環(huán)保型 涂料在汽車(chē)涂裝 中 的應用
沈球旺，周榮華，劉
忠 （深圳市天健涂料科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 深圳 518122）
摘 摘
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要：本文介紹了汽車(chē)底漆、中涂漆、面漆的分類(lèi)和特點(diǎn)，并從這三個(gè)方面討論了水性、粉末、高固體分等環(huán)保型涂料在汽車(chē)涂裝中的應用。
關(guān)鍵詞：環(huán)保型涂料；水性涂料；粉末涂料；高固體分涂料；汽車(chē)涂裝
Application of environmentally-friendly coating in automobile finishing
Shen Qiuwang, Zhou Ronghua, Liu Zhong (Shenzhen Tonge Coatings Technology Development Company Ltd.,
Shenzhen 518122, Guangdong Province)
Abstract: The paper introduces the classification and characteristics of automotive primer, intermediate paint, topcoat. What"s more, it discusses the application of environmentally-friendly coating, which including water based, powder, high-solids coating in the automobile finishing from the three aspects. Keywords: environmentally-friendly coating, water based coating, powder coating, high-solids coating, automobile finishing
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前言
汽車(chē)涂料是指各種類(lèi)型汽車(chē)、摩托車(chē)、農用車(chē)等生產(chǎn)線(xiàn)使用的涂料和汽車(chē)修補用涂料，廣義上還包括自行車(chē)、拖拉機及農機和鐵路交通車(chē)輛等使用的涂料。由于其用量大、品種多、涂層性能要求高和涂裝施工要求特殊等原因，汽車(chē)涂料在工業(yè)用涂料中已經(jīng)成為一種專(zhuān)用涂料。在汽車(chē)工業(yè)發(fā)達國家，汽車(chē)涂料的產(chǎn)量占涂料總產(chǎn)量的 20％左右。
隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步，人們的環(huán)保意識越來(lái)越強，工業(yè)環(huán)保要求也越來(lái)越高，對于汽車(chē)涂料行業(yè)，在涂裝過(guò)程中使用的揮發(fā)性有機物的排放已經(jīng)有了嚴格的要求。歐洲 1994 年提出的《溶劑控制指令——汽車(chē)涂裝過(guò)程排放限制》就明確規定了轎車(chē)涂裝線(xiàn)有機溶劑排放量(包括底漆、中涂漆、面漆涂裝)不得高于 45g/ m 2 ；德國對揮發(fā)性有機物的排放要求更為嚴格，排放標準為不得高于 35g/m 2 。
針對這些要求，涂料生產(chǎn)企業(yè)從涂料本身出發(fā)，進(jìn)行了大量的研究，開(kāi)發(fā)了水性涂料、粉末涂料、高固體分涂料等一系列新型的不含揮發(fā)性有機物(VOC)或含量較少的環(huán)保型涂料，應用到工業(yè)生產(chǎn)中，使汽車(chē)涂裝過(guò)程達到規定的標準。
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底漆
