Surface Coatings

1. Surface Coatings ASHOK KUMAR, TARAMATI SHENOY

2. Introduction • Surface Coating的目的為裝飾和（或）保護物品抗破壞或防鏽，且可利用此處理的基底材質相當的廣泛，如金屬、木材、紙或塑膠皆可應用。 • 然而，每一種Surface-coating方式都會導致揮發性有機物（VOCs, Volatile Organic Compounds）或者是其它種類的危險性空氣污染物的排放（HAPs, Hazardous Air Pollutants），且會造成人體器官的傷害。而當這些VOCs排放到大氣中後，會與氮氧化物產生光化學反應而生成臭氧，有就是光化學煙霧的主要組成因素。臭氧是一種刺激性強的物質，且對人體有害，會造成一些人體健康上的問題，所以對於製程中VOC的排放量的計算以及控制便成了相當重要的一環。

3. Introduction • 以下的介紹將分為三個部份： • Surface-coating Operation：Coating的種類、應用以及製程中使用的設備 • 氣體排放在數學上的特性描述 • Surface-coating過程中產生的空氣污染之控制 • 以傳統噴塗坊為例介紹

4. Process Description Surface-coating 製程包含了以下幾個步驟 • Surface Preparation • Application of coatings • Curing the coating

5. Surface Preparation • 功用：可改善coating的表面附著性以及增強對腐蝕的抵抗性 • 使用工業用表面去垢劑和水將工件表面的污垢如灰塵、油脂等去除 • 使用溶劑以及去垢設備（run through degreaser or wiping clean with solvent）去除工件表面的油污（dirt, heavy machine greases, or milling agents） • 使用酸性溶劑清洗工件表面和表面蝕刻以提供coating較佳的表面附著性 • 以鹼性／腐蝕性溶劑處理 • 磷酸化（Phosphating）作為表面轉換製程（Surface Conversion Process） • 使用沙、金屬碎屑或塑膠顆粒作研磨

6. Surface Coating 分為以下三個種類說明 • High-Solids coatings • Water-borne coatings • Powder coatings

7. High-Solid coatings • 此種coating較傳統的coating包含了更多部份由solids產生的製程薄膜，當solid content增加的話，solvent content則減少。因為solids增加的話覆蓋表面積會較傳統的coating更多，因此可減少coating的需求量。

8. Water-Borne Coatings • Water-borne coatings是一種使用水作為溶劑或分散劑的coating方式，且這些coating方式包含了VOCs作為反應溶劑，而VOC的濃度範圍介於5%至40%的總coating重。 • water-borne coatings 有三種基本形式 • water-soluble dispersions(水溶性分佈)：透明、透光(transparent) • water-soluble polymers(水溶性聚合物)：半透明、半透光(translucent) • emulsions(乳狀劑)：不透明、不透光(opaque) • Water-borne的塗料有較高的初始光澤(initial gloss)以及較佳的保護性(weathering properties)，且抗粉塵(chalking)和退色(fade)的能力也較solvent-borne的塗料強，

9. Water-borne的優點 • 減低由火產生的危險(fire hazard) • 毒性(toxicity)較低 • 減低coating過程中VOC的排放 • 降低VOC cleanup

10. Water-borne的缺點 • 工件表面的前處理需求較高 • curing過程需較多的溫濕度控制 • 需使用不鏽鋼的設備(stainless steel application equipment) • 於使用靜電設備時需更加注意 • 需將電源接地以降低突波造成的災害

11. Powder Coatings • Powder coatings由良好且乾燥的塗料粒子構成，且通常其VOC含量低於4%。這些塗料粒子藉由靜電吸附至工件表面並經由烘烤的方式形成一層連續的薄膜。

12. Powder-coatings的優點 • 對於化學物質與磨損的抵抗能力有著著較傳統coating佳的物理性質 • 對於air flow的需求較低 • baking前的準備較簡便 • 過量的powder較容易處置

13. Powder-coatings的缺點 • 成本高 • 形成film的烘烤溫度高 • 移除多餘的powder時有將所有的initial powder移除的可能性

14. Applications of Surface Coating • 在經過表面的處理之後，還可有一至數種的塗佈。第一層的coating提供了對腐蝕的抵抗能力，並可以將表面的暇疵填平，且提供了與上層的coating作結合的一個介面。而最上層的coating則決定了功件的顏色。而下面介紹幾種塗佈方式。

