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汽车修补涂料VOC污染治理政策及技术浅谈

2017-07-05

        随着经济发展和人们生活水平的提高,汽车已成为日常出行必不可少的交通工具。到2014年全球汽车保有量已达12亿辆,而中国也超1.4亿辆。伴随着行驶车辆的增加,喷漆维修的需求也日益增长,而涂料化工属于高污染行业,在使用过程中,VOC(挥发性有机化合物)的污染问题已引起全球的重视,世界发达国家早已对汽车修补涂料这一特殊行业的产品VOC含量从法律上做了严格规定。我国在该行业环境保护工作于近两年也已启动,VOC污染的治理是业内不得不给予高度关注的话题。
1   VOC的定义及危害
VOC是挥发性有机化合物(volatile organic compounds)的英文缩写。国际上对VOC的定义尚未统一,主要国家和地区的定义有以下几种。
   (1)世界卫生组织的定义:VOC是指沸点范围在50 ℃~260 ℃,室温下饱和蒸汽压力超过133.32 Pa,在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物。按挥发性有机化合物化学结构可进一步分为8类:烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类和其他化合物。
   (2)美国联邦环保署(EPA)的定义:挥发性有机化合物是除CO、CO2、H2CO3、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵外,任何参加大气光化学反应的碳化合物。
   (3)欧盟各国及企业的定义:普遍认同VOC是指那些沸点等于或低于250 ℃的化学物质。
   (4)中国的定义:《汽车涂料中有害物质限量》(GB 24409-2009)和《汽车用水性涂料》(HG/T 4570-2013)规定在101.3 kPa标准大气压下,任何初沸点低于或等于250 ℃的有机化合物。
    这些定义有相似之处,也有不同之处。由于上世纪40年代美国在洛杉矶遭受过严重的光化学烟雾污染,因此美国对VOC定义侧重在是否参加大气光化学反应,认为不参加大气光化学反应的有机化合物是豁免溶剂,如丙酮、四氯乙烷等。反观世界卫生组织、欧盟和中国,这些组织和地区对沸点做出限定,不管其是否参加大气光化学反应。
    众所周知,VOC是引起PM2.5的主要因素之一。此外,常见VOC种类有甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等,其中一部分化合物已被怀疑或确定为致癌物质,会导致流产、胎儿畸形及生长发育迟缓等,还有一部分具有光化学反应活性的VOC,它们在大气中与氧化氮反应最终会形成臭氧和光化学烟雾,危害人类健康和地区环境。
2   各地区对汽车修补涂料VOC的管控
在VOC治理方面,欧美早已对汽车修补涂料这一特殊应用产品的VOC含量作了严格的法律规定,目前在该地区已形成系统化管理。中国的起步较晚,但近年来环保人士已认识到VOC污染防治刻不容缓,部分发达地区已将汽车维修行业的VOC治理纳入环保的“十二五”计划。
2.1 美国VOC污染控制政策
    1999年1月11日美国联邦政府开始实施汽车修补涂料VOC排放标准[1],要求在美国境内维修的汽车(包括乘用车、货车、卡车和其他交通工具)用涂料都要按照该标准(表1)执行。
表1 美国联邦法令汽车修补涂料VOC限值
涂料类别 VOC含量限制,g/L
预处理蚀洗底漆 780
底漆、中涂底漆 580
封闭底漆 550
单、双涂层面漆 600
多涂层面漆 630
多色面漆 680
特种涂料 840
     除联邦法令对汽车修补涂料的VOC限值外,各州根据自身情况另设多个地方法规治理VOC污染,其中最为出名的就是南加州1151号法规[2]。南加州地区在联邦法令的基础上对涂料VOC限值进一步严格化,鉴于过去光化学烟雾事件的教训使得辖区政府对VOC治理政策高度关注,在南加州地区销售、使用的汽车修补涂料必须符合1151号法规限值(表2)。
表2南加州1151号法规汽车修补涂料VOC限值
涂料类别 VOC含量限制,g/L
附着力促进剂 540
清漆 250
单色面漆 420
多色面漆 680
前处理涂料 660
底漆 250
封闭底漆 250
单涂层面漆 340
临时保护涂层 60
卡车底盘内衬涂料 310
底盘涂料 430
      瑕疵修复涂料 540
      涂料 250
    值得注意的是,美国联邦法令及各州法规对VOC的限值都基于扣除豁免溶剂的基础上。到目前为止,美国认可的豁免溶剂共有丙酮、对氯三氟苯、磷酸二甲酯、丁叔基酯4种。
    美国对汽车修补涂料VOC治理路线采取联邦政府制定基本VOC限值,各州根据本地实际情况细化要求。这样操作的好处是各地区有的放矢,有针对性地治理VOC污染,但与此同时对汽车修补涂料制造商和供应商来说,面对不同法规需提供不同产品以迎合法规,对研发能力、产品种类及销售渠道管控提出了极高的要求。
2.2 欧盟VOC污染控制政策
    欧洲委员会于2004年修定了《涂料、清漆和汽车修补涂料的VOC限值指令》[3],该指令的适用范围包括应用领域,对VOC限值排放分两阶段实施,但对汽车修补涂料的限值在第一阶段就已定型,即2007年生效后VOC含量限值将始终为一个标准,不再另设第二阶段的限值。欧盟汽车修补涂料VOC含量限值见表3所列。
表3 欧盟汽车修补涂料VOC含量限值
产品类别 VOC含量限,g/L
预处理和清洁剂 预处理剂
预清洁剂
850
200
原子灰 所有类型 250
底漆 表面/填充和普通(金属)底漆
蚀洗底漆
540
780
面漆 所有类型 420
特殊效果涂料 所有类型 840
    欧洲委员会在2011年对该指令的实施情况进行调研,研究报告显示委员会曾评估过降低汽车修补涂料VOC含量限值的可能性,其结论是没有必要进一步调整该限值,其原因有3点:一是降低限值要求将增加执法、用户的负担和成本;二是调整后也不会对环境污染带来显著影响;三是存在缺少合规产品的窘状。
2.3 中国VOC污染控制政策
中国第一部关于汽车涂料VOC含量限值的国标是《汽车涂料中有害物质限量》(GB 24409-2009),该标准适用于乘用车、商用车、挂车、汽车列车用原厂涂料、修补涂料和零部件涂料,但标准仅只对溶剂型涂料的VOC含量做出了限值规定,而对水性漆的VOC含量没有要求。我国对VOC治理的起步虽晚,但发展势头迅猛。国家层面已出台征收涂料消费税的政策,该政策以VOC含量420 g/L为界,超出限值的涂料产品统一征收4%的消费税。国家征收涂料消费税的初衷是以经济杠杆限制溶剂型涂料的生产,促进节能减排。此外,部分地方环保局也着手制定汽车修补涂料的VOC含量限值标准,借助立法迫使维修企业使用水性漆及低VOC的环保型涂料。
3   VOC检测难点
尽管当前美国、欧盟和中国关于水性涂料中VOC测定方式都已有具体标准,但在实际检测中仍存在许多亟待解决的问题和令人容易误解歪曲的疑点。
    误  解1:原厂涂料和修补涂料的产品一样,所以VOC的标准应该是一回事!
    解  答:在实际喷涂中,两者的施工环境、产品技术完全不相同,譬如原厂的喷涂线是高温烘烤和水性色漆,两者搭配即保证干燥速度,也使得VOC排放与传统溶剂型油漆相比有明显的下降,而汽车修补涂料的特点是低温烘烤,要求干燥速度快。两者的喷涂工艺、施工环境等都不一样,其产品有着本质差别,故VOC的标准不可混为一谈!
    误  解2:VOC含量小于420 g/L的就是环保型涂料?
解  答:对于VOC的定义各方意见不一致,导致测定方法各异。以欧盟为代表的水性涂料扣水法和以美国加州地区Rule1151为代表的扣水扣豁免溶剂法。在符合美国加州法规Rule1151情况下,涂料供应厂商理论上可以通过以豁免溶剂替代普通溶剂的方法实现溶剂型产品达标,在这种情况下,约占76%的豁免溶剂将不被计入产品VOC含量(见图1左侧柱状条);但如需要符合欧盟指令2004/42/EC,则色漆必须改用水性漆,较传统溶剂型色漆,约71%的溶剂被水所替代,大大降低了总体VOC含量(见图1右侧柱状条)。由于美国加州法规Rule1151和欧盟指令2004/42/EC采取的测试方法不同,前者为扣水扣豁免溶剂法,后者为扣水法,故虽然同为420 g/L,欧盟指令下排除豁免溶剂并且扣水的测定方式是最严格VOC含量限值。所以,不是小于420 g/L的就是环保型涂料,要根据VOC的测试标准才能定义环保型涂料的标准。
 
