李国强 / 王颖 / 张卫 / 贾永强 / 谢天华 (中冶京诚工程技术有限公司)
摘要：本文介绍一种新型绿色环保的高速卷材粉末喷涂技术，列出了粉末喷涂板的优势，并且结合粉末喷涂研发的实践经验，提出粉末喷涂研发遇到的问题及难点。另外，本文对已投产运行的高速卷材粉末喷涂机组进行介绍，分析了该机组的技术亮点。通过传统油漆辊涂生产工艺与粉末喷涂工艺的对比，从工艺、能耗及运营成本、产品性能等方面对环境的影响作了详细分析，指出了粉末喷涂板的广阔发展前景。
0 引言
彩涂板是以金属卷材为基板，经过表面预处理，继而用连续的方式敷上涂料，最后经过烘烤和冷却而制成的产品。彩涂板广泛用于建筑、造船、车辆制造、家具、电气、装饰等行业，实现了高效施工、有效防腐、节约能源等良好效果。然而从上世纪40年代至今，彩涂板问世已有80多年的历史，生产方式基本上沿用油漆辊涂的生产工艺。该生产工艺最大的优点是可以高速均匀的涂覆，实现大规模生产，从而适应经济发展对彩涂板的大量需求。但采用油漆辊涂的方式存在一个无法回避的问题——严重污染！众所周知，油漆涂料是由两部分构成，即成膜物质和油漆，而油漆含有易挥发的苯、甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、丙酮等刺激性有毒物质。尽管目前很多彩涂板生产厂在机组中增加了废气废液处理装置，但仍有残余的有害物质排到大气及土壤中，另外燃烧的废气又会产生大量的二氧化碳。近年来，粉末喷涂技术逐步进入市场，但由于多数产线采用挂件喷涂的生产方式，即先成型后喷涂的生产工艺，这种方式不仅生产效率低，产品质量也太不稳定，已经无法满足日益增加产品产能的需求。国内目前已有部分高速连续粉末喷涂线投产运行，设计速度在80 m/min左右，但大多采用多涂多烘的工艺实现，这样势必会很大程度的增加生产成本，对产品竞争力造成一定程度的不利影响。
1 粉末静电喷涂的工艺特性
上世纪70年代，法国人发明了粉末静电喷涂工艺即使作为成膜物质的粉末涂料带上静电，然后吸附在零电位的金属板表面，免去油漆作为稀释、均匀物的作用。目前这种方式大量应用于低速吊挂喷粉生产线上，其具有如下很多优点：
①环保节能：粉末涂料不含有机溶剂，可避免环境污染、火灾危险、危害人体健康、水质污染等问题；
②涂装效率高：一次性喷涂可达到油漆辊涂的2~3倍涂覆厚度；
③可回收利用：粉末涂料的回收再利用率高可达到98%，不会产生难于处理的废液；
④温度范围广：粉末涂料的涂装受气温和季节影响较少，涂装技术操作简单容易掌握；
⑤涂层性能优：粉末涂料属于热固性涂料，所含树脂成份的分子量大，涂膜的物理力学性能和耐化学介质性能等都比油漆或水性漆要好；
⑥涂层表面好：粉末涂料没有溶剂挥发过程，不会形成大量的气体挥发造成的缩孔。
如上所述，粉末喷涂跟油漆辊涂相比优势十分明显，但要实现卷材连续高速生产有很多困难，难以进行大规模商业应用。欧洲市场到目前为止仅有10多条卷材连续粉末喷涂生产线，工艺段线速度一直没能突破30 m/min。国内目前已有部分高速连续粉末喷涂线投产运行，设计速度在80 m/min左右，但大多采用多涂多烘的工艺实现，这样势必会很大程度的增加生产成本，与现在主流的油漆辊涂线120 m/min工艺速度相距甚远。其难点如下：
①首次着粉率低：严重影响涂覆效率；
②固化瓶颈：传统粉末涂料固化时间长，需要20 min甚至更长，这就导致了固化炉长度加长，机组提速困难；
③双面双色：粉末在空气中是漂浮的物体，板带上下两面形成不同颜色的粉末容易干扰混色；
④换色困难：更换涂料颜色及品种需要的清洁时间比油漆或水性漆要长，降低了机组连续作业效率；
⑤薄涂困难：粉末涂料涂层较厚，一般在30 μm以上，远远大于辊涂彩涂板10 μm的涂层厚度，增加了生产成本；
⑥气障问题：板带高速运行时，带动板带周边气流扰动，影响喷涂效果；
⑦开发投入大：实验费用及试制成本高，实验机组昂贵并且风险巨大。
2 新型绿色环保彩涂机组
中冶京诚公司作为冶金建设领域的国家队及排头兵，拥有20多年油漆涂料彩涂线总包、供货的经验，15年前就已关注彩涂板的绿色环保替代技术，并率先提出高速卷材粉末喷涂生产的创新思路。在2010年初，中冶京诚正式成立卷材粉末喷涂研发项目组，对此项技术进行自主攻关研发。在国外技术封锁，相关信息及资料严重匮乏的情况下，研发团队通过5年时间，历经了无数次实验，突破重重难关，终于发明了注册商标为CERI-Powder高速卷材粉末喷涂工艺，并于2015年正式与国内某彩涂板公司签订了全国第一条高速卷材粉末喷涂生产线合同。在2016年11月，机组正式投产，标志着高速卷材粉末喷涂由实验正式进行商业化生产。该机组设计生产线速度80 m/min，工艺技术达到国际领先水平，并且完全拥有自主的知识产权，填补了国内高速卷材粉末喷涂技术的空白。
