近幾年來(lái)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題成為全人類(lèi)最關(guān)注的話(huà)題之一，我國(guó)也出臺(tái)了相關(guān)環(huán)保政策來(lái)控制有機(jī)揮發(fā)物的排放。2014年《乘用車(chē)生產(chǎn)企業(yè)準(zhǔn)入條件及審查要求》明確規(guī)定汽車(chē)行業(yè)新增涂裝線中面涂必須使用水性涂料，原有涂裝線也必須在規(guī)定時(shí)限內(nèi)進(jìn)行改裝使用水性涂料。2015年2月開(kāi)始在涂料行業(yè)針對(duì)在施工狀態(tài)下VOC高于420克/升的涂料產(chǎn)品征收消費(fèi)稅，對(duì)涂料施工環(huán)節(jié)征收排污費(fèi)的政策也即將出臺(tái)，水性涂料的應(yīng)用將得到快速發(fā)展。目前汽車(chē)用涂料水性化率已達(dá)75%。
當(dāng)前水性汽車(chē)中面涂料一般呈弱堿性，而鋁粉顏料在弱堿性條件下可與水發(fā)生反應(yīng)釋放出氫氣，因此在制備和使用水性金屬漆時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，預(yù)防涂料質(zhì)量事故和安全事故的發(fā)生。
1、水性金屬涂料存在安全隱患的原因分析
金屬涂料中一般要添加4%左右的金屬鋁漿。金屬鋁性能特殊，能與水在一定條件下發(fā)生發(fā)應(yīng)。傳統(tǒng)溶劑型金屬鋁粉涂料，由于涂料體系一般呈弱酸性或中性，且體系中沒(méi)有水分存在，鋁粉能惰性存在涂料中，體系穩(wěn)定。水性涂料以水做溶劑，涂料體系一般呈弱堿性，在此條件下水會(huì)與鋁粉發(fā)生反應(yīng)，釋放出氫氣。其反應(yīng)方程如下：
2Al+3H20 Al2O3+3H2 (1)
2Al+6H20 2Al(OH)3+3H2 (2)
1.1鋁粉變化對(duì)涂料質(zhì)量的影響
鋁粉與水反應(yīng)后，鋁粉表面顏色會(huì)發(fā)黑變暗，最終影響涂膜效果，達(dá)不到客戶(hù)的要求，導(dǎo)致質(zhì)量事故的發(fā)生，鋁粉變化后對(duì)金屬漆外觀效果的影響見(jiàn)圖表1。
1.2鋁粉變化對(duì)安全的影響
金屬漆在儲(chǔ)存中與水反應(yīng)生成氫氣，會(huì)導(dǎo)致容器中的壓力增加而“脹桶”，嚴(yán)重的可導(dǎo)致爆炸事故。在使用時(shí)，工人在打開(kāi)油漆桶同時(shí)，如果桶內(nèi)壓力過(guò)高，過(guò)高的壓力可導(dǎo)致涂料從包裝桶中涌出，甚至出現(xiàn)“沖蓋”現(xiàn)象，造成對(duì)操作工的人身傷害。
國(guó)內(nèi)多家汽車(chē)生產(chǎn)廠都曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)水性涂料出現(xiàn)“脹桶”，開(kāi)桶時(shí)出現(xiàn)“沖蓋”現(xiàn)象，幸未沒(méi)有發(fā)生人身安全傷亡事故。
2、金水性屬涂料安全穩(wěn)定性的測(cè)定與評(píng)價(jià)
水性金屬涂料的安全穩(wěn)定性與金屬鋁粉反應(yīng)的程度相關(guān)，可通過(guò)測(cè)定涂料在儲(chǔ)存中氫氣的釋放量來(lái)評(píng)定其安全穩(wěn)定性。
在涂料配方確定后，需進(jìn)行放氣量的評(píng)價(jià)。放氣實(shí)驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行生產(chǎn)和應(yīng)用。放氣量的評(píng)價(jià)一般有兩種方法。一種是失重評(píng)價(jià)法，一種是氣壓評(píng)價(jià)法。
2.1失重評(píng)價(jià)法：
