江苏涂料 2023-06

氟碳防腐蚀涂料在石化管道和设备上的应用 Industry Coatings Technology 95 工业涂料技术

1 前言

在化工生产过程中，由于化学介质与设备和管道

直接接触，并伴有高温高压反应会造成化工设备与管

道的壁厚变薄，出现腐蚀裂纹，使设备和管道强度降低，

造成泄露，甚至出现爆炸等，因此石油化工管道和设

备防腐一直是化工从业人员重点关注的问题。为了避

免金属设备与管道的腐蚀，氟树脂涂料以其特有的性

能被广泛应用到石油化工设备与管道的腐蚀防护领域。

众所周知，C-F键的键能为486kJ/mol，远高于C-H

键键能（413kJ/mol）和 C-C 键键能（347kJ/mol）。C-F

键的存在使氟树脂很难被热、光以及其他化学因素破

坏，赋予氟树脂很多优良的性能。由于氟原子的电负

性较大，相邻的氟原子相互排斥，导致氟原子在锯齿

状的 C-C 主链周围呈现螺旋排列，对 C-C 主链形成高

度立体的屏蔽作用，从而进一步保证了氟树脂的稳定

性，并使氟树脂具有优异的耐候性、耐热性、疏水疏

油性、耐污性、耐腐蚀性以及低摩擦性能等。本文主

要从氟树脂的结构特点和应用方式出发，综述了几种

常见氟树脂涂料的特点及其在石油化工领域的应用。

2 常见氟树脂涂料

2.1 聚四氟乙烯（PTFE）

聚四氟乙烯是最为常见的一种氟树脂，具有非常

氟碳防腐蚀涂料在石化管道和设备上的应用

Application of Fluorocarbon Anti-corrosion Coatings on Petrochemical Pipelines and Equipment

摘要：本文综述了聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物(FEP)、聚三氟氯乙烯

(PCTFE)、氟烯烃和烷烯基醚(酯)共聚物(FEVE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯与四氟乙烯共聚物

(ETFE)、乙烯与三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、四氟乙烯与全氟甲基乙烯基醚的共聚物(PFA)这8种

常见的氟树脂的结构特点、物理和化学性能、耐腐蚀性以及在化工金属管道和设备防腐领域中的应

用。讨论了不同氟树脂的应用特点，详细介绍了氟树脂涂料在石油化工领域的应用。

稳定的耐热、耐光、耐化学品等优异性能，因此，广

泛应用于化工生产的耐腐蚀设备中。

除了熔融的碱金属、三氟化氯、五氟化氯和液氟

等少数化学介质外，PTFE 几乎可以耐其他所有的化

学介质。但是 PTFE 的硬度较低，且相对分子质量高，

流动性差，因此 PTFE 在化工防腐领域主要采用板衬

的形式。板衬的使用工艺是将 PTFE 做成 1.5~2mm

厚的薄板、用 PFA 作为焊条，焊接成筒体、支管等形

状套在金属设备或者管道内壁，然后经过定型、翻边

等工艺将 PTFE 固定在设备或者管道内壁，从而起到

防腐的效果。PTFE 与金属材质的热膨胀系数不同，

以及 PTFE 的不黏性使得 PTFE 在实际应用过程中容

易出现各种各样的问题，最典型的就是在负压体系中，

PTFE 内衬很容易出现鼓包甚至脱落等现象。范正明

等提出 PTFE 防腐衬里施工的 3 种方法：喷涂法、焊

接法和缠绕法。喷涂法是将 PTFE 的乳液喷涂在金属

基材表面，然后高温烘烤烧结或者将 PTFE 粉末通过

静电喷涂工艺喷涂后烧结成膜。由于 PTFE 的高温流

动性较差，通过喷涂的方法得到的 PTFE 涂层表面流

平效果较差，此外 PTFE 的不黏性造成喷涂法得到的

涂层与基材的附着力也很低。焊接法目前经常应用在

加工大型的设备中，比如大型化工反应器或者储罐等

设备，采用 PFA 作为焊条将 PTFE 的板衬焊接在一起，

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96 氟碳防腐蚀涂料在石化管道和设备上的应用

工业涂料技术

Industry Coatings Technology

但是 PTFE 板衬的表面也是需要做过处理才可以通过

粘接剂与金属基材表面牢固地粘接在一起。缠绕法主

要是采用 PTFE 的薄膜带缠绕在金属模具表面，往复

缠绕从而达到所需要的厚度，通过玻纤等固定 PTFE

薄膜然后加热烧结成型。

2.2 四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(FEP)

FEP 是日本旭硝子株式会社于 1975 年首次在全

球开发成功的聚合物，是四氟乙烯的改性共聚物，六

氟丙烯的含量约 15%。因此 FEP 既具有与聚四氟乙

烯相似的性质，又具有热塑性塑料的良好加工性能，

弥补了聚四氟乙烯热加工困难的不足，使其成为代替

聚四氟乙烯的材料。

FEP 和 PTFE 的分子结构式类似，也是完全氟化

的结构，不同的是聚四氟乙烯的氟原子部分被 -CF3 取

代。FEP 的熔点为 265℃左右，比 PTFE 有所降低，

因此 FEP 的长期使用温度也比 PTFE 降低约 50℃，

只能在 200℃以下长期使用。

FEP 对化学介质的防腐蚀应用与 PTFE 类似，

可以应用在管道、反应器、储罐等化工设备中，对强

碱、强酸、丙酮、高锰酸钾甚至王水等强腐蚀介质都

有较好的耐腐蚀表现。在化工设备生产中，FEP 可作

为涂料衬里应用到化工设备的管道和配件中，而且取

得了不错的经济效益。在生产制冷剂和制冷剂原料的

一家化工车间，最初使用一般的碳钢作为输送原料的

管道，使用几次后管道就坏掉了，需要重新安装，即

使使用玻璃管道其使用寿命也只有一个月左右。在改

用 FEP 作为内衬后，管道使用 1a 之后仍然完好无损，

可以继续使用。另外，在有 NaSCN（51%）、异丙醚

（5%）、HSCN（98%）化学介质的连续生产管道中，

或者 H2SO4（50%）、NaOH（22%）的介质体系等连

续生产的化工管道中，最初使用不锈钢管道因腐蚀原

因每年都要停工 8~10 次进行检修。在使用 FEP 作为

内衬后，连续生产14个月进行检查仍然可以继续使用，

因此 FEP 可以在一些强腐蚀化学介质的管道中长期使

用。

2.3 三氟氯乙烯均聚物（PCTFE）

PCTFE 分子结构中的 F 原子可以让聚合物具有

稳定的化学惰性、耐温性以及不黏性等。Cl 原子的存

在使得聚合物具有良好的热加工流动性、透明性以及

硬度等特性。分子结构中 C-Cl 键的存在使得 PCTFE

在耐热性和耐化学品性等方面比 PTFE 和 FEP 稍差，

但是其硬度、刚性、耐蠕变性和耐渗透性均较好。

PCTFE 是结晶性聚合物，熔点在 210℃左右，可

以在 -80~160℃的温度区间内长期使用。PCTFE 中氟

含量也较高，因此可以耐大多数化学介质，在强酸、

强碱以及大多数氧化剂中长时间浸泡均不会发生明显

的变化。但是 PCTFE 在高温下不耐熔融碱金属、液

氟和三氟化氯的腐蚀；另外在高温条件下会在苯以

及苯的同系物等化学介质中产生溶胀。因此在这些化

学介质中不能使用 PCTFE 作为防腐涂层或者衬里。

PCTFE 在化工防腐的应用非常广泛，可以作为化工反

应罐、储槽、塔器、管道、冷却器、搅拌器等防腐涂层，

应用非常广泛。一家化工厂的 666 高丙体提纯蒸干釜

以及管道材质最初为碳钢，在生产过程中由于腐蚀严

重需要经常停工检修。在使用 PCTFE 作为防腐涂层

后，延长了设备的使用寿命，取得了良好的经济效益。

另外在亚磷酸三苯酯合成工段的苯酚回收罐的连通管

道，管道内的介质为浓硫酸和苯酚。在最初的设计中

采用了一般的碳钢材质，只能使用 3~4d 就被腐蚀停

工，后来采用不锈钢材质和搪铅等金属管道均不能克

服这个化学介质的腐蚀问题。最后采用普通碳钢材质

喷涂聚三氟氯乙烯作为内涂，使用效果良好。因此在

强腐蚀的化学介质中，由于 PTFE 加工等性能的制约，

PCTFE 氟树脂涂料为解决化工设备的防腐提供了解决

方案。

2.4 氟烯烃和烷烯乙烯基醚(酯)共聚物(FEVE)

