汽车涂料的现状及发展方向

wucaituzhuang

1 汽车涂料的现状
　　汽车涂料系指各种类型汽车在制造过程中涂装线上使用的涂料以及汽车维修使用的修补涂料。汽车涂料品种多、用量大、性能要求高、涂装工艺特殊，已经发展成为一大类专用涂料。在汽车工业发达的国家，汽车涂料的产量占涂料总产量的20％。汽车涂料是工业涂料中技术含量高、附加值高的品种，它代表着一个国家涂料工业的技术水平。主要品种有：汽车底漆、汽车面漆、罩光清漆、汽车中间层涂料、汽车修补漆。
　　我国汽车工业起步于20世纪50年代，在1956年7月第一辆“解放”牌汽车下线之前我国只有汽车修配业，所用涂料是以汽车喷漆为主的修补涂料。在一汽建设过程中原化工部从前苏联引进了成套汽车用涂料的制造技术，由天津永明漆厂按引进技术为一汽配套生产了醇酸树脂底漆和面漆、硝基漆和沥青漆三个系列的载重汽车用涂料。20世纪60—70年代原化工部又组织原化工部涂料工业研究所开发了出口卡车用高氨基瓷漆和”红旗”轿车用的成套涂料，到20世纪80年代初北京、沈阳油漆厂从奥地利和日本引进了阴极电泳漆与聚酯中涂、高氨基面漆配套的汽车涂料投产应用；与此同时国内自己开发的快干型合成树脂涂料，替代了汽车底盘和车下部件用硝基漆和沥青漆，常州涂料化工研究院和天津油漆厂等开发的阴极电泳涂料应用在卡车和农用车的领域，由于价位低，性能也不比引进产品逊色，具有较强的竞争力，占具一定的市场份额，使我国汽车用涂料全面实现了更新换代。2o世纪80年代末，随着我国轿车工业的兴起，轿车用涂料的市场吸引了国内外众多的汽车涂料厂商，使我国汽车涂料质量迈上了一个新档次，接近了国际水平。
　　随着涂层质量要求不断地提高、产量的增加、涂装技术和合成化学工业的进步，使用环境和环保要求的变化，世界汽车用涂料在近百年中已实现了四次大的更新换代：油性漆一硝基漆(汽车喷漆)一以醇酸和酚醛为主的合成树脂涂料一电泳涂料和优质合成树脂(环氧、氨基醇酸、丙烯酸、聚酯、聚氨酯等)涂料一环保型(即低voc)涂料等。
　　目前国内汽车底漆普遍用阴极电泳漆，只在客车及部分载货车上还采有醇酸类、酚醛类或环氧类底漆。阴极电泳漆在耐腐蚀方面基本能满足需求，但在耐候性、低温烘烤型、中厚膜型以及更低溶剂含量、无铅、无锡等新型阴极电泳漆方面还有待开发。国内汽车面漆常用的本色漆有氨基醇酸型、丙烯酸型、聚酯型及聚氨酯型。金属闪光漆以丙烯酸型为主。面漆今后发展的方向是耐划伤、耐酸雨面漆及水性、高固体分、粉末等环保型涂料品种。轿车用中涂主要有聚酯型和氨基聚酯型，今后发展方向是抗石击和耐寒性能优良的聚氨酯中涂、水性中涂及粉末中涂，PVC防石击涂料还需向低温烘烤方向努力。　　2 汽车涂料的发展方向
　　汽车涂装，尤其是轿车涂装要求具有优异的装饰性能和防腐蚀性能。由于市场竞争的日趋激烈，各大汽车厂为追求汽车表面的鲜艳夺目，都在涂装方面竭尽全力，纷纷选择最新的涂装材料，因此轿车用涂料代表了涂料的最高水平和发展方向。同时，随着时代的进步，人们的环保意识越来越强，工业环保要求也越来越高，对于汽车涂料行业，在涂装过程中使用的挥发性有机物的排放已经有了严格的要求。欧洲1994年提出的《溶剂控制指令——汽车涂装过程排放限制》就明确规定了轿车涂装线有机溶剂排放量(包括底漆、中涂漆、面漆涂装)不得高于45g/m2；德国对挥发性有机物的排放要求更为严格，排放标准为不得高于 35g/m2，世界各国对汽车涂料的环保功能的要求越来越高。