该生产线工艺流程如下：
开卷─剪切─缝合─入口活套─预处理─喷涂─烘干─冷却─出口活套─剪切─收卷
而传统的油漆辊涂线的工艺流程如下：
开卷─剪切─缝合─入口活套─预处理─初涂─烘干─精涂─烘干─冷却─出口活套─剪切─收卷
由上述两组工艺布置可见，高速卷材粉末喷涂机组(图1)与油漆辊涂机组(图2)的最大区别在工艺段。辊涂机组的工艺段是两涂两烘(也有三涂三烘)，而粉末喷涂机组工艺采用单涂单烘即可实现要求。
CERI-Powder粉末喷涂机组关键技术特点如下：
①高速喷涂：机组工艺段速度30~100 m/min；
②双面双色喷涂：实现铝板正反两面不同颜色的涂层；
③高着粉技术：首次着粉率80%以上；
④薄涂技术：工作面涂层厚度可以控制到25~30 μm；
⑤涂层厚度自动控制：涂层厚差控制在±5μm以内；
⑥快速固化技术：采用辐射固化，环保节能；
⑦快速换色技术：40 min内完成设备的换色清洗；
⑧高安全性能：防火防爆的多重安全保护。
3 能耗及运营成本
CERI-Powder粉末喷涂与传统的油漆辊涂机组的前后段设备大致相同，运营成本的差别主要体现在涂装区和固化区(如图1、图2所示)。从理论计算来看，两种机组的涂料用量大致相同，如果跟油漆辊涂机组的低端涂料相比，目前的粉末涂料价格会高一些。但由于粉末机组省去焚烧炉，固化段能耗比油漆辊涂机组可节省40%。另外粉末喷涂板的涂层干膜厚度最薄为45 μm，而油漆辊涂板的涂层干膜厚度通常只有25 μm，也即是说粉末机组的吨钢产出重量会比油漆辊涂机组的要高，加上粉末喷涂机组为单涂单烘，用水量、人工、涂敷辊损耗量等均可节省部分，因此粉末喷涂机组的综合运营成本与油漆辊涂机组相比基本持平甚至还稍低一些。另外，随着目前粉末卷材生产线的不断增加，粉末涂料的用量已大幅上升，相应粉末涂料的价格比原来已经下降了30%以上，因此粉末喷涂机组的综合运营成本的趋势是越来越低。
4 彩涂板性能比较
油漆辊涂型机组的辊涂工艺对基材有一定要求，基本限制为平面基板，而粉末涂料的静电喷涂对卷材产品拥有更大的灵活性，由于粉末喷涂属于非接触式喷涂，基材表面不受限制，可以是平板、穿孔板以及浮雕金属压印板等，膜厚可以喷涂到100 μm以上，这些特性都是油漆辊涂型机组难以实现的。
粉末喷涂板的涂膜性能测试在硬度、柔韧性、耐刮和耐候性方面尤为突出，其它性能也全部达到国家彩涂板标准，表1为两种产品性能测试的比较：
5 环境影响
目前油漆涂料的固体成分普遍为45%~50%左右，辊涂时还要加入稀释剂，上漆率只有40%左右。这意味着在彩涂板在运输、贮存及涂装过程中有50%左右的废漆淤浆或VOC排入大气。这些废淤浆的处理十分困难，而VOC不仅对人体有害，还是导致雾霾的原因之一。另外油漆辊涂板产品表面残留的VOC废气完全释放期为2年以上，因此发达国家从2000年前后就开始限制包括油漆在内的有机油漆涂料的使用，并对家具、室内装修用料对大气排放的VOC量设置了严格的限制，美国海关近期已经颁布严禁进口由油漆型彩涂板成型的五金家电产品的条例。
粉末涂料在运输、贮存和喷涂过程中无污染物排放，固化过程中VOC排放为零，受到国家环保政策的检测豁免。另外，其一次上粉率可以达到80%以上，过喷的粉末经过回收系统回收到供粉桶中，与新粉按一定比例混合后重新使用，其综合利用率超过98%。即便是剩余的2%废粉，也可由粉末生产企业回收，重新加工后再用，真正实现了涂装“三废”的零排放。表2为两种工艺对环境影响对照表：
6 前景
近年来，国家陆续出台了一系列的法律法规，来限制污染物的排放，绿色环保指标的审核，逐步成为项目获批重要前提条件，产线升级改造需求量大。油漆辊涂生产工艺的更新换代迫在眉睫，绿色环保也已被确定为国家经济工作的重中之重，我国计划用10~15年时间，对传统涂料产业实行新技术嫁接与改造。国家目前正在推行绿色环保商标政策，对符合环保要求的绿色产品施行绿色商标认证，对认证通过的产品提供税收等方面的优惠，鼓励企业采用绿色环保的方式生产产品，这也进一步给高速卷材粉末喷涂技术的发展提供了广阔的空间。中冶京诚公司愿助力彩涂板生产企业，加速完成对传统油漆辊涂工艺向粉末喷涂的升级，快速踏入环保生产的绿色通道。
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来源：粉末涂料与涂装25年会刊
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