通過(guò)評(píng)價(jià)重量的變化來(lái)評(píng)價(jià)涂料體系的安全性。將制得的水性涂料樣品裝入密閉容器中，稱(chēng)量并記下此時(shí)的重量。然后把容器放入40℃的烘箱中，來(lái)考察鋁粉的穩(wěn)定性。以5天為一個(gè)循環(huán)，取出后冷卻至標(biāo)準(zhǔn)溫度，之后將容器蓋輕輕開(kāi)啟，稱(chēng)量此時(shí)的質(zhì)量，與剛放入烘箱時(shí)的重量進(jìn)行對(duì)比。三次循環(huán)后，差值越大，則說(shuō)明鋁粉釋放氣體量越大，涂料體系安全穩(wěn)定性效果越差。
2.2氣壓評(píng)價(jià)法：
通過(guò)密閉容器中體系壓力的變化來(lái)評(píng)級(jí)涂料體系的安全性。該方法是最常用的方法，測(cè)量裝置見(jiàn)圖表3。原理是：當(dāng)玻璃瓶中金屬涂料中的鋁粉和水發(fā)生反應(yīng)放出氫氣時(shí)，會(huì)引起玻璃瓶中的氣壓增大。因下空氣室和玻璃瓶相通，所以下空氣室的氣壓也會(huì)增加。因上空氣室和大氣相通，它的氣壓在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中恒定不變，所以下、上空氣室會(huì)出現(xiàn)一個(gè)壓力差。這個(gè)壓力差會(huì)驅(qū)使下空氣室中的水流向上空氣室。通過(guò)上空氣室中水的體積的變化來(lái)測(cè)算涂料釋放的氣體量。選擇一定重量的金屬漆，在40℃恒溫的環(huán)境中，收集3-7天氣體的發(fā)生量，放氣量越小，產(chǎn)品安全穩(wěn)定性越高。
3、水性金屬涂料安全性能設(shè)計(jì)方案
3.1通過(guò)鋁粉表面處理提高涂料的安全性
通過(guò)對(duì)鋁粉進(jìn)行處理，降低與水的反應(yīng)活性，從而提高涂料的安全性能。水性鋁銀漿常用的改性方法為添加阻蝕劑法和包履法。添加阻蝕劑法是在鋁粉顆粒的表面以物理方法混合添加劑，在鋁片的外層形成保護(hù)層，最終阻止鋁和水發(fā)生反應(yīng)。阻蝕劑包括脂肪酸阻蝕劑、低分子阻蝕劑、表面活性阻蝕劑和聚合物(高分子)電解質(zhì)阻蝕劑。包履法是指用物理、化學(xué)方法對(duì)粒子表面進(jìn)行處理，有目的的改變粒子表面的物理化學(xué)性質(zhì)，在鋁粉的外部形成一層保護(hù)層。常用的方法有鉻酸鹽處理、鉬酸鹽處理、有機(jī)硅改性處理。二氧化硅包覆法的鋁粉漿，是水性汽車(chē)涂料中使用相對(duì)較多的一類(lèi)。其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生氫氣或者氫氣產(chǎn)生量非常小，但其缺點(diǎn)也明顯，價(jià)格貴，與涂料中有機(jī)物的相溶性差，鋁粉的閃爍感差，可選擇品種少等。圖表4為二氧化硅包覆的鋁銀漿包覆前后外觀閃爍感的差異。
鉬酸鹽包裹的鋁銀漿，其包覆層厚度只有二氧化硅包覆層的五十分之一，不會(huì)影響鋁粉的閃爍感，又比完全依靠聚合物鈍化處理的鋁粉在放氣方面性能要優(yōu)越。其缺點(diǎn)是價(jià)格貴，可選擇的范圍較窄。
汽車(chē)涂料制造商通常根據(jù)自身產(chǎn)品的特點(diǎn)，對(duì)鋁銀漿鈍化后采用有機(jī)物包裹處理，其優(yōu)點(diǎn)是鋁銀漿的品種選擇豐富多樣，鋁粉的閃爍感幾乎不受影響，缺點(diǎn)是包覆膜與鋁顏料表面結(jié)合力弱，易脫落，穩(wěn)定性能差。圖表5為含磷酸基聚合物對(duì)鋁粉的處理示意圖。
3.2控制涂料pH值來(lái)提高涂料的安全性能
鋁粉與水的反應(yīng)活性受涂料的pH值大小的影響，某金屬涂料在常溫下pH值與金涂料放氣量對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖表6。
從圖中可見(jiàn)，當(dāng)體系pH控制在6.9-8.5以下，鋁粉的反應(yīng)活性較低，而高于8.5時(shí)，鋁粉的反應(yīng)活性隨著pH值的上升而快速增加，產(chǎn)生的氫氣量對(duì)應(yīng)增加。
