紫外光固化涂料在钢管生产上的应用
王少华1，杨兵兵1，李芳2
（1.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡721008；2.奎克化学（中国）有限公司，上海201700）
摘要：传统溶剂型涂料在钢管行业的应用存在生产效率低、漆膜损伤多、污染严重、安全性差、能耗高等问题。介绍了紫外光固化涂料的基本原理和涂装设备，以及与传统溶剂型涂料性能的对比，并从设备投资、涂料成本、能耗、质量、健康安全等方面比较分析了紫外光固化涂料的经济性。紫外光固化涂料可作为传统溶剂型涂料的升级替代产品应用于钢管涂装。
关键词：钢管涂装；紫外光固化涂料；性能；涂装设备；经济性；分析
中图分类号：TG154.5%%文献标识码：B%文章编号：1001-2311（2011）增刊-0041-04
为预防钢管在储运期间发生锈蚀，目前国内钢管生产企业在钢管涂装时绝大部分都采用传统的溶剂型涂料，虽然单价比较便宜，但存在一系列的问题：①生产效率低。有些厂家采用烘房加热的方法干燥，但钢管仍需要10～20 min的烘烤才能下线打包；部分厂家采用涂料室温下自干的方式，彻底干燥需要2～7天，涂装成为影响生产效率和产能的“瓶颈”工序。②漆膜损伤多。涂料未彻底干燥造成钢管在传送、打包、运输环节中漆膜损伤，进而导致损伤处锈蚀。③污染严重。溶剂在涂料中的主要作用是溶解树脂，提供流动性和便于施工，传统溶剂型涂料中溶剂的体积含量达70％以上，这些溶剂都会在涂料干燥过程中逐渐挥发，大量溶剂的挥发严重危害环境和工人的健康。④安全性差。涂漆工位与钢管加工在同一厂房中，溶剂引起的火灾风险较大。⑤能耗高。烘房采用电能或柴油加热，能耗较高。
本文将介绍一种新型涂料，即紫外光固化涂料，在钢管涂装时，它可用于取代传统的溶剂型涂料，使上述各方面问题得到极大的改善。
1·紫外光固化涂料原理
紫外光辐射固化技术是20世纪70年代开发出的一种全新的绿色技术，利用该技术生产出的紫外光固化涂料，简称UV涂料。UV涂料的主要成分有齐聚物、单体、光引发剂和助剂。齐聚物是一种低分子量的预聚物，常用的有聚氨酯丙烯酸树脂和环氧丙烯酸树脂等，是决定漆膜性能的主要因素；单体是较小的反应性分子，作为活性稀释剂降低体系黏度，且多官能度的单体可起到交联作用；光引发剂用来响应UV光，并引发反应；助剂包括表面助剂、增稠剂、消泡剂等，起到提高涂料表面性能、改善其施工性等作用。
紫外光固化过程通常是指液体涂料经过紫外光照射后变成固态的过程，通过齐聚物与单体的聚合反应使得体系的分子量增加，并形成交联网络，从而变成固体漆膜。紫外光固化过程如图1所示。
2·紫外光固化涂料性能
紫外光固化涂料为100％固体含量，其性能（附着力、柔韧性、硬度、耐溶剂性等）均明显优于传统溶剂型涂料，且其经过紫外光照射后瞬时干燥，为生产效率的提高奠定了基础。
紫外光固化涂料与传统溶剂型涂料的性能对比见表1。
3·紫外光固化涂料的优势
紫外光固化涂料在钢管上的应用是国内钢管行业的新亮点，其具有以下优势：①固化速度快，交联固化在瞬间完成，钢管涂装干燥的线速度最高可达120 m/min，是传统烘干型涂料的15倍以上，钢管下线即可打包。②节省能源，一条紫外光固化生产线的灯管能耗一般在70 kW以内，能耗约为传统烘烤干燥的热固化涂料的1/5。③环境污染小，紫外光固化涂料的VOC（挥发性有机化合物）含量为零，是公认的绿色环保产品。④气味小、闪点高（∧100℃），对工人健康危害低，大大降低安全风险。⑤涂层性能优异，涂料固化后的交联密度大大高于热烘型涂料，故涂层在硬度、耐磨、耐酸碱、耐盐雾、耐汽油等溶剂各方面的性能指标均很高，能基本消除由于涂装防锈问题导致的投诉与赔偿。⑥涂装设备故障率低，由于UV涂料没有紫外线辐射不会固化，因而不会堵塞和腐蚀设备，涂覆工具和管路清洗方便，设备故障率低。⑦固化装置简单，易维修，与之相关的设备总体比传统涂料设备占用空间小。
