汽车涂料是指各种类型汽车、摩托车、农用车等 生产线使用的涂料和汽车修补用涂料 , 广义上还包括 自行车、拖拉机及农机和铁路交通车辆等使用的涂料。由于其用量大、品种多、涂层性能要求高和涂装 施工要求特殊等原因 , 汽车涂料在工业用涂料中已经 成为一种专用涂料。在汽车工业发达国家 , 汽车涂料 的产量占涂料总产量的 20 % 左右。
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 45 g/ 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 35 g/ m2 。
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 较少的涂料 , 应用到工业生产中使汽车涂装过程达到 规定的标准。表 1 列出了这些新型涂料在汽车车身 涂膜中的使用情况。
1 底 漆
目前 , 世界汽车生产中有 92 % 使用电泳涂料 , 其 中 90 % 采用阴极电泳涂料 ( CED) 。 CED 于 1977 年 在福特汽车公司开始应用 , 当时 CED 膜厚度为 20 μ m 左右。 1984 年厚膜阴极电泳涂料在汽车生产企 业开始使用 , 涂膜厚度超过 30 μ m 。之后 , 不少汽车 生产企业又从厚膜阴极电泳涂料转到中厚阴极电泳 涂料 , 漆膜厚度在 25 μ m 左右 , 具有与厚膜阴极电泳 涂膜同样好的耐腐蚀能力。阴极电泳涂料具有优异 的渗透性 , 可均匀覆盖工作凹陷部分 , 并有极强的耐 腐蚀性 , 耐盐雾可达 1 200 h 。
目前 , 国外 CED 已经发展到第 5 代 , 其主要特点 是 :
(1) 低有机助溶剂 ,VOC 含量低于 2 % ;
(2) 高泳透率 , 使车身这样的复杂工件的内外膜 厚度差越来越小 , 当车身外表面膜厚度为 20 μ m 左右时 , 车身内表面膜厚度可达 12 μ m 以上 ;
(3) 膜薄 , 低密度 , 颜料成分减少 , 但不降低防锈 能力 , 从而减少槽液的沉淀 , 材料用料减少 , 降低了材 料成本 ;
(4) 提高了抗锐边腐蚀的能力 ;
(5) 无重金属 ( Pb 、 Sn 等 ) ;
(6) 烘干温度低 , 油烟发生量少 , 达到节能、节材、 清洁环境的目的。
第 6 代阴极电泳涂料也在应用 , 它可使涂料使用 量减少 12.18 % ; 一种采用有机颜料、无铬、无铅、无 亚硝酸盐并减少 10 % 步骤和耗水量的第 7 代产品开 始商业化 ; 第 8 代产品已在实验室开发成功 ; 更新一 代的产品开发已开始 , 其特点是 : 泳透率高、颜基比 低、边角遮盖效果好、无铅无锡。这是美国 PP G 公司 CED 产品的特色 , 其今后主要发展方向是四个零 ( 挥 发性有机溶剂含量、超滤液排放量及重金属含量、颜 料含量均为零 ) , 进一步提高抗石击性和节能 , 降低烘 干温度。在国际阴极电泳涂料流派中 , 日本关西涂料 公司吸取原奥地利 Stollock 公司阴极电泳涂料特长 , 加上自行开发研究的成果 , 推出别具一格的 CED 。
基于环保、省能源、省资源、高性能的要求及有利于施 工涂装的目的 , 其 CED 的开发方向如下 :
(1) 不含有害重金属、溶剂含量低的阴极电泳涂 料 ;
(2) 超低温固化 (130 ～ 140 ℃ ) 型阴极电泳涂料 ;
(3) 超低加热减量型阴极电泳涂料 , 并提高材料 利用率 , 减少油烟和烘干房维修的频率 ;
(4) 利用分层技术 , 开发耐候性较好的阴极电泳 涂料 , 即涂膜在固化时分层 , 上层以耐粉化的丙烯酸 树脂为主 , 下层以耐腐蚀性好的环氧树脂为主 , 以适 应底、面合一的阴极电泳涂料市场的需要。
