可持续性已成为全球范围内的一个关键问题。虽然具体的解释和影响很复杂，利益相关者之间可能有所不同，但大多数人都同意，可持续性需要通过环境管理、社会责任和经济增长创造价值——无论是现在还是未来几代人。可持续性包括做出平衡的选择，寻求对社区、国家、企业和世界最有利的解决方案。生命周期评估(LCA)等严格的工具对于产生洞察力和促进对环境效益、负担和权衡的更全面理解至关重要。生命周期方法对各级决策者和利益相关者都有帮助。

全球整车厂的汽车喷漆车间业务经历了重大的监管变化¹在过去的30年里。关于环境问题的争论最初集中在VOC排放和相关的空气质量问题上。许多地区都制定了控制VOC排放的法规，而达到性能标准的技术却没有开放。欧洲oem采用了水性(WB)底漆技术，以替代传统的低固体溶剂型(LSSB)技术，以帮助满足日益严格的VOC标准。为了满足当地空气质量法规的要求，每个油漆车间的VOC减排技术(如再生热氧化)的要求程度各不相同。WB底漆技术已经帮助一些设施减少或消除了减排的需要。^2、3

近年来，现代涂料车间开始转向紧凑的涂料工艺-可在高固体溶剂(HSSB)和WB配置。据称，紧凑型涂料工艺相对于传统的合成SB和WB工艺可显著降低能源消耗。

中国目前是汽车制造业巨大增长潜力的焦点。2012年，中国OEM油漆车间的监管情况发生了重大变化，当时工业和信息化部(MIIT)颁布了规定，要求所有新的乘用车油漆车间使用WB底漆技术。⁴2013年，国家发展改革委员会(NDRC)讨论了对油漆车间排放的VOC进行全国限制。限制和方法都类似于欧洲的立场，即在不强制要求技术的情况下设定排放限制。中国的排放限制可能会发展到比欧洲目前的限制更严格的程度⁵35克VOC/m²．中国公众对环境问题的日益关注是一个重大问题。油漆车间最突出的环境问题通常是VOC排放(影响当地烟雾和气味)和能源消耗(影响温室气体排放和自然资源消耗，包括能源和水资源)。

LCA是一个非常适合评估不同油漆车间技术选择的环境问题的工具。福特汽车公司，⁶巴斯夫⁷和Dürr近年来提出了LCA结果，认为与WB技术相比，HSSB技术可以满足现代VOC法规，减少能源使用和温室气体(GHG)影响。为了进一步深入了解并证实之前的行业研究，伊士曼发起了一项独立的LCA研究，比较了五家主要OEM汽车涂装车间配置的相对环境性能。

汽车油漆和油漆车间基础知识

为了方便不熟悉这个主题的读者，这里总结了油漆车间技术的基础知识。

汽车的非涂层焊接车身，包括车门、引擎盖、甲板或后备箱盖，被称为白车身(BiW)或外壳车身。白车身还没有收到任何内饰、底盘或传动系统组件，将从焊接车间运送到油漆车间，首先进行清洁以清除污垢、油污和其他污染物，最后进行涂层或喷漆。

传统的汽车涂料由四层组成:电泳层、底漆(又称表面)、底漆和清漆。每一层都有一个目的(图1)，每一层都有独特的公式。例如，底漆配方由溶剂、树脂、流变性改良剂、颜料和其他添加剂组成。溶剂可以包括有机物和/或水。应该注意的是，目前的WB涂料至少含有一些有机溶剂，典型溶剂含量为10-16%⁸在WB底漆配方中按重量计算。底漆和底漆层可以是SB或WB。目前绝大多数的透明涂料是SB，并可在1K或2K树脂化学。

在本报告中，LSSB指的是固体含量低于30%的SB底漆。HSSB是指固体含量超过40%的SB底漆，WBBC是指固体含量通常为18-24%的WB底漆。⁸对于透明涂层，术语1K和2K在汽车行业中很常见。1K透明涂层通常是可以与树脂和交联剂一起运往汽车OEM的材料。188金宝搏bet官网2K透明涂料通常指的是一种涂料系统，其中树脂和交联剂必须分开运输，只有在准备应用于车身时才混合在一起。2K系统的一个典型例子是羟基功能树脂与多异氰酸酯反应形成氨基甲酸酯交联涂层。⁸

