1 我国的环保新政与绿色产品战略
中国在实施制造强国战略第一个十年的行动纲领“中国制造2025”中,绿色发展也已成为基本方针之一。创新发展、绿色发展已成为涂料行业“十三五”产业规划的指导思想[4]。为了加快涂料行业绿色转型(即向水性涂料、粉末涂料、高固体分涂料和辐射固化涂料转型),我国近几年出台了一系列法律法规和标准。2016年4月4日,国务院办公厅印发《贯彻实施质量发展纲要2016年行动计划》,首次提出“开展含挥发性有机物涂料质量标准提升行动”。
欧美发达国家政府制订环保法规,制造厂商和许多民间团体自觉兴起绿色环保运动。欧盟于1992年通过第EEC880/92号条例出台了“生态标签”体系进行绿色产品认证,对产品认证中的VOC、含硫气体以及重金属含量进行了限定[5]。美国不同州对涂料的VOC进行不同的限制。中国于1998年正式实行中国环境标准认证,简称“中国绿标”。该认证产品将建筑涂料纳入认证范围,但工业防腐与重防腐涂料均未纳入认证体系。2016年,我国启动了《绿色产品评价 涂料》标准的编制工作,该标准由全国涂料和颜料标准化技术委员会牵头承担,计划于2017年完成。在该标准中,对绿色涂料产品特性做如下定义:在全生命周期过程中,符合环境保护要求,对生态环境和人体健康无害或危害极小、资源能源消耗少、品质高的涂料产品。表1列举了绿色防腐涂料产品的环保、施工特点及其在腐蚀防护领域的应用。
Table 1 Green coatings and its applications in anticorrosive protection |
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2 水性工业涂料技术
2.1 水性工业涂料面临的挑战
2.2 水性工业涂料施工特性
水性涂料一般需要在≥5 ℃的条件下贮存和运输,低于该温度会产生冻融问题,即使温度重新回升,涂料状态已是不可逆的了。水性涂料在施工过程中需要良好的通风条件,对环境的温度和湿度也都有严格的要求,通常要求温度≥10 ℃,湿度≤80%;在施工环境不能满足时需要进行强制通风和加热。这些无疑增加了水性涂料在运输、贮存以及施工过程中的能耗。
2.3 水性工业涂料的环保特性分析
水性工业涂料由于极低的VOC排放特性,已经在部分领域替代了溶剂型防腐涂料。由全国涂料和颜料标准化技术委员会负责组织制定的HG/T 4761—2014 《水性聚氨酯涂料》、HG/T 4759—2014《水性环氧树脂防腐涂料》、HG/T 4758—2014《水性丙烯酸树脂涂料》3项水性工业涂料产品标准已于2015年6月1日实施,为水性工业涂料的设计、生产、施工以及应用提供了技术标准和参考规范。此外,为了引领行业的健康发展,降低环境污染,中国集装箱行业协会全体协会会员单位于2016年签署了VOC治理自律公约。《公约》的核心内容主要体现在“三个统一”:统一“禁油推水”,统一有关的技术标准、规范;统一接受违约监管与处置。这些标准和公约为水性工业涂料的发展提供了新的契机。但是,在发展水性涂料的过程中,也要面对新的问题:(1) 国内公司由于树脂乳化技术不完善造成产品质量不稳定,而国际公司的产品价格又偏高,造成水性涂料原材料价格偏高;(2)水性涂料涂装需要特定的涂装工艺设备,需要额外增加投资成本;(3)水性涂料在考虑降低VOC排放的同时,需要全面研究计算在设备改造、贮存运输以及通风烘烤方面的能耗;(4)水性涂料在生产、施工过程中产生的废水中含有有机共溶剂和乳化剂,在后期处理过程中难分离,会污染水与土壤,所以在生产和施工过程的废水处理也是非常大的挑战。因此,在推广和发展水性工业涂料的过程中一方面要继续优化和提升水性工业涂料产品的性能,使之达到能与溶剂型涂料相同或接近的水平,另一方面,要谨防对水性工业涂料的过热追捧,使大量投资涌向水性涂料,造成中低端水性涂料产能过剩,带来新的资源消耗和环境污染[1]。
