绿色涂料与涂装技术—— 超临界CO2喷涂技术

       虽然世界各国都在致力于减少涂料中溶剂含量的研究，例如，开发研制了高固体分涂料、水性涂料、粉末涂料等等，但也存在着某些局限性。对于水性涂料来说，仅在建筑涂装和电泳涂底漆方面得到成功应用。对于水性喷漆，由于水的挥发性差，挥发慢，使用过程存在诸多问题，还没有一种良好的水性喷涂面漆。粉末涂料在喷涂施工时，虽然不含任何VOC，但涂膜固化温度高、能耗大，外观装饰性差。高固体分涂料中，性能优良的丙烯酸类涂料，溶剂减少幅度有限。高固体分涂料另一个问题是要解决烘烤时的流挂现象。

       虽然人们花费了大量精力来减少涂料中的VOC 排放量，但环保部门制订的法规却是越来越苟刻，VOC排放量指标越来越低，甚至严格限制甲苯、二甲苯、甲乙酮、甲基异丁基酮等高挥发性溶剂，极大地影响到传统涂料与涂装行业的运作，促使人们对绿色涂装技术的探索研究。

       现在已经研究出一种既保证涂膜外观装饰性，又大幅度减少VOC排放的喷涂技术。技术核心就是用超临界CO 2 代替涂料中所有高挥发性有机溶剂，使VOC排放减少80%。同时也正在研究用超临界CO 2 作为反应介质，合成与CO 2 有较高相溶性的涂料树脂，彻底地摆脱对有机溶剂的需求。

       超临界CO 2 喷涂是在喷涂前将涂料用CO 2 混合稀释，混合后的涂料在50℃、10.1MPa条件下进行喷雾。在此喷涂条件下，涂料与
CO 2 呈均相，喷雾后，CO 2 迅速挥发，剩余的少量高沸点溶剂缓慢挥发，使涂膜易于流平，形成平滑的高装饰外观。采用超临界CO 2 喷涂也带来直接的环境安全效益。由于快挥发溶剂全部被CO 2 替代，喷涂作业场所仅有极少量的高沸点溶剂释放出来，免除了有机溶剂对操作工人的健康伤害，也避免了火灾事故的发生。高沸点溶剂大部分是在闪干室和烘干室释放，可通过焚烧消除对环境危害。虽然CO 2 具有窒息性，但它的极限浓度（TLVs:）是5×10 －3 ，比一般的涂料用有机溶剂高出10～100倍TLVs：乙酸乙酯4×10 －4 ，丁酮2×10 －4 ，甲基异丁基酮1×10 －4 ，甲苯1×10 －4 ，丁醇5×10 －5 ，己烷5×10 －5 。CO 2 无毒、不燃，因此CO 2 要比有机溶剂更安全。用超临界CO 2 喷涂时，CO 2 释放到大气中不回收，但并不会比传统喷漆工艺带来更严重的温室效应。在传统涂装技术中，释放的有机溶剂最终将氧化成CO 2 ，即每千克溶剂会产生2.3~3.0㎏CO 2 。如果在烘干室用燃料来辅助焚烧净化，则每千克溶剂将产生18㎏的CO 2 。

       新技术中，高沸点溶剂仅占整个溶剂量的1/3 ~1/5 ，所以涂料施工时的每千克溶剂最多只产生1.7㎏CO 2 进入环境中。这样，新技术反而减轻对温室效应的压力。超临界CO 2 喷涂条件与高压加热喷涂的条件正好相一致，不需要对现有装置作大的改进。在高压喷涂时，高压射出的涂料受周围空气的挤压，液流湍动使喷雾不稳定，雾滴尺寸大，涂膜外观差。新技术采取减压喷雾的新型雾化器，涂料射出时能迅速减压，使涂料中的 CO 2 喷涂时变成气泡，以减小声速，由此降低压力减小速度，直至形成扼流，最终引起剧烈的冲撞和很强的扩张力（它将克服粘滞阻力、内聚力和表面强力），使涂膜充分雾化并呈180°的抛物线形状辐射。减压雾化器可保证涂膜外观质量，并提高涂料沉积量。将CO 2 溶 解 于 涂料 中呈均 相，并接近于溶解极限的体系相界时，才会在减压过程中形成CO 2 气相而产生气泡。有二种情况，一是立即降到临界压力以下，直接形成气体，形成气-液混合喷雾；二是溶解的CO 2 在减压过程中转变成CO 2 液相，形成液-液两相混合物，最后进入液-液-气相区，产生更多微小的气泡，气泡含量越高，喷雾更细，雾粒更均匀，因此第二种情况有更好的雾化效果。

聚合物—高沸点有机溶剂—超临界CO 2 相图

       从超临界CO 2 喷涂时雾化行为来看，CO 2 本质上应看作被聚合物溶解的溶质，改变CO 2 含量、聚合物种类，特别是高沸点有机溶剂种类，对相图中液(L)/液液(LL)相界(混溶线)和液(L)/气(V)相界(LV起泡线)会产生很大影响。在高温混溶线的液相区喷涂，由于起泡线的压力较高，随着喷雾压力下降，更易到达LLV起泡线，具有较好的雾化效果。