　　从涂料的发展方向上看，为适应环保要求，国内外都在积极开发和利用“节能源、省资源、低污染、高效率”的涂料品种，即国际上流行的“四E”原则 (Economy、Efficient、Ecology、Energy)。针对这些要求，涂料生产企业从涂料本身出发进行了大量的研究，开发了水性涂料、粉末涂料、高固体分涂料等一系列新型的不含挥发性有机物或含量很少的涂料，应用到工业生产中使汽车涂装过程达到规定的排放标准。因此，在选择涂装材料和涂装工艺中，对环保型底漆和面漆的研发及其应用应非常重视。既能扮靓车身，又能保护环境的功能涂料是汽车涂装材料的发展方向。
　　 同时，随着纳米工程技术(Nanoscale Science Engineering and Technology，简称NSET)的发展和推广，纳米材料在汽车涂料中应用越来越广泛，使涂料具有特殊的性能，产生了一些特殊用途的涂料。但该领域的研究还刚刚起步，无论是基础研究还是应用研究都有广阔的前景。
　　2．1 底漆
　　底漆采用电泳漆。电泳漆是最早开发的水性涂料，它的主要特点是涂装效率高，经济、安全、污染少，可实现完全自动化管理。目前阴极电泳漆已占绝对优势。作为阴极电泳漆的主流是水性胺化环氧和封闭型异氰酸酯阴极电泳涂料，但其存在着一些重要缺陷：
　　(1)异氰酸酯封闭剂挥发到大气中会造成一定的污染：
　　(2)存在着固化促进剂如铅、锡之类有害重金属的污染；
　　(3)泳透性不足造成经济性下降。
　　对此则采用新型电解活化电泳漆体系加以克服，即采用附着在底材的涂膜成分的电泳进行“水与官能团的不可逆绝缘反应”和“固化官能团的活性化反应”来处置。
　　经过20多年的发展，目前第五代阴极电泳漆己在各大汽车厂的生产线上获得广泛应用。PPG公司开发的第六代产品EC6350已经投放市场，第七代产品开始商业化，实验室己开发成功第八代产品。新代阴极电泳漆的主要特点是：泳透率高、颜基比低、边角覆盖效果好、无铅无锡。
　　 PPG公司开发的第六代产品EC6350，如果用福特盒法测定泳透力，按高度计算Herberts的EC3000和PPG的EC6350均可达到 100％，这样当内腔膜厚达到一定要求时，外表膜厚可减少3mm一4mm，涂料的使用量可以减少12．8％左右。
　　 电泳漆中惰性颜料大大减少，颜基比降低。PPG的EC5，树脂和颜料比可做到10：1，使漆液的流动性更好，降低了沉淀速率，减少颜料絮凝、软泥产生和循环泵的磨损，降低了电泳漆耗用量和原料成本。膜比重一般可以从1.47g/cm3降到1.35g/cm3。
　　无铅、无锡阴极电泳是电泳漆发展过程中的一项重大改进。铅的毒性很强，但在电泳漆的防腐蚀催化、钝化和加速交联等方面有重要作用。要去除铅和性能相似的锡是一个很难的课题，Herberts和PPG公司在这方面位居前列。EC 3000无铅无锡电泳漆己在许多电泳线上使用。PPG的EC6350不含铅、锡，也不含其它重金属，PPG通过改进树脂去除了铅，各种性能试验表明，其性能与含铅电泳漆相比毫不逊色。日本立邦涂料POWER NICS和BASF的CG 310也不含铅，但含锡。
　　 降低电泳漆的烘烤温度可以节省能源和降低加热减量。通常的电泳涂料的烘干温度为l80℃ 、