15. Dip Coating • dip coating是一種將工件浸泡入coating槽來作塗佈的一種方法，當浸泡完成後可以將工件以懸臂或者是托盤將多餘的coating液滴回槽中，以達到回收的效果，且此種coating方式可以利用運輸帶來作批次處理，相當的便利。但使用此種方式則需相當注意控制coating液的循環、過濾以及溫度和粘度。

16. Flow Coating • 在flow coating流程中，產品被放置被運輸進入一個封閉的水槽中，之後，會由幫浦將coating液打入，緩慢的流過產品表面，以達到coating的目的，而多餘的coating液則在經過過濾之後再被幫浦打入循環再利用。

17. Electrodeposition(EDP) • 此種coating法則是將工件當作是陰極板或陽極板其中之一，透過浸泡在電解液中來達到coating的目的，而電解液所使用的是水溶性的溶劑，而此種coating法的transfer efficiency一般來說可達到95%。

18. Spray Coating • 此種方法會產生兩個種類的污染物，一為VOCs，另一為微粒造成的污染(Particulate Matter, PM)，PM的多少取決於操作過程的傳輸效率(transfer efficiency)和過慮的效率，而VOCs在此過程中的排放往往較能夠被控制住。 • 在不同的塗佈方式也有著各式各樣不同的應用設備。以汽車噴塗坊為例，air-atomized spray coating被運用在airless spray, electrostatic spray, high-volume low-pressure spray。而為了保護已塗佈的表面免於受到髒污所污染和提供一個well-ventilated area將工作人員與溶劑蒸氣隔開，所以塗料是噴塗到金屬表面上。至於一般我們所重視的傳輸效率，則與噴塗的方法和表面息息相關，相關的數據如Table-8所示。

19. Air-Atomized Spray • 在Air-Atomized Spray中，壓縮氣體與染料混合進入噴霧槍，由噴霧槍噴出來達到塗佈的效果，雖然此種塗佈方式的傳輸效率很低，但由於其在控制上的方便性和良好的表面性，所以仍被廣泛的運用。

20. Airless Spray • 相較於air atomization，airless spray使用的是hydraulic atomization，利用約介於1500~3000 psi的壓力送至噴槍，然後通過出口造成大量壓降達到塗佈的效果。此種方式的優點為可有效率的將塗料塗佈至大面積的表面上。而其缺點如下：1. 高的流體壓力會導致顏料的回流現象，2. 噴嘴尖端的磨損較大，3. 幫浦的壽命會因此而減短。

21. Air-Assisted Airless Spary • 此種塗佈法結合了以上兩種方法的優點，在壓力介於800~1000 psi的狀態下，airless type的流體噴灑出並形成扇形，而此時有另一道介於10~30 psi 的低壓氣流結合了噴灑罩(spray cap)以作扇形的調整來減少 heavy edges。此種方式較airless spray提供了更佳的pattern 調整和加工。在此方法中，減少氣流的壓力可以降低為了抑制染料回彈現象所造成的紊流表面。

22. High-Volume, Low-Pressure (HVLP) Spray • 此種類型的塗佈所需的設備正如其名，使用的是大量體積的低壓氣體來作coating，其使用氣體的壓力大致上介於4~6 psi 之間且氣體在通過atomizing hole的時候是為層流。而atomizing air的過程中會使溫度上升，連帶的影響到了coating的黏滯性的減少。使用此種設備的優點為：1. 增加傳輸效率，2. 工件上塗佈所需的流體較少，3. 降低煙塵，4. 由turbine產生的熱空氣有著較低的黏滯性。而缺點也列於後：1. 高成本，2. 操作介面技術性對於操作員來說較不易熟悉。