FEVE 结构式如式（1）所示。FEVE 树脂由日本旭

硝子公司于 1982 年首先开发成功。FEVE 可以被常规

的芳烃、酯类、酮类等溶剂溶解，然后与固化剂交联

固化，从而开创了常温固化的氟碳树脂涂料。FEVE

的成功开发克服了 PTFE、PVDF 等热塑性氟碳树脂

需要高温烘烤成膜的缺点，扩大了氟碳树脂的应用领

域。结合式（1）分析，氟烯烃单元由于 F 原子的存在

主要提供耐候性和耐腐蚀性；乙烯基单元赋予树脂可

溶性，增加树脂的透明度、光泽和硬度等；侧链上的

羧基则可提高树脂与填料的润湿性和对基材的附着力；

侧链上的羟基使得整个分子链可以在常温下与固化剂

反应，从而固化交联成膜。常温固化型 FEVE 氟碳树

脂涂料既可以现场涂装也可以工厂涂装，主要应用于

江苏涂料 2023-06

氟碳防腐蚀涂料在石化管道和设备上的应用 Industry Coatings Technology 97 工业涂料技术

桥梁、光伏背板等领域，FEVE 涂料可以应用到防腐

年限要求较高的化工厂房或者设备表面。

2.5 偏氟乙烯均聚物（PVDF）

PVDF 结晶度 60%~80%，属于线性高结晶型含

氟聚合物，分子中含氟量为 59%，是一种坚韧的热塑

性含氟树脂。PVDF 分子结构中 H 原子被电负性较大

的 F 原子取代之后，相邻的 F 原子相互排斥使得 F 原

子不在一个平面内，致使聚烯烃中的 C-C 主链呈锯

齿形排列。C-C 主链周围被 F 原子包围，其他任何原

子或者基团都不能进入其内部而破坏 C-C 主链，因此

PVDF 的耐候性也非常优异，可抗拒紫外线等辐射，

用 PVDF 制成的涂料对大多数气体和酸性液体的耐渗

透性较强。这些典型的优点使 PVDF 树脂已经被广泛

应用到了石油化工、炼油、化肥、轻工、食品、制药、

造纸、环保、能源等领域。

PVDF 的熔融温度为 170~180 ℃， 因 此 可 以

在 -50~150℃范围内使用，此外 PVDF 在 379℃时

会热降解，释放出腐蚀性较大的氟化氢气体。但是

PVDF 的熔融温度和热分解温度相差较大，PVDF 树

脂可以熔融加工并作为涂料烘烤成膜。PVDF 具有优

良的耐酸腐蚀性，但并不耐碱腐蚀。PVDF 对大多数

无机酸、盐类、有机酸、有机溶剂、卤素化合物、芳

烃类介质的腐蚀均有优良的耐受性能。对少数极性溶

剂如丙酮、丁酮、N- 甲基吡咯烷酮、N,N- 二甲基甲

酰胺等，以及发烟硫酸、发烟硝酸、氯磺酸等不耐腐蚀。

另外 PVDF 树脂对强碱性溶剂、胺类以及极性很大的

溶剂有溶胀现象。因此在化工工业防腐选材中，要根

据具体的工况和介质进行系统的分析。

PVDF 涂料可以作为化工反应器或者其他设备的

内涂涂料，用在二氯甲烷、三氯乙烯、

四氯化碳等有机溶剂的工况，以及盐酸、

硫酸或者硝酸的化工介质中起到防腐蚀

的作用。例如：PVDF 粉末涂料可用于

氧氯法制备氯乙烯的装置中，此工况中

存在盐酸和氯气等腐蚀性化学介质，采

用不锈钢及其他普通的防腐材料均不能

对这些化学介质起到很好的防腐作用，

即使采用玻璃搪瓷等衬里，其性能均不

能和 PVDF 粉末涂层相比。另外，由

于 PVDF 涂料具有非常优异的耐候性，

广泛应用于耐候性要求高的标志性建筑。PVDF 的涂

料也可以用在化工厂的建设中，用于保护化工厂的厂

房以及户外设备或者管道外部，从而延长其寿命。

2.6 乙烯与四氟乙烯共聚物（ETFE）

ETFE 是 1946 年首次被合成开发成功的，经历

了 20 多年的研究之后杜邦公司才于 20 世纪 70 年代

将其工业化，商品名为 Tefzel。ETFE 中的 C-C 主

链呈平面 Z 字形排列，这有利于聚合物的分子链紧

密排列。由于四氟乙烯和乙烯基团交替排列，使较

大的 CF 基团和较小的 CH 基团在结晶过程中形成斜

方晶格。ETFE 氟树脂在热加工之后具有低蠕变性、

高模量以及优良的机械性能。ETFE 的熔融温度为

256~280℃，在 350℃左右 ETFE 开始热分解。

ETFE可以在-65~150℃的温度范围内长期使用。

ETFE 的开发成功在某种意义上弥补了 PTFE 不可以

熔融加工的使用缺陷，ETFE 不仅继承了 PTFE 的耐

腐蚀、不黏性等优点而且具有优良的机械强度和线性

膨胀系数低的特点，还比 PTFE 树脂具有轻量化的

优势。除了耐热性比 PTFE 稍低之外，ETFE 保持了

PTFE 优良的电性能、耐化学品性和耐老化性。此外

ETFE 与 PVDF 的分子结构不同，ETFE 耐碱性远高

于 PVDF，因此 ETFE 在化工防腐蚀涂装的应用领域

比 PVDF 更为广泛。

ETFE 在化工防腐领域的应用主要有滚衬和静电

粉末喷涂 2 种形式。旋转衬里主要用于加工涂层厚

度比较厚的设备或者管道，用 ETFE 树脂开发的用于

衬里的粉末涂料可以与钢材有很好的附着力从而应用

到化工生产的负压工况中，弥补了 PTFE 作为内衬时

的缺陷。目前 ETFE 的衬里涂层已经广泛应用到各种

C C C C C

C C C C

F F F F F

H H H H

F F F F F

H H H H

C C C C C

填料的分散

性、附着性

柔韧性 交联性、

附着性

可溶性、透

明性、光泽、

硬度

耐候性

C C C C

F F F F F

H H H H

X X X X X

O

R1 R2 R3

OH COOH

R4

O O O

式 1 FEVE 结构式

式中：X 为 -CF3、-F 或者 -Cl；R1~R4 分别为烷基、环烷基、羟烷基、羧烷基。

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98 氟碳防腐蚀涂料在石化管道和设备上的应用

工业涂料技术

Industry Coatings Technology

类型的化工设备中。ETFE 在化工防腐的应用除了作

为内衬之外，静电粉末喷涂也是其重要的应用方式。

ETFE 静电喷涂工艺扩大了 ETFE 在化工设备、管道

等设备中的应用。ETFE 粉末涂层与基材附着力非常

牢固而且无针孔，因此具有非常优异的耐化学介质渗

透性能，可以用于盐酸、硫酸等酸性介质和氢氧化钠

等碱性介质的工况中。

2.7 乙烯与三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）

ECTFE 树脂是乙烯和三氟氯乙烯的交替共聚物。

ECTFE 于 1946 年由杜邦公司成功开发，并于 1974

年商品化，商品名为 Halar，沿用至今。目前 Halar 产

品已属于索尔维公司，现在只有索尔维公司生产了商

品化的 Halar 产品。

ECTFE 共聚物不仅保持了聚三氟氯乙烯均聚物

原有的优良性能，而且还极大改善了热加工性能，因

此 ECTFE 共聚物可以熔融加工。ECTFE 共聚物密度

不高，为 1.68g/cm3

，韧性好、硬度高，比 PTFE 和

FEP 均表现出更优异的耐磨性能。ECTFE 适用温度

范围非常宽，为 -100~175℃，长期适用的最高温度是

150℃。与 ETFE 类似，ECTFE 在防腐领域的应用主

要是通过内衬和静电喷涂 2 种方式，内衬主要是制备

较厚的防腐涂层；静电喷涂主要是制备较薄的防腐涂

层。

根 据 索 尔 维 网 站 上 公 布 的 资 料 显 示，Halar

ECTFE 涂层已广泛应用于化工、制药和半导体等领域

中的设备防腐以及工厂的通风管道防腐。另外，在超

纯水和高纯度化学物质中进行的 Halar ECTFE 静态浸

泡测试，仅显示出极低水平的金属和有机提取物。另

外进行的动态冲洗数据证明，Halar ECTFE 适用于半

导体、生物制药行业中的高纯度系统，动态冲洗数据

显示 Halar ECTFE 的 F 离子浸出量极低。

由于 ECTFE 的分子结构与 ETFE 非常类似，因

此 ECTFE 涂层和 ETFE 涂层一样也具有非常强的耐

酸、耐碱以及耐大多数化学品的腐蚀。此外与其他热

塑性塑料相比，ECTFE 在高温下的耐氯和耐氯衍生物

的性能非常突出。根据 ECTFE 的分子结构可以看出，

ECTFE 将 ETFE 分子结构中 1 个 F 原子被 Cl 原子取

代，由于这个分子结构的差别，ECTFE 的耐渗透性要

优于 ETFE，尤其是对 SO2、H2S、HCl、Cl2 等化学

介质的耐渗透性。此外 ECTFE 的耐渗透性要远高于

FEP、PVDF 等常见的热塑性树脂。

根据索尔维网站上公布的具体实施案例显示，位

于丹麦的一家发电厂的烟囱采用了带玻璃纤维增强型

的 Halar ECTFE 内衬涂层，烟囱的化学介质为硫酸，

长期使用温度是 110℃，在使用 15a 之后，经检查，

烟囱仍处于良好的工作状态，并未发现由废气导致的

化学腐蚀迹象，也没有发现表面开裂等现象。另外一

个实用案例是采用了玻璃纤维和 Halar ECTFE 双重复

合内衬的吸氯装置，该装置经常要与氯化碳氢化合物、

盐酸和氯分子接触，在连续工作 14a 之后进行检查发

现，复合内衬仍处于极佳的状态。另外 Halar ECTFE

涂层在一个生产氯乙烯单体的贮槽，用于处理碱性流

体和活性氯等，在连续使用 23a 后仍完好无损。

2.8 四氟乙烯与全氟甲基乙烯基醚的共聚物

(PFA)

