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汽車修補涂料VOC污染治理政策及技術淺談

2017-07-05

        隨著經濟發展和人們生活水平的提高,汽車已成為日常出行必不可少的交通工具。到2014年全球汽車保有量已達12億輛,而中國也超1.4億輛。伴隨著行駛車輛的增加,噴漆維修的需求也日益增長,而涂料化工屬于高污染行業,在使用過程中,VOC(揮發性有機化合物)的污染問題已引起全球的重視,世界發達國家早已對汽車修補涂料這一特殊行業的產品VOC含量從法律上做了嚴格規定。我國在該行業環境保護工作于近兩年也已啟動,VOC污染的治理是業內不得不給予高度關注的話題。
1   VOC的定義及危害
VOC是揮發性有機化合物(volatile organic compounds)的英文縮寫。國際上對VOC的定義尚未統一,主要國家和地區的定義有以下幾種。
   (1)世界衛生組織的定義:VOC是指沸點范圍在50 ℃~260 ℃,室溫下飽和蒸汽壓力超過133.32 Pa,在常溫下以蒸汽形式存在于空氣中的一類有機物。按揮發性有機化合物化學結構可進一步分為8類:烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、酯類、醛類、酮類和其他化合物。
   (2)美國聯邦環保署(EPA)的定義:揮發性有機化合物是除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨外,任何參加大氣光化學反應的碳化合物。
   (3)歐盟各國及企業的定義:普遍認同VOC是指那些沸點等于或低于250 ℃的化學物質。
   (4)中國的定義:《汽車涂料中有害物質限量》(GB 24409-2009)和《汽車用水性涂料》(HG/T 4570-2013)規定在101.3 kPa標準大氣壓下,任何初沸點低于或等于250 ℃的有機化合物。
    這些定義有相似之處,也有不同之處。由于上世紀40年代美國在洛杉磯遭受過嚴重的光化學煙霧污染,因此美國對VOC定義側重在是否參加大氣光化學反應,認為不參加大氣光化學反應的有機化合物是豁免溶劑,如丙酮、四氯乙烷等。反觀世界衛生組織、歐盟和中國,這些組織和地區對沸點做出限定,不管其是否參加大氣光化學反應。
    眾所周知,VOC是引起PM2.5的主要因素之一。此外,常見VOC種類有甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等,其中一部分化合物已被懷疑或確定為致癌物質,會導致流產、胎兒畸形及生長發育遲緩等,還有一部分具有光化學反應活性的VOC,它們在大氣中與氧化氮反應最終會形成臭氧和光化學煙霧,危害人類健康和地區環境。
2   各地區對汽車修補涂料VOC的管控
在VOC治理方面,歐美早已對汽車修補涂料這一特殊應用產品的VOC含量作了嚴格的法律規定,目前在該地區已形成系統化管理。中國的起步較晚,但近年來環保人士已認識到VOC污染防治刻不容緩,部分發達地區已將汽車維修行業的VOC治理納入環保的“十二五”計劃。
2.1 美國VOC污染控制政策
    1999年1月11日美國聯邦政府開始實施汽車修補涂料VOC排放標準[1],要求在美國境內維修的汽車(包括乘用車、貨車、卡車和其他交通工具)用涂料都要按照該標準(表1)執行。
表1 美國聯邦法令汽車修補涂料VOC限值
涂料類別 VOC含量限制,g/L
預處理蝕洗底漆 780
底漆、中涂底漆 580
封閉底漆 550
單、雙涂層面漆 600
多涂層面漆 630
多色面漆 680
特種涂料 840
     除聯邦法令對汽車修補涂料的VOC限值外,各州根據自身情況另設多個地方法規治理VOC污染,其中最為出名的就是南加州1151號法規[2]。南加州地區在聯邦法令的基礎上對涂料VOC限值進一步嚴格化,鑒于過去光化學煙霧事件的教訓使得轄區政府對VOC治理政策高度關注,在南加州地區銷售、使用的汽車修補涂料必須符合1151號法規限值(表2)。
表2南加州1151號法規汽車修補涂料VOC限值
涂料類別 VOC含量限制,g/L
附著力促進劑 540
清漆 250
單色面漆 420
多色面漆 680
前處理涂料 660
底漆 250
封閉底漆 250
單涂層面漆 340
臨時保護涂層 60
卡車底盤內襯涂料 310
底盤涂料 430
      瑕疵修復涂料 540
      涂料 250
    值得注意的是,美國聯邦法令及各州法規對VOC的限值都基于扣除豁免溶劑的基礎上。到目前為止,美國認可的豁免溶劑共有丙酮、對氯三氟苯、磷酸二甲酯、丁叔基酯4種。
    美國對汽車修補涂料VOC治理路線采取聯邦政府制定基本VOC限值,各州根據本地實際情況細化要求。這樣操作的好處是各地區有的放矢,有針對性地治理VOC污染,但與此同時對汽車修補涂料制造商和供應商來說,面對不同法規需提供不同產品以迎合法規,對研發能力、產品種類及銷售渠道管控提出了極高的要求。
2.2 歐盟VOC污染控制政策
    歐洲委員會于2004年修定了《涂料、清漆和汽車修補涂料的VOC限值指令》[3],該指令的適用范圍包括應用領域,對VOC限值排放分兩階段實施,但對汽車修補涂料的限值在第一階段就已定型,即2007年生效后VOC含量限值將始終為一個標準,不再另設第二階段的限值。歐盟汽車修補涂料VOC含量限值見表3所列。
表3 歐盟汽車修補涂料VOC含量限值
產品類別 VOC含量限,g/L
預處理和清潔劑 預處理劑
預清潔劑
850
200
原子灰 所有類型 250
底漆 表面/填充和普通(金屬)底漆
蝕洗底漆
540
780
面漆 所有類型 420
特殊效果涂料 所有類型 840
    歐洲委員會在2011年對該指令的實施情況進行調研,研究報告顯示委員會曾評估過降低汽車修補涂料VOC含量限值的可能性,其結論是沒有必要進一步調整該限值,其原因有3點:一是降低限值要求將增加執法、用戶的負擔和成本;二是調整后也不會對環境污染帶來顯著影響;三是存在缺少合規產品的窘狀。
2.3 中國VOC污染控制政策
中國第一部關于汽車涂料VOC含量限值的國標是《汽車涂料中有害物質限量》(GB 24409-2009),該標準適用于乘用車、商用車、掛車、汽車列車用原廠涂料、修補涂料和零部件涂料,但標準僅只對溶劑型涂料的VOC含量做出了限值規定,而對水性漆的VOC含量沒有要求。我國對VOC治理的起步雖晚,但發展勢頭迅猛。國家層面已出臺征收涂料消費稅的政策,該政策以VOC含量420 g/L為界,超出限值的涂料產品統一征收4%的消費稅。國家征收涂料消費稅的初衷是以經濟杠桿限制溶劑型涂料的生產,促進節能減排。此外,部分地方環保局也著手制定汽車修補涂料的VOC含量限值標準,借助立法迫使維修企業使用水性漆及低VOC的環保型涂料。
3   VOC檢測難點
盡管當前美國、歐盟和中國關于水性涂料中VOC測定方式都已有具體標準,但在實際檢測中仍存在許多亟待解決的問題和令人容易誤解歪曲的疑點。
    誤  解1:原廠涂料和修補涂料的產品一樣,所以VOC的標準應該是一回事!
    解  答:在實際噴涂中,兩者的施工環境、產品技術完全不相同,譬如原廠的噴涂線是高溫烘烤和水性色漆,兩者搭配即保證干燥速度,也使得VOC排放與傳統溶劑型油漆相比有明顯的下降,而汽車修補涂料的特點是低溫烘烤,要求干燥速度快。兩者的噴涂工藝、施工環境等都不一樣,其產品有著本質差別,故VOC的標準不可混為一談!
    誤  解2:VOC含量小于420 g/L的就是環保型涂料?
解  答:對于VOC的定義各方意見不一致,導致測定方法各異。以歐盟為代表的水性涂料扣水法和以美國加州地區Rule1151為代表的扣水扣豁免溶劑法。在符合美國加州法規Rule1151情況下,涂料供應廠商理論上可以通過以豁免溶劑替代普通溶劑的方法實現溶劑型產品達標,在這種情況下,約占76%的豁免溶劑將不被計入產品VOC含量(見圖1左側柱狀條);但如需要符合歐盟指令2004/42/EC,則色漆必須改用水性漆,較傳統溶劑型色漆,約71%的溶劑被水所替代,大大降低了總體VOC含量(見圖1右側柱狀條)。由于美國加州法規Rule1151和歐盟指令2004/42/EC采取的測試方法不同,前者為扣水扣豁免溶劑法,后者為扣水法,故雖然同為420 g/L,歐盟指令下排除豁免溶劑并且扣水的測定方式是最嚴格VOC含量限值。所以,不是小于420 g/L的就是環保型涂料,要根據VOC的測試標準才能定義環保型涂料的標準。
 
