代水性底色漆的开发将进一步扩大其施工工艺窗口，提高其外观装饰性和增强喷涂时的雾化性能。适用于“湿碰湿”涂装工艺（三涂一烘工艺）的水性中涂漆和水性底色漆开发成功并已获得工业应用。
（2） 静电喷涂水性涂料的弹匣式涂装法。随着机器人静电喷漆替代往复式自动静电涂装机的自动静电喷涂技术的进步，开发成功与涂装机器人配套应用的弹匣杯式高压组件系统（Cartridge Bell VottafeBlock System），简称弹匣式涂装法。这种系统把涂装机器人和传统的输漆系统彻底分离，将上述的中转涂料罐做成独立的涂料罐（弹匣），弹匣可与旋杯进行快速组合，压送涂料，弹匣的容积可根据实际需要设计（例如分担1~2 台车身的用漆量），并专用化，与其配套的有填充涂料装置和弹匣搬运装置。换色时只需更换弹匣，仅清洗喷杯，弹匣不需清洗，因而换色时的涂料和溶剂的损失小，清洗溶剂消耗可减少93% 以上；可在短时间内完成换色，与更换弹匣同步清洗喷杯。弹匣式涂装法的突出优点是同时适用于溶剂型涂料和水性涂料的静电喷涂，且涂装效率高；还可适用于临时的小批量颜色涂装；简化了机器人手臂中搭载的换色阀和涂料泵系统，设备简单易维护。弹匣式涂装法在日本已较多采用，我国2004 年9 月投产的一汽天津丰田二厂车身涂装线采用机器人弹匣式涂装法喷涂水性底色漆。
（3） 采用热泵技术的低湿、低温底色漆预烘干法。水性底色漆喷涂后，在罩光前要挥发掉湿漆膜中的水分，使其NV 达到80% 以上。采用“红外+ 热风+冷却”或“热风+ 冷却”方式进行预烘干，后改进为“低湿、低温（50℃）空气吹干”方式，取消了冷却工序。最新成果是应用热泵技术同时作为“低湿（8 g/kg）低温（50℃）吹干”方式的预烘干装置的除湿冷却源和热源，节能减排效果显著，与现行方式比较，CO2 排放量可削减61%。
（4） 水性中涂漆、水性底色漆涂装采用“三湿”喷涂工艺技术。当初水性中涂漆和面漆涂装为三涂二烘（3C2B）涂装工艺（即涂中涂漆→烘干→打磨修饰擦净→涂底色漆（BC1+BC2）→预烘干（闪干）→涂罩光清漆（CC）→烘干→冷却。现今为节省投资、节能减排，降低涂装成本，普遍采用“三湿（3-wet）”喷涂工艺。“三湿”喷涂工艺技术是指中涂漆、底色漆＋罩光清漆三涂层，“湿碰湿”喷涂后一起烘干，简称“三涂层烘一次，3C1B”；或底色漆1（BC1，具有中涂功能）、底色漆2（BC2）+ 罩光清漆（CC）→烘干、冷却（又称双底色涂装工艺）。两者都简化了中涂漆和面漆的喷涂工艺，3C1B 工艺削减了中涂漆烘干室、打磨、面漆前表面准备等工序；双底色工艺削减了中涂漆喷涂线。两者较原来的3C2B 喷涂工艺，在投资、能耗、涂装成本等方面有较大幅度的降低。但对底材、底涂层的表面质量、涂装环境和涂装管理等方面有较高要求。2006 年，“三湿”喷涂工艺已被汽车车身涂装国际会议确认为A 级轿车车身涂装的主流工艺。
（5） 机器人静电喷涂水性涂料、干式漆雾捕集技术和喷漆室排风循环再利用等3 项最新涂装技术的配套使用，其节能减排和降低涂装成本的效果特别显著。
进入21 世纪以来，机器人自动静电喷涂技术已普遍采用。德国杜尔公司等开发的干式喷漆室，采用干式漆雾捕集装置（EcoDry Scrubber），喷漆室排气循环再利用率由0~20% 提升至80% 以上，可节能30%，单车涂装成本降低10% 左右。为环保和节能减排，各涂料公司正在进一步开展减少水性涂料中的VOC，改善水性涂料的施工性能（扩大温湿度的控制范围），进一步缩短水性底色
漆的闪干时间和中涂漆的预升温段时间，以及水性涂料的低温固化技术等方面的研发工作。上述水性涂料和涂装技术的进步，除老涂装线难改造采用水性涂料问题外，制约水性涂料发展的因素基本上已全面解决。为保护人类的生存环境和推动国民经济可持续发展，应大力发展水性涂料及其涂装技术，尤其在新设计建设的涂装线场合。