PFA 又称为聚全氟代烷氧基聚合物，其结构式

如式（2）所示，具有全氟碳主链和少量全氟烷氧基侧

链全氟碳。受全氟烷氧基侧链的影响，PFA 的黏度

比 PTFE 低很多，因此 PFA 可以用熔融法进行加工，

PFA 又被称为可熔性 PTFE，特别适用于防腐涂层

的制备。PFA 涂料的长期使用温度与 PTFE 相同，

为 -250~260℃。PFA 的成功开发克服了 PTFE 涂料

不能熔融流动加工制备防腐涂层的缺点。与 PTFE 类

似，PFA 的化学性能极为稳定，除了在熔融碱金属

和高温氟气中会分解外，其他化学品几乎不能腐蚀

PFA涂层。PFA涂料突出的特点是具有良好的热塑性，

特别适合制备用于苛刻温度条件下的防腐涂层和防黏

涂层。

C C

F F

F F

C x y

C

CF2CF2CF3

F F

F O

式 2 聚全氟代烷氧基聚合物 PFA 结构式

PFA 在防腐领域的应用主要是采用内衬和涂覆的

方法：内衬方法和其他热塑性树脂的工艺一样；PFA

涂料采用的涂覆方法有粉末静电喷涂和热喷涂等，还

可以通过表面活性剂、水或者其他有机溶剂配制成悬

浮液或者乳液，采用压缩空气喷涂或者浸渍的方法进

行涂覆。PFA 涂料在烧结过程工艺中的温度控制非常

关键，通常 PFA 粉末涂料烧结温度为 330~350℃之间，

江苏涂料 2023-06

氟碳防腐蚀涂料在石化管道和设备上的应用 Industry Coatings Technology 99 工业涂料技术

烧结温度愈高，涂层的附着力愈强，但烧结温度过高，

涂层将褪色、结疤、鼓泡甚至会烧焦；另外，烧结温

度过高会导致氟树脂分解产生剧毒氟化物。烧结温度

太低会导致涂层不能充分熔化和流平，从而使涂层形

成针孔，达不到防腐的目的。

根据徐德勤的文献报道，PFA 氟树脂涂层应用在

上海石化 25 万 t/a 聚乙烯反应器中，目前设备已投入

运行，且运行情况良好。PFA 氟树脂涂层可以防止聚

乙烯粉料粘在设备内壁，是理想的防粘涂层衬里材料。

3 氟树脂涂料在石油化工领域的应用

及发展前景

目前在防腐领域多以环氧防腐涂料、聚氨酯涂料

或者聚酯涂料为主。环氧在户外应用容易变黄、粉化；

而聚氨酯或者聚酯涂料在户外应用虽多，但考虑到实

际使用的环境温度、湿度，尤其是在化工设备和管道

等应用领域，在化工设备和管道中，大多为强酸、强

碱等腐蚀性强的介质，另外化工设备和管道中有时还

伴有高温高压等工况，聚氨酯或者聚酯类涂料受到了

严重的限制。氟树脂涂料的特殊化学结构赋予氟涂料

具有优异的耐候性、耐腐蚀性、耐沾污性以及耐高低

温性能，在化工防腐领域具有广阔的应用前景。根据

应 用 领 域，PTFE、FEP、PCTFE、PVDF、ETFE、

ECTFE、PFA 等氟树脂可根据具体的化工介质以及使

用工况，在化工设备的管道、反应釜、塔器、冷凝器

的内壁以及搅拌桨等领域使用；FEVE 和 PVDF 氟树

脂由于其优异的耐候性，可根据使用方式的要求，广

泛应用在化工设备的外部以及厂房建设中。根据应用

方式，PTFE 主要以板衬的形式应用在防腐设备内壁；

FEP、PCTFE、PVDF、ETFE、ECTFE 和 PFA 等

氟树脂是热塑性树脂，主要以粉末喷涂或者溶液喷涂

法配以高温熔融烘烤的方式应用到化工设备的内壁；

FEVE 树脂由于其独特的性质，可以在常温下固化，

主要应用在化工厂房或者设备的外部从而提高耐候性

能。氟树脂的使用温度和应用方式，可参考表 1 所示，

但是在使用前可根据具体的使用工况和专业人员进行

咨询从而减少不必要的使用错误而带来经济损失。

4 结语

近年来，重防腐领域正沿着高性能、高效率、低

能耗和低污染的方向发展。氟树脂的使用可以延长化

工设备的使用周期，从而降低因多次施工带来的污染

和能耗，进而提高化工设备的使用效率。不同氟树脂

因其结构不同所使用的工况和耐化学介质也有很大差

别，此外氟树脂涂料比其他一般涂料价格较高，因此

在实际使用过程中，需要根据具体的防腐要求和使用

工况，选择科学的涂料配套方案、涂装设计要求、涂

装施工技术、严格的质量检测和维护管理，这是石油

化工设备设计的基础以及使设备达到使用寿命的前提。

表 1 氟树脂的使用温度和应用方式

氟树脂 使用温度，℃ 耐化学介质 不耐介质 应用方法和领域

PTFE -250~260 几乎所有的强酸、强碱等强腐蚀

性化学介质

熔融的碱金属、三氟化氯、五氟化氯和

液氟等少数化学介质

板衬、防腐涂层衬里，应用于化工设备内壁、管道

内壁、搅拌桨外部等领域

FEP -55~200 强碱、强酸、丙酮、高锰酸钾甚

至王水等强腐蚀性介质

熔融的碱金属、三氟化氯、五氟化氯和

液氟等少数化学介质

静电粉末喷涂，高温烧结固化，应用于化工设备的

反应釜、储罐、塔器、管道、冷却器、搅拌器等。

PCTFE -80~160 强碱、强酸等大多数氧化性化学

介质

熔融的碱金属、三氟化氯、五氟化氯和

液氟等少数化学介质

静电粉末喷涂，高温烧结固化，应用于化工设备的

反应釜、储罐、塔器、管道、冷却器、搅拌器等。

FEVE -40~140 常规的酸碱等化学介质 大多数的强腐蚀化学介质 溶液喷涂、刷涂等用于化工厂房或者化工设备的外

部，可以常温固化成膜，起到耐候、防腐的效果

PVDF -50~150

耐酸不耐碱，大多数无机酸、盐

类、有机酸、有机溶剂、卤素化

合物、芳烃类介质

丙酮、丁酮、N-甲基吡咯烷酮、N-二

甲基甲酰胺等，以及发烟硫酸、发烟硝

酸、氯磺酸等。对强碱性溶剂、胺类以

及极性很大的溶剂有溶胀现象

溶液喷涂、刷涂等用于化工厂房或者化工设备的外

部，高温固化成膜，用于防腐、耐候的效果，或者

粉末喷涂，高温烧结固化成膜的方式用于化工设备

的内壁，起到防腐效果

ETFE -65~150 盐酸、硫酸等酸性介质和氢氧化

钠等碱性介质

对某些极性和非极性溶剂，如乙酸、甲

醇、丙酮、苯类等高温有溶胀现象

静电粉末喷涂用于化工设备或者管道的内壁，高温

烧结成膜，起到防腐的效果

ECTFE -100~150 盐酸、硫酸、氢氰酸、硫化氢等

酸性介质和氢氧化钠等碱性介质

对某些极性和非极性溶剂，如乙酸、甲

醇、丙酮、苯类等高温有溶胀现象

静电粉末喷涂用于化工设备或者管道的内壁，高温

烧结成膜，起到防腐的效果

PFA -250~260 强碱、强酸、丙酮、高锰酸钾甚

至王水等强腐蚀介质

熔融的碱金属、三氟化氯、五氟化氯和

液氟等少数化学介质

静电粉末喷涂或者分散体溶液喷涂，高温烧结成

膜，用于化工设备或管道的内壁，起到防腐效果

JIANGSU COATINGS 06-2023

100 能量消耗最小化的汽车涂装工艺

工业涂料技术

Industry Coatings Technology

1 前言

汽车行业面临的一项日益困难的任务是提高工艺

效率以使结果最大化，因为企业必须在当前全球化的

竞争市场中生存下来。生产、质量、成本、环境、社

会责任和安全是在任何过程中都存在的问题，最大化

结果意味着定位这些变量以获得它们之间的最佳协同

作用。此外，能源消耗是企业关注的一个主要问题，

它与成本和环境问题（例如温室气体排放）直接相关。

汽车装配作业可分为以下 3 个阶段：冲压焊接、

涂装作业和总装。涂装作业通常包括 3 道和 3 道以上

有机涂层的涂装工序，即预处理、涂装、干燥和固化。

涂装工艺从预处理开始。常见的涂装预处理方法

为磷化工艺，即白车身（BIW）经过清洗后用磷酸盐溶

液处理。然而，非磷化的锆基转化膜在涂装预处理中

越来越常见。与磷化处理相比，氧化锆转化膜具有以

下几个优点，即污泥减少了 95%，并可在环境温度下

处理，从而大大降低了能耗，锆盐因其低毒性而表现

出良好的环境特性。

在某些汽车领域中，涂装、干燥和固化工艺以电

沉积一道涂层完成（Elpo：电泳槽和固化炉），也有以

能量消耗最小化的汽车涂装工艺

Automotive Coating Process with Minimal Energy Consumption

摘要：汽车漆的干燥/固化工艺是汽车装配的主要阶段之一。为保证最终涂装质量，必须满足最佳的

操作条件（主要是涂装室内的温度分布）。在大多数情况下，这些条件都是根据经验确定的。瞬态

状态下数学模型的可用性，可以预测涂膜干燥/固化过程的行为，以及可能发生的操作条件变化对涂

膜最终质量的影响。然而，在实施上述类型的模型时仍然存在障碍，因为在确定这些模型时涉及到

大量的参数和复杂性，对流传热系数值得注意。因此，本研究提出了一种通过工业数据确定对流传