23. 其他Coating方式 • 除了以上幾種方式之外還有數種Coating方式 • Flame Spray Coating • Electrostatic Spray • Electrostatic Bell and Disk

24. Curing Of Coatings • 大型烘爐主要被用來作乾燥以及烘烤primer和top-coat applications。而在工業上的使用，則多multibake ovens，在coating過後來作表面的烘乾用。根據不同的coating種類，爐溫約介於200~500℉之間，假若系統中沒有廢氣處理設備，那麼solvent的濃度值有到達爆炸點的可能性，而此溫度稱為lower explosive level (LEL)，LEL的值可由the chemical’s material safety and data sheet (MSDS)中查得。

25. AIR EMISSIONS CHARACTERIZATION • General Coating Calculations

26. AIR EMISSIONS CHARACTERIZATION • Density of Coating

27. AIR EMISSIONS CHARACTERIZATION • Actual Emissions of VOCs

28. AIR POLLUTION CONTROL MEASURES • 加裝空氣污染控制設備的控制效率

29. AIR POLLUTION CONTROL

30. AIR POLLUTION CONTROL

31. AIR POLLUTION CONTROL

32. AIR POLLUTION CONTROL

33. AIR POLLUTION CONTROL

34. AIR POLLUTION CONTROL

35. PAINT SPRAY BOOTH DESIGN

36. PAINT SPRAY BOOTH DESIGN

37. PAINT SPRAY BOOTH DESIGN • 整個噴塗坊設施是一個內循環氣流的密閉性空間，而該氣流是為了控制對工件表面塗佈的噴霧設備(The paint spray booth is an enclosed space, which is well ventilated for the purpose of containing the spray application of a surface coating onto a workpiece)

38. PAINT SPRAY BOOTH DESIGN • 且此氣流被反覆的加熱和冷卻然後均勻且以一個最低的速度(at least equal to the applicable OSHA minimum, 60, 100 or 150 ft)通過整個噴塗坊的斷面以降低造成紊流的機會 • 這道氣流的功能便是載運過量的染劑和溶劑蒸氣通過廢氣處理設備且最終排放至大氣中，且此載運過量物的程序在噴塗過程中佔了一個很重要的地位，它可以大大的改善加工物的表面品質，倘若將這道手續自噴塗過程中拿掉的話，那加工物的表面將會粗糙不堪 • 除此之外，對於操作人員工作區域的有毒氣體以及溶劑蒸氣亦有著稀釋的效果，以降低對人體的危害性以及引發火災的風險性。

39. PAINT SPRAY BOOTH DESIGN • 一般來說，噴塗坊中的氣流方向有兩種，一為橫向流動(side draft)，一為垂直方向(down draft) • 在橫向流這種情況中，乾淨的空氣由側面進入，通過工作區域到達另一端並離開 • 而在垂直方向中，乾淨空氣由天花板進氣，一樣地，通過工作區域到達以柵欄狀構成的地板離開 • 在此兩種方法中，往往會使用到diffuser grill或者是filter section來使這道乾淨的氣流形成層流狀態進入工作區域

40. PAINT SPRAY BOOTH DESIGN • down draft booth最大的優點為其可利用重力效應，但其缺點就是造價昂貴以及設備的安裝不易，其主要的應用在大形機具如車輛、飛機、卡車等 • side draft booth傳統上是被運用在較小型的物品上如家具之類

41. PAINT SPRAY BOOTH DESIGN • 噴塗坊的大小主要是由操作員的操作空間加上最大工件的體積所決定，而對流氣體的量主則是與噴塗坊體積成比例的關係。而air spray booth除了噴塗設備外還會有空氣污染控制的設備，因為噴塗坊並沒有辦法將所有的VOCs完全的補捉，且有可能在批次生產後的乾燥過程中仍會有VOCs的排放，故空污控制設備的使用仍是必需的。

42. 報告完畢