图2是一个高度简化的原理图，总结了整个涂料系统在油漆车间的应用和固化。传统工艺记为3 Coat - 2 Bake (3C2B)，表示一个工艺包含三个涂层步骤和两个烘烤步骤。紧凑工艺类似地表示为3涂层- 1烘烤(3C1B)工艺。

紧凑工艺利用湿对湿对湿(3-湿)的底漆、底漆和清漆层的应用;然而，底漆层和底漆层通常被称为B1层和B2层。3C1B和3C2B之间的一个关键区别是紧凑的工艺消除了对底漆固化烤箱的要求。在当前的3C1B技术中，HSSB技术(记为3C1B- sb - 1k)通常比WB紧凑技术提供更低的资本投资和运营成本。

每一层的溶剂选择影响闪光的要求。WB层需要加热闪光，而SB层可以在环境条件下闪光。e涂层单元由输送机通过带有机器人施药器、闪光区和固化炉的气候控制喷涂室移动。净化系统包括洗涤器、浓缩器和再生热氧化器等设备。

已有的研究

在决定做LCA时，伊士曼搜索了文献和现有的LCA数据库。除了之前引用的Ford和BASF/Dürr的介绍外，没有找到关于汽车涂料或油漆车间工艺的LCA的论文。

伊士曼可以访问涂料数据库⁹在GaBi LCA软件中，它包含了一个带有2K clearcoat的3C2B水上场景的聚合生命周期库存数据集。虽然数据集反映了德国的地理位置，只考虑了单一的技术场景，但它提供了一个大致的基准。

此外，国家制造科学中心(NCMS)发布了一个基于Excel的LCA工具，称为“涂料顾问”。¹⁰该项目由美国环保署资助，汽车OEM、供应商和学者都参与了该项目。Excel模型旨在为汽车OEM油漆车间计算从摇篮到大门的温室气体和VOC库存。该工具具有健壮的体系结构，但主要由占位符数据填充。

缺乏质量数据是伊士曼进行LCA的主要障碍，因此伊士曼聘请了IHS汽车工业解决方案公司作为顾问，提供具有代表性的行业数据。IHS的数据被编译成一个Excel电子表格，伊士曼在此基础上添加了GHG和VOC的LCA计算。

目标

目标和范围

伊士曼研究的目标是完成OEM汽车涂料的独立生命周期评估，重点关注五种技术系统在温室气体影响和VOC排放方面的相对差异。底漆技术的选择是技术选项中的一个关键变量。研究中的技术代表了2013年商业化的主要技术。这项研究的目标是比较一般类别的技术，以帮助理解和决策。这项研究并不打算在特定的供应商、原始设备制造商或技术提供商之间进行详细的比较。进行这项研究的原因是为伊士曼战略提供信息，更好地理解技术之间的差异，并与外部合作伙伴和利益相关者沟通见解。

所研究的系统是生产涂层材料并将其应用于标准汽车表面。188金宝搏bet官网生命周期的边界是从摇篮到成品汽车涂料，包括原材料的生产，涂料的配方，以及涂料在油漆车间的应用和固化。188金宝搏bet官网基材的制造生命周期(无涂层的白色车身单元)不包括在内。范围仅包括涂装系统及相关操作。油漆车间边界包括所有辅助系统，如油漆厨房，手动区，通风系统等。减排系统反映典型的设计推荐的IHS汽车。除特别注明外，废物处理包括在内。油漆车间无组织排放包括在内。SB吹扫溶剂(用于漂洗、清洗等)假定在闭环系统中回收。由于数据不足，且每辆车的吹扫溶剂用量较小(吹扫溶剂多用于材料更换期间)，场外第三方溶剂回收工艺不在研究范围内。 The study aims to evaluate representative configurations for each scenario; however, it is not intended to reflect any exact OEM or supplier design preferences or technologies.