热系数以调整涂膜固化炉数学模型的方法。调整后的模型可用于预测汽车涂装过程中最常用的固化

炉，即Elpo固化炉新操作场景。结果表明，所提出的方法可以作为一种工具来开发工艺优化策略，

从而在不影响涂膜质量的情况下降低返工率和能源成本。

喷涂底漆和罩光清漆两道涂层（喷漆房和固化炉）实现

的。然而，现代涂装工艺已经在汽车行业成功应用，

如湿碰湿碰湿涂装工艺（3 道液体涂料涂装）。汽车行

业正最大限度地缩减喷涂工艺、所占场地和固化炉数

量，以大幅节约材料和能源。三道液体涂料涂装系统

省去了底漆固化炉，还减少了挥发性有机化合物 VOC

和二氧化碳（CO2）的排放。

汽车车身的涂装质量取决于涂装固化炉的热传递

强度、持续时间和传热机理。固化炉的传热机理主要

为热辐射和热对流。辐射热传递源于在固化炉入口附

近设置的辐射板，而对流热传递则有赖于固化炉中的

热风机。对流传热是高能耗的主要原因。

若涂装失败则需要返工，意味着生产成本的增加，

若因涂装失败而召回则可能需要向客户交付新车。为

提供涂装质量所需要的条件，工程师会根据经验操控

涂装工艺中每个腔室的温度，因为涂装质量受固化炉

内温度分布均匀情况和输送机传送速度（与生产直接相

关）的影响极大。因此，生产、能源消耗和质量之间的

关系是确保安全决策的基础。

腔室温度的操控是以保守的方式实现的，意味着

江苏涂料 2023-06

能量消耗最小化的汽车涂装工艺 Industry Coatings Technology 101 工业涂料技术

能量消耗很大。因此，研究和开发一个具有代表性的

干燥 / 固化过程模型，以了解和优化该过程，避免涂

层缺陷的发生，促进能源成本的降低是至关重要的。

已有研究人员提出了汽车涂料干燥 / 固化过程的

数学模型。作者将传热系数确定为 BIW 表面空气速度

的函数，并认为该系数在固化炉内的某个区域是恒定

的。然而，该因素的掌控非常困难，因为空气速度与

BIW 所处的位置有关。

有学者运用实验分析技术开发了一种优化传热解

算器传热系数的方法，以及表征传质解算器中涂层 -

空气界面处蒸发的模型参数。研究表明，传热系数是

溶剂浓度的弱函数。

有研究指出，预测设计变更或工艺改变对质量的

影响是非常必要的，模拟车身涂装工艺对于评估涂

装工艺和车身设计越来越重要。有人运用 VPS/DRY

模块（CADFEM GmbH）提供的流体动力学计算技术

（CFD）分析 BIW 在固化炉中干燥期间的温度分布，

结果可用于绘制 BIW 每个部位的固化温度曲线。

还有学者应用流体力学计算技术（CFD）和移动边

界法对辐射炉和对流炉进行比较，结果表明，与对流

炉相比，使用辐射炉可节省 50% 的能源。

有文献介绍了运用半计算方法（即 CFD 解算器

和热网络解算器）预测汽车涂层在固化炉烘烤过程中

BIW 各部件的温度，并提出了采用护罩覆盖车体以使

其免受固化炉中热空气影响的概念，这将显著降低固

化炉的能耗。

尽管考虑到 CFD 技术的应用，但它们在计算上既

昂贵又耗时。此外，它们还应用于设计阶段，具体来说，

应用于结构变化或稳态运行变化。

本研究旨在提出一种方法，通过确定所研究的固

化炉不同区域中不同 BIW 部件的对流传热系数，通过

使模型计算值与工厂实测值之间的差异最小化，以调

整涂层干燥模型。在特定的 BIW 位置使用温度数据，

以最大限度地减少误差。

在调整和验证工艺参数时，该模型可用于固化炉

的操控，其主要特征在于提供快速响应，并可为瞬态

操作扰动或稳态操作变化提供输入。为了表示该模型

的应用，我们进行了研究，以回答下列问题：

► 在不影响涂层质量的情况下，通过改变传送带速

度，以提高产量的极限在哪里？对于能源消耗代表

了什么？

► 鉴于生产工况必须保持不变（传送带速度不得改

变），如何在不影响涂装质量的情况下通过调整温

度曲线来降低能耗？

据作者所知，通过广泛地查阅文献发现，目前尚

缺乏针对本研究中提出的应用于汽车涂层干燥程序的

研究，为确定对流传热系数而开发的多目标优化策略

和目标函数的相关研究尤为如此。

该程序应用于 Elpo 固化炉，该固化炉是汽车厂最

大的能源消耗工序。BIW 在 Elpo（电泳底漆涂装）工

艺中电泳涂覆防腐保护层，BIW 进入固化炉烘烤固化

以完成 Elpo 工艺，即使 BIW 在 170~180℃的 Elpo 固

化炉中保温 20~30min。

2 数学模型

图 1 为所研究的汽车涂装工艺的流程框图。涂装

工艺始于预处理（磷化处理）。随后，BIW 由传送带以

恒定速度传送，进行有机涂料的涂覆、干燥和固化。

图 1 中深红色方块为涂装过程中涂层干燥和固化

阶段的固化炉。图 2 介绍了涂层固化方案，其中固化

炉被划分为多个区域。传热过程通过辐射和对流而在

区域 1 和 2 中发生，BIW 的对流加热过程发生在之后

的区域。最后一个区域为 BIW 的冷却步骤，至此整个

固化过程结束。

图 3 展示了固化过程中涂膜内部发生的传质现象

出口

入口 磷化 电泳槽

中涂 / 面漆

固化炉

电泳涂层

固化炉

中涂 / 面漆

涂装室

密封胶

涂布室

底漆

固化炉

密封胶

固化炉

底漆

涂装室

图 1 涂装工艺流程框图

喷涂室

辐射 / 对流 对流

通道 1 通道 2 区域 1 区域 2 区域 3 ... 区域 n

来自中涂

闪干烘炉

最后一个固化炉

图 2 典型的固化炉设计方案

JIANGSU COATINGS 06-2023

102 能量消耗最小化的汽车涂装工艺

工业涂料技术

Industry Coatings Technology

和反应。固化炉内干燥过程的数学模型涉及了几种现

象，辐射热传递发生在炉壁和涂层底材之间，涂层底

材由面涂层、底涂层、磷化膜和金属底材组成。对流

热传递发生在空气与涂层底材之间，而热量通过涂层

底材内部的热传导进行传输。

辐射和对流热传递也发生在涂层表面，这与涂层

底材内部的热传递类似。相反，涂层内部的热传递以

热传导为主，质量传递通过界面之间的扩散进行。涂

层的组分间在固化过程中发生化学聚合反应，形成聚

合物网络结果。溶剂通过涂层 - 空气界面处的蒸发而

进行传质过程。

表面涂层和底材的厚度非常低，因此与辐射和对

流现象相比，热传导现象并不明显，因此在数学模型

中可以忽略不计。方程式（1）提出的传热模型以固化炉

中各区域的运行条件为基础，以表征不同传热方式的

贡献。

dT(t)

dt =

........................(1)

hν

ρmCpmZm

(Ta

–T(t)) 对流

σε hν

ρmCpmZm ρmCpmZm

(Tw

4

–T(t)

4

)+ (Ta

–T(t)) 辐射和对流

式中，T(t) 为 BIW 温度，Tw 为炉壁温度，Ta 为

空气温度，ρm 为被涂金属底材密度，Cpm 为金属底

材 的 热 容，Zm 为 被 涂 金 属 底 材 厚 度，σ 为 Stefan

Boltzmann 常数，ԑ 为热辐射率，hv 为对流传热系数。

在涂层干燥过程中，溶剂向涂层表面迁移，并在

空气 / 涂层的界面处通过蒸发进行大量溶剂的转移。

因此，必须采用两个传质模型，第 1 个模型是溶剂在

涂层内部的质量迁移，第 2 个模型是涂层 / 空气界面

中的传质。

涂层内部的溶剂质量迁移模型由方程式（2）给出，

即：

δC(z,t) δC(z,t) Dn(t) δt δz

δC

dz = ........................(2)

式中，C(z,t) 为溶剂的质量浓度，Dn 为溶剂扩散

系数，z 为涂层厚度。式 2 中的扩散系数通过方程式（3）

计算得到：

RT(t) Dn(t)= η exp C

γ Ed – – ............................(3)

式中，η 为扩散率的指前常数，γ 为常数，Ed 为

扩散活化能，R 为理想气体常数。

因此，根据初始条件和边界条件可获得方程式（2）

的解。设定初始条件，我们可以得到方程式（4）：

C(z, 0)=C0 ............................(4)

采用方程式（5）设定的边界条件，其中 z=0，而采

用方程式（6）设定的边界条件，通过蒸发过程在涂层 /

空气界面（z=Z）进行传质，即：

δt

δt δz ρsZs

Dn(t)

Zs

.................................................. (5)

..................(6)

δC(0, t)