3 高固含/无溶剂工业涂料技术
3.1 高固含工业防腐涂料
高固含涂料行业到目前还没有形成统一的标准。有的文献提出是指体积固含量高于60%的涂料[6],一般认为体积固含量高于70%的为高固含涂料。与传统的溶剂型涂料相比,高固含涂料具有如下优点[14,15]:(1)可有效减少涂料的消耗量、VOC挥发量和涂装工作量;(2)高固含涂料的相对分子质量低、黏度低、涂装时对基层的润湿性好,流平性好,可降低涂层的孔隙率等缺陷;提高涂层的抗渗能力和耐腐蚀性;(3)高固含涂料一次喷涂就可以得到较大的干膜厚度,省时、省力、省资源并减少环境污染。但高固含涂料实际使用过程中还存在不足之处:(1)固含量高,难以获得较低的干膜厚度(DFT);(2)黏度较高,有时对施工设备和压力有着特殊的要求; (3) 在冬季施工时如果黏度过高,需要加温或者额外添加稀释剂,带来额外的能耗和增加VOC排放; (4) 高固含涂料配方设计时选用低相对分子质量的树脂降低黏度,涂料的表干时间延长,能解决对施工条件与工艺的要求[6]。体积固含量高于70%的防腐涂料已在重防腐领域尤其是海工、船舶涂装得到了广泛的应用。
3.2 无溶剂工业防腐涂料
无溶剂涂料是由合成树脂、固化剂和活性溶剂所制成的涂料,其VOC含量基本趋于零。无溶剂工业防腐涂料主要包括无溶剂环氧涂料及无溶剂聚氨酯涂料。其适应性强,易于维护,且具有优异的环保性能,已被作为一种重要的防腐手段,广泛应用于长距离输管线防腐层维护、管道补口、管道外防腐等防护领域。
无溶剂环氧涂料是应用最为广泛的无溶剂工业涂料,与传统的溶剂型环氧涂料相比,其交联密度高,所以附着力、抗阴极剥离、硬度和耐磨性等方面具有突出的优势。无溶剂环氧涂料由于涂层内无溶剂滞留、无溶剂挥发形成的针孔,与比溶剂型品种相比耐腐蚀性优异。无溶剂环氧涂料一次成膜就能达到设计涂层厚度,施工效率高,且无重涂过程,减少了层间附着力失效的可能性。从环境保护和安全角度考虑,无溶剂涂料不含挥发性有机溶剂,在生产施工过程中对环境和人员损害程度很小,同时贮存、运输、施工中无爆炸危险,比溶剂型产品安全。从涂料消耗量来说,无溶剂环氧涂料为100%体积固含量产品,比通常的体积固含量为50%~70%的溶剂型涂料更节省涂料使用量。但是,无溶剂环氧涂料仍然存在一些不足:在配方设计时需要小分子的液体环氧树脂和固化剂,固化交联速度快,适用期较短;体系的黏度高,难以喷涂,交联密度高,复涂间隔短,抗开裂性差,此外,由于不含溶剂,对基层的润湿性能也会不足,一般不适合用于低膜厚的涂装。
3.3 高固含/无溶剂工业涂料的施工特性
与水性工业涂料相比,高固含和无溶剂涂料可以在室内或者户外对大型和复杂结构进行涂装,对环境的温湿度的容忍性较高,此外,其施工不需要对生产线进行专门改造,但要考虑涂装后三废的处理。此外,涂装设备技术的发展也对无溶剂涂料的推广和应用起着促进作用。双进料喷涂系统(如图2)可以解决涂料试用期短的难题,而预加热装置可以解决冬天施工时涂料黏度过高的问题。
因此,随着施工设备的发展,无溶剂涂料的施工技术不再是障碍,施工方式和效率也已接近传统的溶剂型涂料,施工设备价格昂贵的缺点也会随使用量的增加而得到缓解。无溶剂涂料正成为工业防腐领域的环保优选解决方案。
4 水性/高固含/无溶剂涂料产品全生命周期的VOC排放分析