　　 30min，加热减量高达15％左右。立邦和关西的新一代阴极电泳涂料(Prv一30和KV一10)的烘干温度为160℃、20min，加热减量低到4.5％以下、120℃-140℃固化的电泳漆正在探索中。电泳涂膜加热减量的减少，相对提高了电泳漆的有效利用率和减少了烘干时产生的废气量，使烘干炉的清洁维修工作相对减少。
　　 新一代阴极电泳涂料普遍降低了溶剂含量，从2％一3％降到0.4％ 一0.8％，大大降低了VOC排放。用无机酸代替有机酸可以有效地防止细菌的生成。
　　 双层电泳的开发成功是涂装过程的一次革新。通过二次电泳，可省去中涂层，从而简化了工艺、减少了人员，提高了涂料利用率，进一步提高了车身的抗腐蚀性能，降低了成本。双层电泳工艺如下：
　　 第一层：黑色导电层，其作用是防腐蚀并具有良好的泳透性。
　　 第二层：灰色或彩色电泳漆。主要作用是防石击和抗紫外线造成的涂膜粉化。
　　 Herberts的双层电泳漆EC5000己在汽车零配件厂和个别整车生产线上使用。PPC公司也开发了类似产品，第二层涂膜最厚可达40tma左右。耐候性好的阴极电泳涂料也是人们关注的课题一。供汽车零部件涂装作为底面合一涂层用和两涂层的电泳涂装体系用的阴极电泳漆均具有较好的
　　 耐侯性能。
　　 2．2 中涂漆和面漆
　　 传统的汽车涂装工艺均采用底色漆+溶剂型中涂+罩光清漆。虽然有工艺成熟、质量好、施工方
　　 便等突出优点，但是VOC排放量很大，中涂和面漆的厚度之和约占涂层总厚度的70％-80％，涂料的用量大，是VOC排放的主要来源。一辆表面积80m2左右的普通轿车VOC排放量达10kg左右，平均为125g/m2。.
　　 近年来，随着全球环境质量的日益恶化，一些发达国家纷纷制订了VOC的排放标准，如1995年德国规定为35 g/m2。
　　为了达到标准，各国涂料界都在从事减少环境污染的水性涂料、粉末涂料和高固体分涂料的研究开发。欧洲国家近年来新建的生产线，全部采用了水性中涂和水性底色漆。在北美新的生产线，有的使用水性中涂，也有使用粉末中涂的，金属闪光底色漆则为水性的。欧美国家到2000年底色漆的水性化率达到65％。
　　罩光清漆在欧洲主要的仍是双组份溶剂型清漆，个别生产线开始试用水性清漆和粉末清漆。北美情况相似，但采用粉末清漆的比例高一些。日本由于环保法规要求没有欧美高，水性漆和粉末漆推广较慢。我国的VOC排放尚无法规，国内整车涂装尚无使用水性漆和粉末漆的先例，但上海大众和上海通用等新建的涂装线已经为使用水性涂料做好了准备。

wucaituzhuang

2．3 水性涂料
　　溶剂型金属底色漆是VOC排放的最大来源，占汽车车身涂装各道工序排放总量的50％左右。通常一部轿车需要6kg左右的底色漆，施工用的金属底色漆固体分只有15％左右，溶剂含量高达85％。如改为水性涂料，VOC排放量可减少80％ 以上。如果车身涂装全部采用水性涂料，VOC排放量可以降到27g/m2。
　　由于水和溶剂在性能上有较大差别，水性涂料在涂装时涂膜易出弊病。如水的表面张力大，颜料分散性差，难以获得高装饰性和耐蚀性好的涂膜性能；水的腐蚀性大，需改造或新建喷涂线；水的比热大，难挥发，要求涂装环境的温度和湿度严格控制在规定的范围内；一般不能与溶剂型涂料通用烘干室。为适应环境保护的要求，欧美各国经过20多年攻关研究，汽车用水性涂料的涂膜性能和施工性能都得到了根本的改善。