δC(z, t) δC(z, t) K(Pls(t)–Plb) = –

式（6）中，Zs 为固态涂层厚度，ρs 为涂料中的固

体密度，K 为传质系数，Pls(t) 为涂层 / 空气界面处的

溶剂蒸汽分压，Plb 为循环介质中的溶剂蒸气分压。

涂层厚度 Z(t) 随干燥时间的延长而降低，源于溶

剂在涂层 / 空气界面上的传质所致，如式（7）所示：

Aρl(1–C(t)) Z(t)= ρl

Vs(1–C(t))+ρsVs

C(t) ............................(7)

式中，ρ1 为溶剂密度，ρs 为涂料中的固体密度，

A 为涂层覆盖的底材表面积，Vs 为溶剂中聚合物材料

的体积。

表述固化过程的模型由方程式（8）给出。式中 a

为交联反应的转化率（固化转化率），ζ 为聚合反应频

率因子，Ec 为交联剂的活化能，m 和 n 为常数，即：

dt ..................(8)

dα(t)

= ζ exp RT(t)

Ed – α(t)

m

(1-α(t))n

方 程 式（1）~（8）描 述 的 数 学 模 型 是 采 用

MATLAB® 平台实现的。采用空间离散化的有限微分

法求解模型，将偏微分方程转化为时间函数的常微分

方程组，然后采用 Adam Smith 提出的 ode15s 例程

进行求解。

传 热 传 质

对流 蒸发

罩光清漆

热传导 反应

热辐射

热传导 底漆二道浆 / 粉末涂料 / 电泳底漆 / 磷化底漆

金属底材

热对流

扩散 Z

辐射

图 3 固化过程中的传质现象和反应

江苏涂料 2023-06

能量消耗最小化的汽车涂装工艺 Industry Coatings Technology 103 工业涂料技术

采用空间离散化的有限差分法对模型进行求解，

将偏微分方程转化为作为时间函数的常微分方程组，

然后用 Adam Smith 提出的方法使用 ode15s 规程对

其进行求解。

3 模型调整的优化程序

图 4 展示了在 Elpo 固化炉中 BIW 各部件所处的

位置。在图 1 的工艺过程中所使用的固化炉在布局和

分区数量上有所不同。Elpo 固化炉被分为 13 个不同

长度的区域；固化炉分区设计以及操作规范如表 1 所

示。

Elpo 固化炉的区域 1、12 和 13 分别对应于入

口和出口，不属于内部结构。但在模拟和参数调整

中应当考虑这些区域，因为这些区域也是加热曲线

的一部分。

表 1 Elpo 固化炉的设计和操作规范

序号 区域 长度，m 空气温度，℃

1 固化炉入口 2.0 40

2 入口帘幕 6.4 73

3 区域1 6.4 200

4 区域2 9.6 220

5 区域3 25.6 240

6 区域4 13.6 235

7 区域5 15.2 220

8 区域6 26.8 215

9 区域7 12.8 215

10 区域8 2.0 175

11 出口帘幕 3.2 72

12 固化炉出口（1区） 16.8 40

13 固化炉出口（2区） 8.8 40

1

2

3

4

5

7

6

8

图 4 所研究的 BIW 各部件的位置图

在分析固化炉各区域发生的传热过程时，我们观

察到对流传热对所有区域都有显著影响。因此，根据

工厂实测数据调整模型涉及优化问题，而解决方案包

括确定各区域内 BIW 每个部件的对流传热系数，从而

使测定的温度和由模型计算的温度之间的差异最小化，

优化问题的约束条件是不显示负值的决策变量（对流传

热系数）。

在现有的研究中，有几个目标函数可用于确定对

流传热系数。优化问题包括以下目标函数的最小化：

................................................ (10)

..................(9)

前提条件：

Fobjk =Σm

j=1((Σn

i=1(T0 i,j,k–Tm i,j,k)

2

)–whj,k)

h(j, k)＞0

式中：

k 为 BIW 部件的个数；

j = 1,2, ...... m，m 为每个固化炉的分区数；

i = 1,2, ...... n，n 为整个固化炉的点位数；

T0 为 BIW 各部件的温度测定值；

Tm 为 BIW 各部件由模型得到的温度计算值；

h 为对流传热系数；

w 是一个可调节的加权系数，反映了对目标函数

的贡献大小。

由于该数学模型必须针对所研究的固化炉中 BIW

不同部件进行调整，因此确定对流传热系数是一个多

目标优化问题，BIW 每个部件都有一个需要最小化的

目标函数。此外，固化炉分区的数量和加热曲线中的

点位数进一步加大了优化问题的规模。表 2 给出了优

化问题规范的详细信息。

式（9）根据最小二乘法准则构建，重点在于使模型

计算值与实测值之间的差的平方和最小化。并运用加

权系数 w 来反映每个单独目标函数对总体目标函数的

贡献（式 9）。事实上，术语 whj,k 为惩罚项，w 值是根

据经验确定的，以保证优化方法求得的对流传热系数

（决策变量）始终为正值（约束条件）；若对流传热系数

为正值，便使用命令忽略 whj,k 项。

需要强调的是，所提出的优化程序适用于设有温

度测定的所有部件；据观察，在 BIW 的关键部位，如

表 2 优化问题程序的细节

参数 参数值

k目标函数 8

m分区数 13

n加热曲线中的点位数 366

搜索变量数 104

用于计算目标函数的点数 2928

JIANGSU COATINGS 06-2023

104 能量消耗最小化的汽车涂装工艺

工业涂料技术

Industry Coatings Technology

支柱和摇杆，其温度数据很难获得。

4 基础工况模拟

在 所 研 究 的 案 例 中， 涂 层 材 料 位 电 泳 涂 料

Ecoat，金属底材厚度为 0.001m，金属底材密度

2700kg/m3

，金属底材热容 840J/kg.

K。

优化程序是根据对流传热系数的初始估计值进行

的，可以验证固化炉在基础工况下的模型。公式化优

化问题的特点在于有必要使用高效的优化方法。为此

我们采用了 Nelder-Mead Simplex，这是一种无导数

算法，运用了 fminsearch 例行程序。

优化过程中传热系数的初始估计值为 5W/m2.