VOC排放是涂料环保性能最重要的指标, 在绿色防腐涂料全生命周期过程中,VOC排放控制主要在以下几个关键阶段:配方设计、涂料生产、涂料施工以及废弃物处理。配方设计阶段是涂料VOC排放控制的关键阶段,采取合适的树脂和溶剂体系,使涂料的VOC排放达到绿色涂料标准,是从源头控制VOC排放的关键步骤。涂料生产中的VOC排放主要是指涂料生产过程中的溶剂挥发,占总VOC排放的1%。涂料施工阶段主要是指涂料喷涂雾化和干燥过程中的溶剂挥发,约占总VOC排放的95%。废弃物处理阶段主要是指涂料容器桶残留和清洗喷涂设备过程中所产生的溶剂挥发,约占总VOC排放的4%。涂料配方中的固体分和溶剂(含水)在正常产品生产和施工过程的主要消耗比例如表2所示。
Table 2 Consumption percentage of solid and solvent (including water) in a paint during a normal product production and application |
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涂料从生产开始到涂装结束的过程中95%的VOC是在施工过程中挥发消耗掉。所以更科学的评价涂料技术环保特性的方法应该是比较涂覆单位面积所挥发的VOC量。为了进一步说明水性涂料、高固含、无溶剂绿色涂料的VOC排放与传统溶剂型涂料的差别,选取膜厚为200 μm的防腐涂层体系,分别比较了传统溶剂型涂料和绿色涂料的涂层配套和VOC排放情况,如表3所示。
Table 3 Comparison of supporting coatings and VOCs emission |
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由表3可知,虽然水性涂料的单位面积VOC排放量较低(约10 g/m2),但从涂层配套角度考虑,仍需要底漆、中间漆和面漆三道施工才能完成。而对无溶剂涂料和高固含涂料,由于其固含量较高,在施工时可以采用两道或一道施工完成,显著减少了施工工序。与传统的溶剂型涂料相比,4种涂料的VOC排放都有所降低。
5 水性/高固含/无溶剂涂料全生命周期绿色分析与评价
5.1 原材料
水性涂料所用的树脂中会含有少量助溶剂及乳化剂,这些助剂一般为有机化合物溶在水中并不能直接排放;通常乳化需要复杂的工艺过程,能耗较高。无溶剂涂料所用的树脂不含溶剂;高固含涂料所用的树脂中会含少量溶剂;而传统溶剂型涂料所用的树脂中含有较多的溶剂,从涂料所用原材料树脂来看,无溶剂涂料环保优势明显。
5.2 过程能耗
涂料生产过程中的能耗主要包括电能和水能。水性涂料的生产既用到电又用到水,水性涂料的生产通常会时间更长些,其耗电比高固含和无溶剂涂料略高;高固含和无溶剂涂料生产过程中的能耗主要涉及电能;传统溶剂型涂料在过程能耗上与高固含和无溶剂涂料相似。综合分析,这4种涂料的过程能耗相当。
5.3 清洁生产
水性涂料以水为介质,基本不含溶剂,无溶剂涂料不含(或含极少量)溶剂,高固含涂料含少量溶剂,而传统溶剂型涂料一般含较多的挥发性溶剂。因此,从清洁生产的角度,无溶剂涂料占有明显的优势。水性涂料在生产中虽然VOC挥发少,但为了更宽的施工窗口必然会引入大量的调节助溶剂、成膜助剂,这些材料的引入会对废水排放提出新的挑战。溶剂型涂料涂装的清洗液基本上是可以回收使用的, 但生产中的VOC需要做到有组织的排放。
5.4 VOC含量与排放
相对传统溶剂型涂料,绿色涂料具有明显的环保优势;环保的影响评价应依据具体的VOC含量。由于VOC是最重要的环保特性,所以在评价过程中将该项的权重设定为2,以凸显VOC的重要性。
5.5 有毒有害物质含量