对于VOC分析，范围仅限于油漆车间(即，门到门)。这是因为希望将油漆车间的VOC排放与潜在的监管限制进行比较。

表1显示了调查的五个场景。用于评估的系统边界如图3所示。

功能单元与设计基础

本研究的功能单元为涂层车身，其表面积如表2所示。每一层涂层都应用于特定的表面区域。该车被假定为紧凑型C级乘用车(即福特福克斯、本田思域或同等车型)，具有标准的涂装外观和功能质量要求。每个场景都是为满足这些功能需求而设计的。根据IHS的说法，C类车辆涂料的功能要求在所有场景下都是等效的。

每个场景都假设有一个世界级的生产设施，年产量为25万辆，采用两班制生产。所有场景都假设在中国重庆的绿地安装，使用2005年至2013年间安装的油漆车间代表的最先进技术。IHS和伊士曼尽最大努力标准化潜在的oem特定设计变量(例如，偏好、海拔、气候等)，以便在技术之间进行直接比较。

方法

LCA标准

本研究采用以下LCA标准进行指导:

• ISO 14044:2006
• 温室气体协议产品生命周期核算和报告标准(2011年)。

数据收集和质量

数据收集是伊士曼公司和IHS公司的合作成果。伊士曼员工开发模型涂料配方的基础上，文献来源和技术专长。IHS利用其汽车和化学品团队的能力，与汽车制造商、油漆车间涂装供应商、汽车涂料供应商、自动化和制造供应商、排放专家和公共领域资源(许可证等)合作，收集有代表性的油漆车间数据，并验证伊士曼提供的模型涂料配方。数据集经过多轮验证和修订，得到了仔细的审查和完善。数据的质量被认为是非常高的，并代表了当前的行业实践。

从GaBi软件提供的数据库中收集了用于制造油漆的成分的温室气体影响数据。这些主要依赖于PE-GaBi 2011和Ecoinvent 2.2数据库的数据。醋酸纤维素丁酸、EEP、乙二醇醚、异戊二酸、MIBK、丁醇、新戊二醇和乙酸丁酯的LCA数据来自现有的伊士曼LCA研究。在某些情况下，特别是对于树脂，有必要使用基于工程判断的代理。

根据美国涂料协会提供的nms涂料顾问提供的数据，收集了涂料配方中研磨和混合成分的能源使用情况。

完整性

伊士曼力争将所有相关流程纳入LCA研究。为了可行性，有时有必要排除不重要的流。据估计，至少95%的质量输入被包括在内。本研究的全球变暖潜势(GWP)结果主要由油漆车间的电力和天然气消耗所主导，这是完全包括在内的。

排除在外的材料和服务，除了188金宝搏bet官网对全球变暖潜能值影响和VOC排放的影响不显著外，合理地假设五种油漆车间技术之间是等效的。因此，它们不会影响本研究目标的相对比较。不包括的材料和服务188金宝搏bet官网包括:

• 供应和处理消耗品(如过滤器、展位化学品、容器等);
• 涂装车间废水处理;
• 运输材料到油漆车间和配方;188金宝搏bet官网
• 处置油漆污泥(根据市场需求，油漆污泥可被填埋或作为副产品出售，无论哪种方式，预计对所研究的方案的影响相当且最小);
• 基础设施和资本货物。

分配

本研究未进行分配。一些源数据来自已发表的生命周期库存数据库(如ecoinvent和PE-GaBi)，并被接受为已发表。

影响评估

2013年，与汽车涂装车间系统最相关的问题是VOC排放和温室气体影响。因此，本研究的重点是这些问题。

温室气体的影响是根据政府间气候变化专门委员会发布的特征因子，根据100年全球变暖潜力进行评估的。¹⁰结果报告为CO₂等价物(有限公司₂Eq)每个汽车涂层。在不那么专业的术语中，一个系统的净全球变暖潜能值影响通常被称为“碳足迹”。

VOC排放量表示为生命周期库存流向大气的总VOC。我们不会追踪个别挥发性有机化合物的化学特性。

排放的因素

与电力消耗相关的温室气体影响基于PE-GaBi 2011数据库过程“中国:电网结构”，该数据库反映了中国电网的假设(78%的煤炭，16%的水电，2%的核能，1%的风能和太阳能)。GWP系数为1.001 kg CO₂每千瓦时。这包括燃料的提取、生产和运输以及废物管理等。

与天然气生产和燃烧产生热能相关的温室气体影响基于PE-GaBi 2012数据库流程“CN:天然气热能”，该流程也反映了中国地区的情况。GWP因子为0.0704 Kg CO₂每MJ LHV的eq。这包括天然气供应链中的萃取、净化、压缩等环节。