K，

是分别经过 10 次、100 次和 1000 次迭代得到的。在

经过 1000 次迭代后，该模型的计算结果与工厂实测

数据拟合性非常好，与调整加热曲线的设定值相对应。

图 5 对图 4 所示位置 1（发动机罩）周围的空气温

度工厂实测数据（圆点）和经过 1000 次迭代后的数模

计算结果（实线）进行了比较，模型计算值与实测值之

间存在良好的一致性，验证了优化程序具有满意的应

用性能。表 3 给出了借助 Elpo 固化炉的实测数据确

定的模型对流传热系数。

图 6 为分布在 Elpo 固化炉各区域的 8 个位置点

的模拟加热曲线，运用优化程序确定的对流传热系数，

可以根据 BIW 车身位置观察加热条件的变化。

应 该 注 意 的 是， 空 气 温 度 是 在 固 化 工 艺 的

5~22min 之间在固化炉的出口处测得的，因此，该温

度值实际上没有波动。但 BIW 进入固化炉完全改变了

炉内的流体动力学，导致温度分布不均匀。

图 7 显示了 BIW 车身 8 个位置点的涂层固化率。

可以观察到曲线呈 S 形，这源于溶剂蒸发速率与聚合

反应速率之间的差异较小。而 BIW 车身 8 个位置点的

曲线 S 形有所变化则主要源于蒸发速率的不同。

如图 7 所示，BIW 所有位置点的涂层均实现了

100% 的固化。然而，比评估转化率更为重要的是，

实现涂层固化接近 100% 所需要的时间。即便 BIW 在

环境中干燥，只要干燥时间足够长，依然能够实现涂

层完全固化，即固化率达到 100%，这在固化炉中更

是如此。显然，由此得到的涂层质量有所降低，且生

产率大幅下降。直接影响涂层质量的因素之一是溶剂

蒸发速率，溶剂蒸发速率过快可能导致涂层起泡、起

皱和橘皮。但若溶剂蒸发速率过低，则可能达不到所

需的交联反应程度。

图 7 表明了数学模型的重要性，该模型可用于跟

踪固化炉的温度分布，了

解该温度分布有助于缩减

达到目标固化水平所需的

时间，从而缩短固化工艺

时间，提高涂装生产效率。

总之，固化炉每个区

域的固化差异与固化动力

学有关，固化动力学取决

于一系列因素，包括各区

域的温度、传热系数、空

表 3 对流传热系数

位置 炉入口 进口

幕帘 区域1 区域2 区域3 区域4 区域5 区域6 区域7 区域8 出口

幕帘

炉出口

1区

炉出口

2区

BIW汽车蹄

周围的空

气温度

2.6539 13.1972 16.499 11.6916 3.9851 0.6735 0.0604 0.1484 17.9268 1.4905 6.1516 532.725 0.2827

左前车顶 1.0532 0.7943 5.5645 9.3063 6.3453 0.37 1.9687 2.1538 7.0193 1.39 7.0083 2.3144 3.9628

右前车顶 3.4785 1.9952 6.5373 8.055 5.7692 1.5042 2.0662 2.5956 5.2674 3.0899 5.5053 0.8548 1.6945

左中车顶 2.8036 1.2986 5.6813 10.2343 5.4971 2.5546 3.0343 2.6756 5.9769 2.898 4.0767 2.1454 3.4887

右中车顶 2.2468 1.3607 5.5087 10.1315 5.9965 2.0998 0.7259 5.0295 5.2369 5.5785 2.8092 0.5177 1.007

左中心柱 4.3603 0.4483 3.7114 5.7618 4.1909 3.6928 2.9639 5.0093 1.5933 4.5527 3.3309 1.4976 3.4536

右中心柱 3.2724 0.7755 2.1312 6.0133 3.2586 2.6875 3.107 3.5794 1.6925 4.611 3.2375 9.8725 49.6115

左前门 2.8794 1.6981 6.7052 9.4117 5.3979 2.376 1.6879 1.7741 5.2927 3.3879 6.6184 6.859 11.8637