水性涂料一般在在堿性條件下才能穩(wěn)定，因此涂料的pH值最好控制在7.7-8.5之間，此范圍內(nèi)鋁粉、涂料皆能處于穩(wěn)定狀態(tài)，可有效的提高涂料的安全性能。
3.3規(guī)范涂料運(yùn)輸、貯存條件，減低安全隱患
水性金屬涂料的搬運(yùn)和運(yùn)輸過(guò)程中，嚴(yán)禁煙火，避免猛烈碰撞與摩擦。
溫度越高，鋁粉的反應(yīng)活性越強(qiáng)，因此水性金屬涂料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存必需使用保溫裝置，溫度最好控制在5-30℃范圍內(nèi)。
為質(zhì)量和安全起見(jiàn)，一般水性金屬涂料的儲(chǔ)存期控制在3個(gè)月之內(nèi)。
加強(qiáng)巡回檢查，發(fā)現(xiàn)有脹桶等異?，F(xiàn)象，盡快進(jìn)行處理，消除安全隱患。
4、包裝容器安全性能的設(shè)計(jì)
4.1控制包裝桶強(qiáng)度
選用具有一定抗壓能力的包裝桶降低桶內(nèi)氣壓增加產(chǎn)生的安全隱患。對(duì)涂料包裝桶進(jìn)行加壓試驗(yàn)，在密封的包裝桶內(nèi)注入空氣，記錄不同壓力下包裝桶的鼓脹變形情況。圖表7為鋼桶的壓力變形測(cè)試。
4.2控制涂料的裝填量
根據(jù)包裝桶的大小和抗壓能力，測(cè)算涂料允許產(chǎn)生氫氣的安全量，選擇合適的涂料的裝填量，來(lái)降低涂料儲(chǔ)運(yùn)中存在的安全隱患。
4.3包裝桶設(shè)計(jì)安全改進(jìn)
在包裝鋼桶桶頂或桶蓋上安裝防水透氣塞，既可密封防水，又可透氣泄壓。防水透氣塞見(jiàn)圖8。
5、涂料使用時(shí)開(kāi)桶的安全規(guī)范設(shè)計(jì)
作業(yè)人員要穿上具備防靜電性能的工作服，安全靴等作業(yè)保護(hù)用品。佩戴無(wú)照明燈的安全帽，護(hù)目鏡、面罩或防靜電手套等。
作業(yè)姿勢(shì)盡可能伸長(zhǎng)手臂，使頭部遠(yuǎn)離涂料桶。盡可能使頭部低于涂料桶的上部。
開(kāi)啟有小口的涂料桶時(shí)，先緩緩開(kāi)啟小口，再開(kāi)啟大口。開(kāi)啟過(guò)程中如有氣體噴出的聲音，停止操作，聲音消失后再繼續(xù)開(kāi)啟。如果涂料已有脹氣現(xiàn)象，又有塑料內(nèi)襯時(shí)，打開(kāi)蓋子后用小刀將塑料內(nèi)襯劃破讓氣體釋放出來(lái)。
如果涂料桶沒(méi)有開(kāi)口，使用手動(dòng)工具(禁止使用電動(dòng)工具)套筒扳手、鉗子等緩緩松開(kāi)桶蓋固定環(huán)的固定螺栓。同樣開(kāi)罐過(guò)程中，如果聽(tīng)到有氣體噴出的聲音，要停止操作，待噴氣聲沒(méi)有后再緩緩打開(kāi)。不要將固定螺栓完全卸下，只將螺栓擰松，使桶蓋固定環(huán)松動(dòng)。從固定螺栓處，將扁平螺絲刀插入桶蓋和桶體之間，緩慢向上方翹起使石油桶蓋打開(kāi)一間隙，在螺絲刀和間隙部位上方蓋上軟布，防止內(nèi)容物噴出。確認(rèn)氣體排完后，卸下螺栓，打開(kāi)桶蓋。
如果涂料桶發(fā)生變型，桶蓋固定螺栓無(wú)法打開(kāi)時(shí)，在涂料桶上開(kāi)一小孔。由于涂料桶上部空間充滿(mǎn)氫氣氣體，不能在此開(kāi)孔，須在涂料桶裝有液體的下部手動(dòng)鉆頭緩慢開(kāi)一小孔開(kāi)孔。
整個(gè)作業(yè)場(chǎng)所要保持通風(fēng)，排氣通暢。
6、結(jié)語(yǔ)
水性金屬涂料的安全性是水性汽車(chē)涂料必須越過(guò)的一道坎。本文通過(guò)強(qiáng)化涂料安全性能的設(shè)計(jì)，包裝容器安全性能的設(shè)計(jì)，制定涂料儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用時(shí)的安全規(guī)范，可有效降低和預(yù)防安全事故的發(fā)生。只要加強(qiáng)控制和管理，水性金屬涂料的安全性是可控的，汽車(chē)制造商可放心使用。