图1 美国与欧盟法规下色漆VOC含量对比图
    误  解3:VOC含量越小越好!
    解  答:这句话其实要分2个方面来看,如果针对不同产品,但其测试和计算方法是一样的,那VOC数值越小即代表该产品越环保。但是如果针对不同产品,采用不同的方法,这句话就表达错误了!例,早期法规对水性涂料的计算方式多采用含水法,该计算方式下得出的水性色漆VOC含量在150 g/L左右(等同扣水法420 g/L)。但实践中发现有些涂料生产商为满足法规要求,将涂料加水稀释后出售,这样一来,VOC含量降低了,但消费者却不得不使用更多涂料完成等量工作,实际VOC排放量并没有因此减少,这种现象违背了限制法规的初衷,所以之后对水性漆的VOC计算都采用扣水法替代了含水法,这种变化带来的好处是无论生产商怎么加水,VOC含量也不会随之改变,是目前应用最广泛的计算方法。
4    汽车修补涂料发展趋势
     欧美地区因VOC法规的制定极大地促进了涂料制造商改进工艺、创新配方、升级产品配套,推出水性底色漆、高固份清漆及底漆等环保型涂料产品以降低VOC含量、符合法规要求,为生态的可持续性发展做出贡献。水性涂料面临的主要难题是在成本为市场接受的前提下如何提高产品的性能,使之达到与溶剂型涂料相同或接近的水平。随着我国水性涂料技术的不断发展和涂料配方的不断改进,水性涂料产品中VOC含量将越来越低,新的、更科学的合成水性涂料技术将不断出现,水性涂料的性能也将不断提高,随着政策扶持和技术成熟,水性涂料的市场需求会有显著提高。
 
 
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