　　 水性中涂漆的特点是施工固体分高，烘烤温度低，漆膜性能可与传统溶剂型中涂漆相当，抗石击性能优于溶剂型中涂漆膜。
　　现有的水性底色漆主要有水性丙烯酸氨基漆和水性聚氨酯漆两种。由于水不能像溶剂那样快速挥发，因此水性底色漆铝粉的定位控制是水性底色漆的技术关键。目前的水性金属底色漆的定向性能已经优于一般的溶剂型底色漆，闪光效果更好，水性底色漆可与溶剂型罩光清漆、水性清漆和粉末清漆配套使用。
　　 水性罩光漆是20世纪90年**发出的环保型水性涂料，价格较高，性能有待提高，目前尚未被广泛应用。
　　 迄今为止，水性涂料一般仍含有2％ 一15％ 的有机溶剂，施工时对环境仍有一定程度的污染。开发无溶剂水性涂料成为涂料厂商未来的主要课题。
　　 2．4 粉末涂料
　　粉末涂料自20世纪60年**发以来，由于其卓越的环境效应和节能、高效、低成本等原因成为一般金属表面涂装的首选材料。专家们预测到2010年粉末涂料仅次于水性涂料，占世界工业用涂料总量增到20％。1993年美国**资助，由通用、福特和克莱斯特三大汽车公司携手设立了“低VOC涂料联合研究会”，进行共同研究开发。
　　 现今专家们普遍公认VOC排出量最少的轿车车身涂装体系为：阴极电泳底漆、粉末中涂、水性底色漆(金属闪光色或本色)和粉末罩光清漆。
　　 但由于粉末涂料的抗紫外线能力和耐候性较差，在汽车涂装，尤其是整车涂装方面的应用较晚。汽车用粉末涂料有环氧／聚酯混合型、聚酯、聚氨酯和丙烯酸等类型。
　　 1990年底部分汽车零部件上喷涂粉末涂料获得成功。随着技术的日趋完善和粉末涂料性能的提高，现已完全能满足轿车涂装的各项要求，如外观装饰性、耐候性、耐化学性、抗划伤性、抗紫外线性等。
　　 1994年第一辆粉末涂装汽车下线，1998年初第二条汽车粉末涂装生产线投产，并且日产达1000辆。欧洲的宝马车和“SMART”车全部采用了粉末涂装，北美主要使用粉末中涂。
　　 国内除个别零件外，整车尚无使用先例。粉末涂料是VOC排放量最低的涂料之一。宝马公司采用粉末罩光清漆后，每辆轿车可以节省溶剂lkg－1.5kg。
　　 由于技术的限制，目前汽车用粉末涂料只是单色漆系列，如中涂和清漆，这是由于粉末涂料不能像溶剂型涂料那样可以迅速换色。今后，汽车用粉末涂料的发展，将在进一步提高耐候性、抗紫外线性、低温化、薄膜化和提高装饰性方面努力。
　　2．5 高固体分涂料
　　水性涂料与粉末涂料对设备都有专门的要求，投资大，且操作施工比较困难，在使用溶剂型涂料的生产线上均无法直接使用。高固体分涂料由于其施工性能及所需的施工条件与现有溶剂型涂料基本相同，原有的涂装线不需进行大的改造就可以使用。因此，为了降低VOC的排放，适应环保要求，许多汽车厂开始使用高固体分的涂料。
　　 高固体分涂料采用低黏度的聚酯、丙烯酸树脂，以及高固体分的氨基树脂，最高的施工固体分可大于6o％，更多的是使用施工固体分比传统的高出1O％一2o％的涂料，溶剂的挥发量可减少1／3以上。
　　 在汽车用单色面漆、罩光清漆、塑料专用涂料和修补用涂料等方面应用相当广泛。
　　由于高固体分涂料采用低黏度树脂，易产生流挂，施工不便，为保证漆膜厚度又要防止其产生流挂，必须采用各种助剂来改变涂料的流平性，如气相二氧化硅、有机膨润土、氢化蓖麻油，以及SCA、Mircrogel等，方可获得优异的抗流挂性能和漆膜外观。另一方面，由于高固体分氨基树脂醚化度高，聚合度低，交联活性低，自聚反应少，其固化过程不易控制，可能会影响漆膜性能。
