塗裝業源頭減量技術
VOCs的減量,可透過前端減少塗料揮發分及後端加強污染防制技術兩種方式,原則上若前端能有效減量,後端毋須再做集氣及防制設備,惟塗料改變可能需改變製程設備,並造成品質降低與增加成本,廠商宜整體思考適合自廠之減量方法,才能得到最佳結果,以下分別對低污染塗料及VOCs廢氣後端防制技術進行說明:
一、低污染塗料
(一)塗料種類介紹
依塗料含有機溶劑的多寡及其產品型態,可分類類型如下:
- 溶劑型塗料(solvent-based coatings):是以有機溶劑作為塗料中主溶劑者稱之,如傳統油漆;一般常用於溶劑型塗料的有機溶劑如甲苯、二甲苯、乙酸乙酯等。
- 水性塗料(water-bone coatings):以水作為塗料中主溶劑或分散劑者稱之,其又可以分為樹脂與顏料分散於水中的乳膠塗料,及可完全溶解於水中的水溶性樹脂塗料二類。
- 高固形塗料(high-solids coatings):塗料固體含量高於一傳統塗料者,其所含不揮發分在65 ~ 75%以上者稱之;高固形塗料和傳統塗料最大的區別,在於使用的樹脂分子量較低,黏度低,溶劑使用具有高溶解力者,且溶劑用量遠較傳統溶劑型塗料的使用量為低。
- 粉體塗料(powder coatings):塗料為粉末狀,藉由熱能加熱而成塗膜,無有機溶劑成分。
- 多液反應型塗料:由塗料混合後藉由樹脂反應硬化成塗膜,屬於不含有機溶劑的塗料。
- 紫外線硬化塗料(UV curing coatings):藉由光能而使塗料中的樹脂聚合成塗膜,不含有機溶劑。
前述塗料中,以水性塗料、高固形成分塗料及粉體(無溶劑)塗料等因為有機溶劑含量低甚至不含有機溶劑,越來越多業者選用作為低VOCs替代塗料。但不同類型之塗料其黏度、塗膜厚度、耐酸鹼性、耐UV照射性都不同,如粉體塗料具有高耐污、耐UV、酸鹼、濕氣等優點,但塗膜厚度厚且設備與傳統塗料不同,因此業者在選用時,應審慎評估,不同類型低VOCs塗料的比較如表1所示。
表1 不同類型低VOCs塗料的比較
性能要求 | 高固型份 | 水性塗料 | 粉體塗料 |
---|---|---|---|
塗料黏度 | 高 | 低 | 固體 |
氣味/粉塵 | * | *** | * |
色彩飽和 | *** | * | ** |
塗料光澤 | *** | * | *** |
硬度/耐污染性 | ** | * | *** |
塗膜厚度 | ** | * | *** |
耐酸鹼度 | *** | * | *** |
耐化學品 | *** | * | *** |
耐UV照射 | ** | * | *** |
耐濕氣性 | *** | ** | *** |
操作溫度(能耗) | 常溫/中溫 | 常溫/中溫 | 高溫(200度) |
耐腐蝕性 | *** | * | ** |
基材附著性 | *** | ** | ** |
重塗性 | *** | *** | * |
- ***優;**佳;*可
- 資料來源:經濟部工業局,工業減廢技術手冊(7)PU合成皮工業,民國86年。
(二)塗料技術發展
雖然高固型或粉體塗料具有許多優勢,但高固塗料黏度較高不易使用,粉體塗料厚度較大,其之平均厚度在流動浸漬塗裝的場合為100~250μm,靜電塗裝為30~40μm,且須超過200℃溫度使其融化成型,使用上仍有克服之處。
水性塗料因透過降低塗料中VOCs成分,有毋須改變現有設備的優勢,惟水性塗料厚度較薄、且耐酸鹼、防腐蝕效果較差,使用上仍有許多限制,但目前塗料業者積極研發許多塗料成分可替代原揮發性有機物但不致降低太多物性,如在壓克力乳液中包覆無機奈米粒子增加硬度及耐刮性;使用交聯型表面活性劑,藉由交聯後之結構與構型達到阻水與防蝕的效果等,各種新配方應用如表2,業者可與塗料業者討論如何在不損失太多物性的情況下降低VOCs,做為未來因應政策方法之一。
表2 高固及水性塗料限制及克服方式
種類 | 限制 | 克服方式 |
---|---|---|
高固 塗料 |
塗料黏度太高不易使用 |
|
水性塗料 | 硬度及耐刮度不足 | 在壓克力乳液中包覆無機奈米粒子 |
防水防蝕效果不佳 | 使用交聯型表面活性劑,藉由交聯後之結構與構型達到阻水與防蝕的效果 | |
VOCs成分過高 | 將VOCs以高沸點或是反應型助劑取代 | |
乾燥時間長,完全乾燥前耐水性不佳 |