另外 ,PP G 公司还成功开发出了双层电泳系统 , 第一层为无铅阴极电泳涂料 ( 黑色、导电 ) , 膜厚为 10 μ m , 电压为 100 V , 时间 90 s ,180 ℃烘干 ,30 min ; 第 二层是耐石击电泳中涂 ( 灰色或彩色 ) , 膜厚 20 ～ 30 μ m , 电压 250 V , 时间 180 s ,180 ℃烘干 ,30 min 。这 样其施工价格可大幅度下降 , 而涂装效率接近 100 % , 其 VOC 接近于零 , 又有抗紫外线的效果。在 电泳涂料与中涂层之间有时还有一层耐石击涂料 , 此 也属于底漆系统。因为在车头灯处的引擎盖部位、车 顶以及车门下部及其底部 , 在汽车行驶时极易受到飞 石冲击。这层涂层必须能吸收飞石的冲击能 , 随之加 以扩散 , 只不过由于该涂层所处位置不同厚度差异很大 , 在汽车上部厚度为 5 μ m, 故要求伸长率高 , 而在下部和底部厚度达 100 ～ 200 μ m, 所采用的涂料体系为聚氯乙烯 ( PVC) 类或聚氨酯类。轻质 PVC 及低温烘烤型是 PVC 涂料的发展方向。 PVC 涂料在低于 800 ℃焚烧时极易生成致癌物质 , 而采用聚氨酯涂料性能好但价格贵。而现已开发的以聚酯化合物为主要原料的耐石击涂料 , 性能可与现有的 PVC 涂料相匹敌甚至更优 , 如用在车身尾部的焊缝上时 , 普通的 PVC 涂料易开裂 , 而聚酯涂料不会开裂。但存在的主要问题仍是价格较高 , 也有人在研究用丁苯橡胶或共混乳胶漆体系代替 PVC 耐石击涂料。
2 中涂层
中涂层介于底漆与面漆之间 , 它主要功能是改善底材表面和底漆层的平整度 , 为面漆层提供良好的基底 , 这样有利于面漆涂层的鲜映性和丰满度及整个涂层的装饰性 , 故中涂层应具有以下特性 :
(1) 应与底面漆涂层配套性良好 , 涂层间的结合力强 , 硬度配套适中 , 不会被面漆中的溶剂所咬起 ;
(2) 具有填平性 , 能消除涂漆底材表面上的划纹等微小缺陷 ;
(3) 耐磨性能良好 , 在湿打磨后能得到平整光滑的表面 , 能高温烘干 , 干性好 , 打磨时不沾砂纸。现在国外已有不打磨的中涂层 , 自身就具备因良好的展平性而形成的平整光滑表面。
目前汽车用中涂层主要有两大类 : 一类是溶剂型聚酯 / 三聚氰胺树脂体系 , 有中固体分 ( 达 47 %) 或高固体分 (60 % 或以上 ) 之分 ; 另一类采用水性阴离子型聚酯 / 三聚氰胺树脂系统。一般认为 , 中涂层所用涂料体系发展方向是水性化、高固体化和粉末化。甚至有人预测 , 到 2005 年中涂层所采用的涂料体系中有 88 % 为水性、 12 % 为溶剂型。但在实际实施中 , 若涂装流水线采用水性 , 则所用设备和流水线都要更换 , 实际上在新开辟的流水线上用水性体系完全有可能。然而水性涂料在流水线上运转时 , 常遇到温湿度问题以及一些因水挥发时所带来的漆膜缺陷问题。而高固体分涂料却可以完全采用现有流水线和设备 , 同时也能符合环保要求。
作为水性涂料 , 很重要一点是其性能要与溶剂型涂料相当 , 要达到这样的性能 , 其所采用的合成树脂必须在水介质中分散稳定 , 但往往会将亲水性很强的极性基团导入。一般来说 , 是在树脂分子中导入羧基 , 用挥发性胺加以中和 , 再设法加以分散稳定化 ; 其主要制备方法有直接法和间接法 ( 转相乳化法 ); 所谓直接法是在以乳化聚合为代表的水性介质里进行聚合 , 以获得直接乳化的分散性树脂 , 这样的树脂相对分子质量大 , 且具有高极性 , 与固化剂进行交联反应。由于高相对分子质量的树脂的熔融而呈现出自行成膜的物性 , 其涂料的流变特性显示出触变性至假塑性流动。而间接法却是包括汽车涂料在内的水性工业涂料更常用的制造方法 , 它是在无溶剂或有机溶剂中先进行树脂合成 ( 油相 ), 随后在水介质中进行乳化分散 ( 水相 ), 与固化剂反应而得到与一般溶剂型涂料相同的交联涂膜物性 , 其涂料流变特性显示出牛顿型流动至缓慢的触变黏性。这种转相乳化工艺是由减黏至增黏 ( 从油相至水相的相转移 ) 直至减黏水分散过程 , 而这种相转移状态 , 因所用树脂的特性 ( 酸价、羟值、相对分子质量、结构、极性等 ) 、助溶剂的种类和数量、中和剂的种类和数量而异。如果形态不同的两种以上树脂加以并用 , 则此现象更为复杂 , 而在干燥时却会从水相转回油相。如果相转移点控制不好的话 , 易发生涂膜失光、缩边等缺陷 , 这就是说 , 相转移点的控制是水性涂料用树脂设计的关键之处。