时间，min

实测数据

曲线拟合数据

设定的空气温度

温度，℃

图 5 位置 1 经过 1000 次迭代后的工厂实测数据与数模计算结果

时间，min

温度，℃

图 6 温度分布图（加热曲线）

江苏涂料 2023-06

能量消耗最小化的汽车涂装工艺 Industry Coatings Technology 105 工业涂料技术

气速度和各区域在固化炉内所处的位置。

为了更好地说明 BIW 车身位置的固化不均匀性，

图 8 显示了涂料制造商为该工艺推荐的固化窗口（以黑

线囊括的区域），以及 Elpo 固化炉中 BIW 各部件的加

热曲线。材料供应商为指导固化工艺操作而提供的固

化窗口主要包括固化时间和固化温度，在此条件范围

内可以实现用户要求的涂层性能。

在开发固化窗口图中采用的数学模型是以文献报

道的研究成果为基础的。使用固化窗口和温度 - 时间

控制面板可以得到固化质量令人满意且在技术规范内

的涂层。

图 8 蓝色线条限定的区域为加热曲线最接近最佳

固化点的区域。固化窗口提供了标准固化条件，在所

研究的情况下，该固化条件用 25min 和 165℃的点表

示（红色星形符号）。由于溶剂蒸发不均匀，若在推荐

区域外固化可能导致 BIW 表面涂层形成气泡。

5 对新操作场景的模拟

聚焦降低能耗和保证涂层质量，我们运用验证

模型对新的操作场景进行了模拟。许多场景均可以

模拟，例如单独改变某个区域的温度。因此，本文

仅采用了两种情况来证明模型的多功能性。在空气

流量保持不变的情况下，能耗仅与炉温和停留时间

有关。因此，针对传送带速度和温度分布的变化对新

场景进行了评估。

5.1 传送带速度的提升

模拟的第一种情况是将传送机速度提高 10%，意

味着涂层底材在固化炉中的停留时间缩短，从而使固

化时间缩短。为了进行比较，将新场景的模拟结果与

基本条件的模拟结果相结合，得到的加热曲线和固化

曲线如图 9 所示。正如预期的那样，相对于所有固化

炉的基本情况而言，BIW 部件的温度值略有下降。这

是由于固化炉内工件的停留时间较短造成的。

如图 9 所示，提高传送机速度对 Elpo 固化炉的加

热曲线和固化过程略有影响，因此可以在不影响涂层

固化条件的情况下将涂装生产率提高 10%。然而，需

要注意的是，图 7 中 #6（左中柱部件）几乎超出了推

荐的固化窗口区域。

时间，min

温度，℃

图 8 Elpo 固化炉中固化窗口的转换温度曲线

时间，min

固化转化率，

%

图 7 在 Elpo 固化炉中的涂层固化转化率

JIANGSU COATINGS 06-2023

106 能量消耗最小化的汽车涂装工艺

工业涂料技术

Industry Coatings Technology

时间，min

时间，min

时间，min

时间，min

温度，℃

温度，℃ 温度，℃

注

温度，℃

（a1）和（b1）基础工况模拟；（a2）和（b2）传送机速度提高 10% 的工况模拟。

图 9 Elpo 固化炉温度曲线和转换温度曲线

时间，min

时间，min

时间，min

时间，min

温度，℃

温度，℃ 温度，℃

注

温度，℃

（a1）和（b1）基础工况模拟；（a2）和（b2）温度降低 10% 的工况模拟。

图 10 Elpo 固化炉温度曲线和转换温度曲线

江苏涂料 2023-06

幻彩金属贴面石制作方法的研究 107 民用涂料技术

Civil Coatings Technology

5.2 各区域温度的降低

模拟的第二种情况是将固化炉各区域的温度降低

10%，这意味着能耗的降低，其加热和固化的行为曲

线如图 10 所示。与之前的分析不同，Elpo 固化炉温

度曲线的线性下降导致 BIW 两个部件落入固化窗口推

荐区域之外，即图 7 的左中柱（#6）和右中柱（#5），如

图 10（b2）所示。结果表明，需要评估固化炉特定区

域的温度下降，以使所有曲线保持在固化条件范围内。

具体而言，可以根据验证过的模型来评估各操作

条件，包括通过增加和减少测温点来修改固化炉内的

温度分布，以寻找更接近涂料制造商推荐的固化条件，

并同时专注于降低能量消耗。

模拟结果仅针对 Elpo 固化炉，因为它是涂装过程

中规模最大、最复杂的固化炉。然而，可以使用该方

法预测其他固化炉的行为（如底漆和罩光清漆固化炉）。

6 结语

本研究提出了一种基于 Elpo 固化炉工业实测数据

调整汽车涂料干燥过程中传热参数的模拟方法。运用

开发目标函数的多维优化程序，并根据固化炉各区域

中 BIW 特定位置的温度数据确定传热系数。本优化程

序是为 Elpo 固化炉开发的，但可以用于模拟其他固化

炉，如底漆和罩光清漆的固化炉。

调整后的模型可用于开发聚焦能源效率的新操作

场景，传送机速度的提高意味着能源消耗的显著降低

和生产效率的提高，且不会降低涂层质量。

该模型还可生成对操作扰动的快速响应，并评估

固化时间的变化、固化炉结构的变化（如增加长度）或

工艺参数的变化（如各区域的温度）。

1 前言

目前建筑墙面的金属装饰主要采用金属材料直接

粘贴在建筑物墙体表面；或者采用金属涂料喷涂在复

合卷材上，然后将复合卷材贴覆在建筑物表面。

采用金属进行装饰时，由于金属较重，运输以

及施工十分不易，成本较高，且金属材料容易腐蚀；

采用金属涂料喷涂在负荷卷材上时，这样的贴面石

花样不稳定，手感差，且由于涂料暴露在外部环境中，

幻彩金属贴面石制作方法的研究

Research on the Manufacturing Method of Fantasy Metal Facing Stone

摘要：随着国家对环保要求的不断提高和人们对节约资源、保护环境的意识不断增强，在建筑外墙

装饰材料方面我们研发了一种新型外墙涂料—幻彩金属贴面石漆，该材料能达到天然石材或铝材的

外观效果，同时具备节能环保要求。本文重点论述了该新型涂料的主要成分、配制方法及施工工