评论

伊士曼涂料技术和生命周期评估专家进行了内部关键审查。由于比较结果旨在公开披露，因此根据ISO 14040和14044 LCA标准的要求，由独立专家小组进行了正式的批判性审查。关键审查小组由中国北方投资咨询有限公司担任主席。

VOC和薄膜建立模型参数

伊士曼提供的过程数据是从内部和外部编译的^{1, 8}根据表3中的“目标”列，来源和假设薄膜构建，固体%和VOC含量。所有的温室气体计算都是基于目标条件。伊士曼在敏感性研究中使用了低值和高值，以及减弱和未减弱的情况，以了解在一系列合理可能的情况下VOC的影响。

结果与分析

温室气体影响结果

全球变暖潜势(GWP)生命周期影响评估计算结果如图4-8所示。图4显示了整个涂装系统的全球变暖潜能值对比，包括成分生产、涂料配方和OEM涂装车间操作。标记为“PE-GaBi基准”的点反映了PE-GaBi数据点，它为3C2B-WB-2K情况提供了额外的基准。

图4中有两个主要的观察结果。首先，现代、紧凑的高固体合成SB工艺(3C1B-SB-1K)是所有技术中全球变暖潜能值最低的，包括紧凑的WB工艺。第二，每种技术对全球变暖潜能值的影响主要由油漆车间的操作决定。与涂料材料生产相关的全球变暖潜能值影响要小得多。188金宝搏bet官网

图5和图6显示了油漆车间GWP影响的细分过程。这些数字中没有显示油漆车间的油漆材料的生产和供应，以便只关注油漆车间的188金宝搏bet官网运营。图5是IHS提供的28个流程部分的细分。图6展示了每一种情景下的全球变暖能量影响，并将其归纳为五个过程类别，这与福特展示其温室气体结果的方式更为一致。

3C1B-SB-1K的相对GWP优势主要是由于两个因素。

喷漆柜:3C1B-SB-1K具有最高的固体含量，这减少了在喷雾室中喷涂时的电力需求，因为喷雾室的整体长度较短。相反，3C2B-LSSB-1K由于固体含量低而明显处于不利地位，因为它需要更多的油漆，更多的喷涂，更长的隔间才能达到所需的涂层膜厚度。

加热:SB工艺使用环境闪光，而WB工艺需要加热闪光。这导致WB系统需要大量的能源来加热和冷却车身。紧凑型3C1B-WB-2K外壳需要两个加热闪光区(一个在B1层之后，一个在B2层之后)。

SB和WB紧凑工艺的优点是取消了底火烘箱(即使3C1B-WB-2K的底火烘箱被加热闪光所取代)，并且与3C2B工艺相比，进一步的优点是缩短了整个展位长度。

图7显示了不同能源对全球变暖潜能值的影响。与油漆车间相关的全球变暖潜能值主要是由于天然气的现场燃烧和场外发电。VOC在减排设备中的现场燃烧贡献不大。

图8显示了伊士曼的研究与福特和巴斯夫之前引用的碳足迹结果的比较/Dürr。这三条线是标准化的，以关注相对的趋势。通过乘以一个数据源(福特或巴斯夫/杜尔)的所有场景下的平均全球变暖潜能值，再除以伊士曼研究中所有场景下的平均全球变暖潜能值，将结果归一化为伊士曼的值。

由于单位和面积基数未知，绝对值无法直接比较。这些未知因素也增加了相对比较的不确定性。考虑到这一点，标准化趋势非常一致，并支持3C1B-SB-1K具有最低的全球变暖潜能值影响这一结论。

VOC的结果

针对目标材料和应用条件，油漆车间VOC排放量如图9所示。IHS建模的每个技术场景都是基于标准车间设计，包括减排系统。所有的场景都能满足欧洲35克VOC/m的限制²完全减少溶剂喷射区和烤箱。VOC排放的捕获和销毁效率根据展台空气流动的复杂性而有所不同。

根据研究的目标和范围，这些结果仅适用于油漆车间边界内的活动。由于缺乏数据，为了使结果与监管限制具有可比性，与油漆材料生产相关的VOC排放不包括在内。敏感性分析表明，涂料材料的生产产生的VOC排放量相对较小。