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防水時常用的鋅粉易與水反應 | 使用矽烷替代鋅粉,增加在水中的安定性 |
資料來源:塗裝業低污染塗料發展,湯偉鉦,工業技術研究院,2020。
二、塗裝技術
除塗料外,塗裝方式也影響VOCs逸散量,而新式的噴塗方式可有效節省塗料使用及降低VOCs的產生,若結合靜電塗裝,可進一步讓漆更容易附著於被塗物上,增加塗覆率,茲就目前常見的環保塗裝技術,說明如下:
(一)低壓噴塗(HVLP)
低壓噴塗為(High Volume Low Pressure,簡稱HVLP)噴槍是利用高空氣流量及低霧化氣壓,令油漆傳遞效率提升,達到減少排放揮發性有機溶劑及油漆用量的目的。減低傳統噴槍因使用高氣壓而導致過噴及大量漆霧從工件反彈所造成的污染。HVLP槍霧化達到了傳遞效率65%以上,節省成本並減少VOCs產生。
(二)低流量中壓噴塗(RP)
減壓噴塗(Reduced Pressure ,簡稱RP),結合了傳統噴槍與HVLP噴槍的優點,其風帽空氣壓力約在1.2-1.3巴之間;塗料傳遞效率在65%以上,但耗氣量比傳統噴槍更低(每分鐘295升,進氣壓力2.5巴,傳統噴槍的噴塗距離為18 cm~23 cm,RP噴槍的噴塗距離為17 cm~21 cm,HVLP噴槍的噴塗距離為10 cm~15 cm。3種噴塗方式如圖1所示。
資料來源:https://www.sohu.com/a/311709015_120136462
- 無氣噴塗是指使用高壓柱塞泵,直接將油漆加壓至210 kg/cm2,形成高壓力的油漆,再通過噴嘴將塗料霧化成細小的微粒,直接噴射到被塗物表面,噴出槍口形成霧化氣流作用於物體表面(牆面或木器面)的一種噴塗方式。無氣噴塗可用於高粘度油漆的施工,視機械類型,也分為氣動式無氣噴塗機、電動式無氣噴塗機、內燃式無氣噴噴塗機等多種。與傳統的空氣噴塗不同,無氣噴塗是霧化塗料而非霧化空氣,因此不會引致塗料的四處飛散污染環境、減少浪費塗料,且塗料中無須添加稀釋劑。
- 利用高壓靜電電暈電場的原理,在噴槍頭部金屬噴杯和極針接上高壓負極(一般為60~100kV),被噴塗工件接地形成正極,使噴槍和工件之間形成一個較強的靜電場,同時,在電場力的作用下,向接正高壓的工件飛去,被吸附在工作表面上形成光亮牢固的油漆層。當塗層厚度逐漸增加時,靜電吸引的效果下降,可獲得厚度一致的塗裝表面,靜電噴塗由於電場力作用範圍小,適用於小型金屬工件噴塗,或作為上述幾種噴塗方式的輔助,提高塗料傳遞效率,最高可達到80%以上。但必須注意的是,靜電噴塗是採用高電壓方式使物件帶電,而塗裝作業場所空氣中VOCs濃度可達到數百 ppm以上,靜電火花將造成著火或爆炸的危險,因此必須特別重視人員與作業環境的安全防護與偵測。
- 不同噴塗方式各有其適用的領域與塗料種類,其優缺點及塗著效率比較如表3及4所示。
表3 各種塗裝方法之優缺點比較表
種類 | 優點 | 缺點 |
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熱噴塗 |
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無氣噴塗 |
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靜電塗裝 |
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粉體塗裝 |
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資料來源:塗裝業低污染塗料發展,湯偉鉦,工業技術研究院,2020。
表4 不同噴塗方式的塗著效率
序號 | 噴塗方式 | 塗著效率(%) |
---|---|---|
1 | 傳統有氧噴塗 | 40 |
2 | 低壓有氧噴塗(HVLP) | 65 |
3 | 低流量中壓噴塗(RP) | 65 |
4 | 無氧噴塗 | 65 |
5 | 空氣輔助無氧噴塗 | 65 |
6 | 有氧靜電噴塗 | 50-85 |
7 | 無氧靜電噴塗 | 60-85 |
8 | 空氣輔助無氧靜電噴塗 | 60-85 |
資料來源:台灣國際造船股份有限公司高雄廠,2018,船段塗裝作業揮發性有機物空氣污染改善評估報告。