圖1 美國與歐盟法規下色漆VOC含量對比圖
    誤  解3:VOC含量越小越好!
    解  答:這句話其實要分2個方面來看,如果針對不同產品,但其測試和計算方法是一樣的,那VOC數值越小即代表該產品越環保。但是如果針對不同產品,采用不同的方法,這句話就表達錯誤了!例,早期法規對水性涂料的計算方式多采用含水法,該計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)。但實踐中發現有些涂料生產商為滿足法規要求,將涂料加水稀釋后出售,這樣一來,VOC含量降低了,但消費者卻不得不使用更多涂料完成等量工作,實際VOC排放量并沒有因此減少,這種現象違背了限制法規的初衷,所以之后對水性漆的VOC計算都采用扣水法替代了含水法,這種變化帶來的好處是無論生產商怎么加水,VOC含量也不會隨之改變,是目前應用最廣泛的計算方法。
4    汽車修補涂料發展趨勢
     歐美地區因VOC法規的制定極大地促進了涂料制造商改進工藝、創新配方、升級產品配套,推出水性底色漆、高固份清漆及底漆等環保型涂料產品以降低VOC含量、符合法規要求,為生態的可持續性發展做出貢獻。水性涂料面臨的主要難題是在成本為市場接受的前提下如何提高產品的性能,使之達到與溶劑型涂料相同或接近的水平。隨著我國水性涂料技術的不斷發展和涂料配方的不斷改進,水性涂料產品中VOC含量將越來越低,新的、更科學的合成水性涂料技術將不斷出現,水性涂料的性能也將不斷提高,隨著政策扶持和技術成熟,水性涂料的市場需求會有顯著提高。
 
 
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