4·紫外光固化涂料涂装设备
用于钢管紫外光固化涂料的涂装设备能对钢管进行自动喷涂并迅速固化［1］，其主要由喷涂室、固化室、通风系统、涂料回收系统和辊道输送系统5部分组成，结构如图2所示。
该设备控制系统可根据钢管的外径编制不同程序，调整喷涂距离、油漆流量、空气压力等参数以达到目标膜厚。钢管通过涂装设备时，喷涂和固化同时进行，中间不作任何停顿，适合高速自动化的生产线。此外，由于紫外光固化涂料未经紫外光照射时不会固化，所以涂料回收系统可对过喷的涂料进行收集，过滤后再输回储漆罐，这样涂料的利用率可达95％，远远高于现有的常见喷涂系统。目前，该涂装设备成功地实现了工业化应用，可替代国外进口设备。
5·紫外光固化涂料经济性分析
1）设备投资
紫外光固化涂料的涂装设备主要包括喷涂系统和干燥系统2部分，所需投资大约300万元；传统溶剂型涂料涂装设备主要包括喷涂系统和烘房，所需投资大约100万元。
2）涂料直接成本
紫外光固化涂料与传统溶剂型涂料的成本对比见表2。
可以看出虽然紫外光固化涂料的单价较高，但由于其固体含量远高于传统溶剂型涂料，且对涂料的回收利用率高，所以最终单位面积钢管的涂料直接成本并不会高于传统溶剂型涂料。
3）能耗成本
无论是溶剂型涂料还是紫外光涂料，干燥涂料所消耗的电能都是其能耗的主要方面，以此对两种涂料的能耗成本进行对比，结果见表3。
4）质量成本
由于紫外光固化涂料的瞬时固化，能显著降低钢管表面因漆膜未干即搬运撞击所造成的损伤，从而大大减少人工修补和因质量投诉造成的损失。
5）安全、健康、环保成本
随着我国经济实力的不断提高，安全、健康和环保成为国家、行业、企业越来越重视的因素。与传统溶剂型涂料相比，紫外光固化涂料在安全、健康和环保方面有无可比拟的优势。虽然这些优点带来的好处难以量化计算，但从长远看，安全、健康和环保方面的投资是值得的。
综上可以看出：①紫外光固化涂料需要专用的喷涂干燥设备，初期需要一定设备投资；②由于紫外光固化涂料的固体含量高，涂料回收利用率高，最终的使用成本并不一定高于溶剂型涂料；③相比于烘烤干燥溶剂型涂料，紫外光固化涂料所消耗的能量较低，有助于降低能耗成本；④质量投诉、安全健康和环保方面的成本难以量化计算，但紫外光固化涂料在这些方面的优势毋庸置疑。
6·实际使用情况
宝鸡石油钢管有限责任公司从2011年7月开始在管加工生产线投入使用紫外光固化涂装设备，使用情况良好，尤其是耗电量大幅下降，涂料利用率大幅提高。
（1）耗电量。紫外光固化设备采用无极紫外灯，1台设备有6盏灯，单盏灯功率为6 kW。在运行过程中，当有钢管通过时，紫外灯的功率为36kW（100%）；无钢管时，功率可以迅速降低为7.2kW（20%），既不影响固化质量，又可以节省能源。
（2）涂料利用率。以2011年7月的生产为例，生产规格为Φ139.7 mm×7.72 mm钢管，产量3 151.67 t，11 766支，钢管平均长度10.36 m，平均膜厚30μm，紫外光固化涂料用量为1 700 L（包含涂料输送管系统中残留的紫外光涂料），利用率达到94.32%。
7·结语
我国的钢管工业经过近10年的飞速发展，目前钢管产量保持世界第一，并从2006年开始，超过世界前8国（日本、俄罗斯、美国、意大利、德国、乌克兰、法国和英国）的综合产量［2］。由于产能过剩，我国钢管工业会逐渐进入竞争、淘汰、调整的新发展时期。提高产品品种质量，提高生产效率，降低制造成本，改善技术经济指标，改善施工环境已成为行业发展的趋势。紫外光固化涂料正是应此需求而开发出来的新技术，市场应用前景广阔。
8·参考文献
［1］王杭凯，彭伟，项占琴.钢管UV固化喷涂机漆膜均匀性控制的研究［J］.机电工程，2009，26（9）：84-87.
［2］殷国茂.我国钢管工业的现状和今后发展的思考［J］.钢管，2011，40（1）：1-7.