图9的堆叠列中的颜色顺序与图例中的顺序相对应。表面漆(底漆)、底漆和清漆喷涂区向大气排放的VOC占绝大多数。底涂层加热闪光对WB案件也有重要贡献。

根据表3中的值，进行了敏感性研究，以调查通过改变薄膜构建、涂料VOC含量和固体百分比，VOC性能将如何变化。还进行了一个案例研究，以完全消除所有场景下的VOC减排。灵敏度结果如图10和11所示。图10显示了减弱的情况，这是LCA的默认基础。蓝色条对应于图9中所示的表3目标条件的总数。黑点表示通过改变薄膜结构、固体百分比和涂料VOC含量所达到的预期最小和最大VOC排放量。下面的点表示在表3中最低的预期薄膜构建中应用的最高固体涂层。较高的圆点表示在表3中最高的预期薄膜构建中应用的最低固体涂层，因此试图包含每个场景的预期VOC排放的正常范围。

在所有WB情况下，在灵敏度分析中，电泳和透明涂料的排放要么减弱，要么不减弱，而根据美国的标准工业实践，^11、12WB底漆区和WB底漆区直接排到大气中。对于减弱场景中的所有SB涂料(主要，基础和透明)，排放被发送到VOC控制设备进行销毁。在下面的图表中消除了减排系统，假设所有过程中的VOC都排放到大气中。图11表明，由于性能低于35 g/m，所有WB场景都有可能在不降低的情况下运行²是可能的。在世界上的一些地区，这可能是一个有吸引力的低成本选择。3C1B-SB-1K在没有减弱的情况下不能被期望操作。在不进行减排的情况下运行将导致温室气体排放量略微降低(图6)，但由于VOC排放量增加，存在权衡。

图12显示了伊士曼的研究与福特和巴斯夫(Dürr)提供的VOC总量的比较，以及几家汽车原始设备制造商年度环境报告中公布的信息。在每次比较中，确切的涂料材料组成、减排方案和VOC捕获效率尚不清楚，但本研究中使用的一般目标估计值与公布的VOC排放值有很好的相关性。该数据也与之前的研究很好地吻合，并支持3C1B-SB-1K能够在减少温室气体足迹的情况下满足更严格的VOC法规的结论。

主要不确定性和局限性

IHS和伊士曼尽最大努力提供直接比较OEM环境下涂层技术的数据。然而，在实践中，可能会有一些细微的差异，这可能是由于OEM和供应商在基础工业数据中的差异造成的。

由于模型结构的限制，估计全球变暖潜能值结果的不确定性是不可行的。这些计算反映了对代表性情景的最佳估计。根据不确定性的程度，不同情景之间的一些差异可能在统计上不显著。

缺乏关于涂料成分(特别是高级树脂)的准确LCA数据是不确定性的来源。计算出的涂料材料的LCA足迹应解释为近似值。188金宝搏bet官网如图4所示，涂料材料对每种技术的全球变暖潜能值影响相对较低，这一事实减轻了这种不确定性。188金宝搏bet官网对涂料配方和材料的进一步研究不太可能改变这项研究的结论。188金宝搏bet官网

通过将标准化的全球变暖潜能值结果与福特和巴斯夫(Dürr)独立发布的值进行校准，降低了不确定性。

结论

这项研究支持了这样的立场，即现代紧密型高固体度汽车OEM涂料技术可以实现最低的GWP，同时满足欧洲VOC排放限制。由于喷雾室能耗较低，且消除了热闪区，高固相SB紧凑工艺在生命周期GWP影响方面优于WB紧凑工艺。汽车涂料的生命周期全球变暖潜能值的影响主要取决于油漆车间的能源使用。涂料材料生产对全球变暖潜能值的影响不太显著。

所有技术都能够满足当前欧洲监管VOC排放限制35克/米²减轻。如果原始设备制造商选择在世界上的某些地区不使用减排，那么就需要WB技术来满足35 g/m的要求²极限。高固体合成SB技术的低能源需求在降低全球变暖潜能值和降低能源消耗方面提供了环境效益。能源需求的减少除了对温室气体的排放有额外的环境效益。中国对能源的需求很高，而包括水在内的自然资源是有限的。此外，中国的电力生产以煤炭燃烧为主，这可能会因颗粒物、酸性气体和汞的排放而对空气质量产生不利影响，这取决于排放控制的程度。

这项LCA研究支持3C1B-SB-1K技术具有吸引力的可持续性地位，并建议政策制定者和利益相关者考虑。

更多信息，请访问www.eastman.com/coatings．

参考文献

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