艺，为涂料行业技术人员在开发和生产类似产品时提供相关经验和借鉴。

经过日晒雨淋，极易造成涂料褪色，色彩持续时间

有限。

针对现有技术存在的不足，我们于 2014 年组建

研发团队，尝试开发了一种新型的幻彩金属贴面石漆，

能达到材质轻，运输、施工方便，花样稳定，手感流畅，

细腻光滑的效果。

通过研发团队不懈努力，对不同的材料进行比较

及不断调整各类技术参数，研发出比较稳定的并适合

JIANGSU COATINGS 06-2023

108 幻彩金属贴面石制作方法的研究

民用涂料技术

Civil Coatings Technology

推广的幻彩金属贴面石涂料产品，产品通过国家化学

建材质量监督检验中心检测合格，并已申请国家发明

专利以保护公司研发成果。

现将该产品主要成分、配制方法、施工工序及最

终效果做详细介绍，为涂料行业技术人员在开发和生

产类似产品时提供相关经验和借鉴。

2 幻彩金属贴面石制作工艺及主要技

术参数

成品幻彩金属贴面石材料包括：基材、涂覆在基

材上的弹性涂层、辊涂在弹性涂层上的有色中层、幻

彩金属涂料喷涂在有色中层上形成的效果层，以及覆

盖在效果层上的保护层。

保护层为纳米氟碳漆；幻彩金属涂料由浆料、幻

彩金属粉以及氟碳纳米树脂组成。

2.1 幻彩金属涂料制作工艺

依次加入二甲苯、醋酸丁酯、20%CAB 到分散机

中进行分散，分散时间 5~10min，直到完全透明无颗

粒状；

添加 432、904、912、6500、201p 到分散机中

进行高速分散制得浆料；

将幻彩金属粉缓慢加入制得的浆料中，控制转速

不高于 900r/min，分散时间 5~10min；

所有原料完全分散后，加入氟碳纳米树脂搅拌均

匀，得到幻彩金属涂料。

2.2 主要技术参数

温度控制在 25℃；相对湿度为 40%~60%；黏度

控制在 90KU；混合时间在 1~1.5h 之内，主要材料组

成分见表 1。

3 产品检测主要技术指标

产品检测主要技术指标见表 2。检测依据为 GB/

T9755-2014《合成树脂乳液外墙涂料》和 GB18582-

2020《建筑用墙面涂料中有害物质限量》。

表 2 产品检测主要技术指标

序号 项目 技术要求

1 容器中状态 无硬块，搅拌后呈均匀状态

2 施工性 刷涂二道无障碍

3 低温稳定性 不变质

4 涂膜外观 正常

5 干燥时间（表干），h ≤2

6 耐沾污性，% ≤20

7 耐洗刷性（2000次） 涂膜未损坏

8 耐碱性（48h） 无异常

9 耐水性（96h） 无异常

10 涂层耐温变性（3次循环） 无异常

11 透水性，mL ≤1.4

12 耐沾污性，级 ≤2

13 耐人工气候老化性 250h不起泡、不剥落、无裂纹，

粉化≤1级，变色≤2级

14 VOC含量，g/L 120

15 甲醛含量 ≤50

4 幻彩金属贴面石制作工艺及主要技

术参数

4.1 幻彩金属贴面石制作工艺

基材处理：对以聚酯纤维为主要材料的定制基材

进行充分清洁、平整、干燥处理，然后使用优质抗裂

封闭底漆全面均匀地涂刷在基材表面，并静置干燥。

涂覆弹性涂层：待优质抗裂封闭底漆完全干燥后，

在其表面辊涂弹性涂层，该弹性涂层以聚合丙烯酸弹

性乳液为成膜物质制成。

涂覆有色中层：待所述弹性涂层完全干燥后，在

其表面辊涂一道均匀的彩色底漆，形成有色中层。

喷效果涂层：待所述有色中层完全干燥后，在其

表面连续均匀喷涂幻彩金属涂料，形成效果层。

涂覆保护层：待所述效果层完全干燥后，在其表

面喷涂纳米氟碳漆，形成保护层，一般喷涂两遍。

4.2 幻彩金属贴面石施工主要技术参数

基材处理过程中，清洁时使用 pH=8 的清洁剂，

并保持环境湿度在 40%~60%；封闭底漆一般控制在

0.15kg/m2 左右。

涂覆弹性涂层过程中，需控制涂层厚度，避免浪

表 1 主要材料组成分

序号 材料名称 用量，%质量分数

1 二甲苯 20~28

2 醋酸丁酯 8~15

3 20%CAB 7~9

4 432 0.6~0.8

5 912 0.6~0.8

6 6500 0.6~1.0

7 201p 2.0

8 904 0.4~1.0

9 幻彩金属粉 10~15

10 氟碳纳米树脂 45~59

11 其他 —

江苏涂料 2023-06

幻彩金属贴面石制作方法的研究 109 民用涂料技术

Civil Coatings Technology

费材料，一般在 1.2mm 左右。

有色中层厚度一般控制在 0.15mm 左右，效果层

一般控制在 0.2mm 左右，保护层一般控制在 0.1mm

左右。

5 幻彩金属贴面石主要施工工艺

► 根据项目要求，在专用的切割设备上按规定尺寸、

要求进行切割并标记；

► 施工墙面基层处理；

► 画分隔线；

► 批刮专用粘结剂；

► 贴片

6 产品特征及效果

性价比高：与金属装饰材料相比，造价只有其

35%~45% 左右。

材料轻质：相比金属装饰材料，贴面石大大减轻

墙体负担，符合未来发展方向。

施工周期及质量：相比常规外墙涂料的施工周期

长，受环境因素影响大的现场，贴片产品能大大减少

现场施工时间，一定程度上节约人工成本。且在工厂

进行批量生产能有效提高产品质量和稳定性，并减少

因不同施工人员施工而造成的施工质量差异性和色差

等人员质量因素影响。

材料用量：常规外墙施工基本上都会出现产品流

挂，掉落等现场，贴片产品因批量生产在一定程度上

能降低材料的损耗率。

高仿真性：花纹及颗粒大小可根据客户需要定

制，产品具备 3D 立体感，给客户选择的余地更大。

节能环保：产品代替金属装饰材料减少资源开

发，起到保护环境的作用。

7 结束语

幻彩金属贴面石是一种全新的装饰性外墙涂料，

具有性价比高、价格适中、节能环保、维护简单、材

质轻和寿命长等特点，同时具备与金属装饰材料相当

的装饰效果，在当前国家提倡“节能环保、保护资源”

的口号下应该会有很好的发展空间。