除了VOC以外,涂料中的有毒有害物质在干燥后以固体存在,如有毒性残余固体、生物杀伤剂、重金属等形式。综合来讲,无溶剂涂料和高固含涂料固体分中的有毒有害物质含量较低,而水性涂料中有毒有害物质含量较高。由于需要防霉变、防冻融、防破乳,水性涂料配方中通常会添加防微生物剂和有机助剂,大部分成膜助剂或助溶剂溶于水,会导致水污染,并且会在生物体内残留,类似乙二醇醚、APEO等对生殖免疫的影响需重视,所以在这项评分上水性涂料并没有优势。
5.6 防护性能和期限
从绿色全生命周期的层面上,涂料的防护性能和期限是一个很重要的指标,使用期限长能减少涂层维修重涂的次数,有利于环保节能减排,节省资源。水性涂料因技术本身及其他诸多因素影响,其防护范围基本上仅限于C3或C4环境以下,主要适用于一些轻工业防腐领域,使用期限也较短,一般在10 a以内;而高固含涂料、无溶剂涂料及传统溶剂型涂料均可用于高防腐要求的重防腐领域,如C5的工业或海洋环境。这些涂料的使用期限可达20 a。
5.7 设备与涂装线改造
现有的涂装线基本都是为适应传统的溶剂型涂料生产和施工而建造。在现有涂装线上生产高固含或无溶剂涂料,通常只需要改换涂装线的部分管路及喷涂设备;而要生产水性涂料,现有的设备、管线、施工工艺基本上均要重新改造及修改,还包括工厂的控温及排风系统。因此,对水性涂料而言,对现有厂房与涂装线的改造,其投入成本都是最大的。
5.8 三废排放与处理
水性涂料生产过程中会产生大量废水,且其中含有有机共溶剂和乳化剂,在后期处理过程中较难分离,会污染水与土壤环境;高固含涂料生产和涂装过程中会产生一定量的废气,而传统溶剂型涂料生产过程中产生的废气是最多的,对废气的处理成本也会高很多。因此,水性涂料和传统溶剂型涂料在三废排放与处理上处于明显的弱势地位。
基于上述分析,对水性、高固含和无溶剂以及传统溶剂型工业防腐涂料在全生命周期过程中的环境影响按4档打分(10分为最好,8分为较好,5分为中性,1分为最差)的形式进行分析和评价,结果如表4。
Table 4 Evaluation of waterborne, high solid and solvent-free coatings based on their environmental impact factor in a full product life cycle |
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从表4可知,与传统的溶剂型涂料相比,水性工业防腐涂料虽然具有较低的VOC排放,但对设备和涂装工艺要求高、三废处理难度大、腐蚀防护等级低等特点限制了其发展。按全生命周期内对环保的贡献,水性工业涂料的总分为61分,比传统溶剂型涂料54分略高。在全生命周期过程中,高固含和无溶剂涂料在VOC排放、设备和涂装工艺要求、三废处理、腐蚀防护等级及服役寿命若干方面具有比水性涂料更为显著的优势,成为目前绿色工业防腐涂料的主要代表和今后的发展方向。无溶剂涂料的得分是85分,无疑是最为环保的选择。
6 结 语
随着人们环保意识的提高和环保法规的不断完善,绿色发展将成为我国涂料行业发展的主旋律。水性工业涂料、无溶剂涂料和高固含涂料已是目前我国绿色防腐涂料发展的重要方向。绿色涂料在发展过程中仍然存在不少性能和施工问题。本文以9个关键属性建立了绿色涂料的环境影响评分模型,为评价防腐涂料的环保特性和选择合适应用的绿色工业防腐涂料提供参考。利用该模型得到的系统评分显示:水性工业涂料是绿色环保化的一个方向,但是无溶剂和高固体涂料因其在三废处理、施工性能和使用期效方面的优势使其成为更为优选的低VOC环保工业防腐涂料产品。从全生命周期的角度对绿色防腐涂料的环境影响进行考核和评价,有助于全面和系统地评价不同类型涂料的环保特性而不会以偏盖全;促进绿色防腐涂料性能优化和产业升级,使绿色涂料真正朝高性能、高效率、低能耗和低污染的方向发展和前进。