作为水性中涂层 , 除具有前述中涂层特性外 , 还需要有抗气泡性和防流挂性 , 而这些因采用间接法制得的水性涂料 , 具有缓慢的触变性并添加缓慢固化的固化剂可以解决气泡和流挂等问题。
涂料的水性化是由底到面逐步发展的 , 底漆已经水性化 , 中涂开始水性化。 20 世纪 80 年代末期 , 在大部分汽车涂装线上开始使用水性金属闪光底色漆。进入 90 年代 , 加快了使用水性化的步伐 , 尤其是欧洲 , 中涂层涂料已实现了水性化。日本水性化工作的研究也已经完成 , 日产汽车公司村山工厂使用日本油脂公司生产的水性中涂层涂料。但由于生产成本高 , 环保要求没有欧美苛刻 , 所以日本没有全面推广。
粉末涂料在中间涂层中已经开始使用。在 1982 年日本日产公司已开始使用粉末中涂 ,80 年代中期 , 通用汽车公司在一个货车厂使用粉末中涂 , 近年来又在三个小型货车上使用。但是粉末中涂在投入生产线使用以前 , 有几个大的难点。其中最大的难点是如何形成平滑均匀的涂膜、粉末粒子的微粒化技术以及涂装装置的稳定供给。如今 , 涂料和涂装方法的开发都取得了进展 , 比溶剂型涂料差的涂膜外观也得以提高 , 涂料的稳定供给以及涂装效率的改善已成为可能。
最近两年 , 带颜色的中间涂层已在美国广泛采用 , 优点是中涂的颜色与面漆的颜色配套 , 提高了外观装饰性 , 由于采用带色中涂 , 面漆中金属闪光底色漆的厚度可以从 20 μ m 降到 15 μ m, 而金属闪光漆的遮盖量可以降低到 25 μ m 。这样 , 减少了涂料的用量 , 减少了流挂等弊病 , 降低了返修率。
3 面 漆
汽车面漆分两类 , 即本色漆和金属闪光漆 , 大体上各占一半。近几年金属闪光漆系列发展迅速 , 珠光漆、梦幻涂料等层出不穷 , 颜色也向具有高透明感、深度感、色彩多样性方向发展。
金属闪光漆目前在美国大多采用高固体分闪光漆 , 而日本采用最多的是中低固体分金属闪光漆。随着环保法规的日益严格 , 为了提高豪华轿车的漆膜外观质量 , 美国部分高级轿车近两年来采用水性金属闪光漆 , 可大大降低 VOC 排放。同时 , 水性金属闪光漆具有特殊的流动性 , 有利于铝粉定向 , 比溶剂型涂料具有更好的金属效应。所以金属闪光漆水性化是必然趋势 , 技术也已成熟 , 能很快推广应用。通用汽车公司预计 ,2020 年前全球大部分汽车厂会采用水性金属闪光漆。 5 年左右国内的汽车厂可能会有水性金属闪光漆的要求。
水性金属闪光漆代替溶剂型金属闪光漆 , 与所有水性涂料一样 , 必须有恒温恒湿条件 , 一般施工温度为 22 ～ 28 ℃ , 相对湿度为 60 % ～ 80 % 。水性金属闪光漆施工后 , 必须有一段闪干的过程 , 一般 90 ℃ ,10 min 左右。
本色漆是否再罩清漆 , 仍有不同的看法 , 总的看法认为罩清漆后 , 漆膜外观、耐久性都有所提高。所以 , 美国克莱斯勒公司的所有轿车、通用汽车公司的部分轿车在本色漆上再罩一层清漆 , 使漆膜外观得到改善。目前欧洲和北美均使用双组分或单组分高固体分丙烯酸罩光清漆 , 但是多异氰酸酯 - 丙烯酸体系的缺陷是多异氰酸酯的毒性。因此 , 从环保角度来看 , 未来罩光清漆应是水性涂料。如美国通用汽车公司在 20 世纪 80 年代在 Oklamome 建立了一条水性罩光漆生产线 , 近来在 Eisenach 使用 , 效果比较好 , 认为很有发展前途。
目前 , 罩光清漆和本色漆以高固体分涂料易被现在的生产线接受 , 在应用中仍是主流。如果采用双组分高固体分涂料 , 施工固体分可达 85 % 以上 , VOC 排放量已与水性漆相似 , 近期是可行的。粉末涂料是最有发展前途的罩光清漆 , 但作为本色漆 , 由于换色难 , 使用上受到一定限制。