　　 因此固化过程控制和流挂控制是高固体分涂料的两大技术关键。
　　2．6 PVC涂料
　　 PVC涂料是以聚氯乙烯树脂为主要的塑料溶胶涂料，属无溶剂涂料，固化规范为140℃／10min-
　　 15min或随中涂、面漆一道烘干，用于填密缝隙用密封胶和底部喷胶，其主要作用是提高车身的密封舒适性和车身底板的耐腐蚀性和抗石击性。
　　 PVC涂料的主要发展方向是低密度化，已经投入实际应用的PVC涂料的比重由1.4g/cm3降到0.8g/cm3大大降低了整车PVC涂料的用量，从而降低成本，减轻车重；其次是提高其与中涂、面漆的相容性。
　　2．7 纳米技术在汽车涂料中的应用
　　由于纳米技术的发展，将对汽车面漆产生重要的影响，例如超细尼龙粉用于汽车面漆中，可改善其耐擦伤性并提高硬度。纳米颗粒分散于有机聚合物骨架中时，可用作承受负载的填料，它的大表面积与骨架材料相互作用，可提高材料的韧性和其它力学性能。如将10％的纳米级二氧化钛粒子完全分散于树脂中，能提高耐擦伤性等，并增强外观，因此，可用于制造汽车面漆。
　　汽车烤漆的剥落与老化，是造成汽车美观程度变差的主要因素，其中又以老化最为棘手。影响烤漆老化的因素很多，但最关键的当属太阳光中的紫外线．因为紫外线会引起涂层中主要成膜物质的分子链断裂，形成非常活泼的游离基，这些游离基进一步引起整个主要成膜物质分子链的分解，最后导致涂层老化变质。将具有较强的紫外线反射特性的粉体型纳米二氧化钛，按一定比例加到汽车面漆中，可有效地掩蔽紫外线，使涂层免遭紫外线损害，从而提高涂层的抗老化性。纳米二氧化钛对紫外线的屏蔽以散射为主，粒径是影响散射能力的重要因素之一。对紫外线的散射效果最佳的粒径在65nm-13Onm之间。这样的材料还有纳米氧化锌、纳米二氧化硅、纳米氧化镁和纳米高岭土等。
　　纳米材料的光学效应随粒径而变，例如其颜色会随其粒径而变，粒径越小，其颜色越深，尤其是纳米金红石型二氧化钛具有随角度变色效应，在汽车面漆上具有特殊的使用价值。如将纳米二氧化钛加到汽车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富且变幻莫测的色彩效果，如与闪光铝粉或云母珠光颜料并用于汽车面漆中，能增加其金属面漆颜色的丰满度。　　 3 结语
　　未来汽车涂料的发展趋势，一是满足客户对质量和成本的要求，二是降低VOC含量，满足环保要求，致力于研究和开发高科技、环保产品的杜邦公司高性能涂料部在推出环保、创新性产品LE系列和先达利系列产品的同时，扩展分销网络，发展分销商，完善技术培训中心，推广标准调漆店，给用户及经销商提供更多的价值。
　　 今后的汽车面漆还会将安全保护因素考虑进去，例如发展温敏变色涂料和碰撞变色涂料。
　　 温敏变色涂料可随环境变化和温度高低而使颜色改变，如涂有某种温敏变色涂料的车辆，一旦遇到天气阴冷和气温下降时，车身的颜色就会随环境而变。这样司乘人员和交通管理人员易于发现识别，从而避免车祸和交通事故的发生。
　　碰撞变色涂料是为防止汽车碰撞而留下隐患，此汽车面漆内含有微型胶囊，内中装有染料，当涂有这种涂料的汽车一旦其外壳受到碰撞等外力作用时，胶囊就破裂释放出染料，这样所受撞部位颜色立即改变，从而提高人们的注意。而使用这种变色涂料后，可根据变色情况立即对撞伤部位进行修复以消除隐患。