目前，世界汽車(chē)底漆中有 92％使用電泳涂料，其中 90％采用陰極電泳涂料 （CED）。CED 于 1977 年在福特汽車(chē)公司開(kāi)始應用，當時(shí) CED 膜厚度為 20μm左右。1984 年厚膜陰極電泳涂料在汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始使用，涂膜厚度超過(guò) 30μm。之后，不少汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)又從厚膜陰極電泳涂料轉到中厚陰極電泳涂料，漆膜厚度在 25μm 左右，具有與厚膜陰極電泳涂膜同樣好的耐腐蝕能力。陰極電泳涂料具有優(yōu)異的滲透性，可均勻覆蓋工作凹陷部分，并有極強的耐腐蝕性，耐鹽霧可達 1200 h。
國外 CED 已經(jīng)發(fā)展到第 5 代，其主要特點(diǎn)是：(1) 低有機助溶劑，VOC 含量低于 2％；(2) 高泳透率，使車(chē)身這樣的復雜工件的內外膜厚度差越來(lái)越小，當車(chē)身外表面膜厚度為 20μm 左右時(shí)，車(chē)身內表面膜厚度可達 12μm 以上；(3) 膜薄，低密度，顏料成分減少，但不降低防銹能力，從而減少槽液的沉淀，材料用料減少，降低了材料成本；(4)提高了抗銳邊腐蝕的能力；(5)無(wú)重金屬（Pb、Sn等）；(6) 烘干溫度低，油煙發(fā)生量少，達到節能、節材、清潔環(huán)境的目的。
第 6 代陰極電泳涂料也在應用，它可使涂料使用量減少 12.18％；一種采用有機顏料、無(wú)鉻、無(wú)鉛、無(wú)亞硝酸鹽并減少 10％步驟和耗水量的第 7 代產(chǎn)品開(kāi)始商業(yè)化；第 8 代產(chǎn)品已在實(shí)驗室開(kāi)發(fā)成功。更新一代的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已開(kāi)始，其特點(diǎn)是：泳透率高、顏基比低、邊角遮蓋效果好、無(wú)鉛無(wú)錫。這是美國 PPG 公司CED 產(chǎn)品的特色，其今后主要發(fā)展方向是四個(gè)零（揮發(fā)性有機溶劑含量、超濾液排放量及重金屬含量、顏料含量均為零），進(jìn)一步提高抗石擊性和節能，降低烘干溫度。在國際陰極電泳涂料流派中，日本關(guān)西涂料公司吸取原奧地利 Stollock 公司陰極電泳涂料特長(cháng)，加上自行開(kāi)發(fā)研究的成果，推出別具一格的 CED。
基于環(huán)保、省能源、省資源、高性能的要求及有利于施工涂裝的目的，其CED 的開(kāi)發(fā)方向如下：(1)不含有害重金屬、溶劑含量低的陰極電泳涂料；(2)超低溫固化 (130～140℃)型陰極電泳涂料；(3)超低加熱減量型陰極電泳涂料，并提高材料利用率，減少油煙和烘干房維修的頻率；(4)利用分層技術(shù)，開(kāi)發(fā)耐候性較好的陰極電泳涂料，即涂膜在固化時(shí)分層，上層以耐粉化的丙烯酸樹(shù)脂為主，下層以耐腐蝕性好的環(huán)氧樹(shù)脂為主，以適應底、面合一的陰極電泳涂料市場(chǎng)的需要。
另外，PPG 公司還成功開(kāi)發(fā)出了雙層電泳系統，第一層為無(wú)鉛陰極電泳涂料 （黑色、導電），膜厚為 10μm，電壓為 100 V，時(shí)間 90s，180℃烘干，30min；第二層是耐石擊電泳中涂（灰色或彩色），膜厚 20～30μm，電壓 250 V，時(shí)間 180 s，180℃烘干，30min。這樣其施工價(jià)格可大幅度下降，而涂裝效率接近 100％，其 VOC 接近于零，又有抗紫外線(xiàn)的效果。在電泳涂料與中涂漆之間有時(shí)還有一層耐石擊涂料，它也屬于底漆系統。因為在車(chē)頭燈處的引擎蓋部位、車(chē)頂以及車(chē)門(mén)下部及其底部，在汽車(chē)行駛時(shí)極易受到飛石沖擊。這層涂層必須能吸收飛石的沖擊能，隨之加以擴散，只不過(guò)由于該涂層所處位置不同，厚度差異很大，在汽車(chē)上部厚度為 5μm, 故要求伸長(cháng)率高，而在下部和底部厚度達 100～200μm，所采用的涂料體系為聚氯乙烯（PVC）類(lèi)或聚氨酯類(lèi)。輕質(zhì) PVC 及低溫烘烤型是 PVC 涂料的發(fā)展方向。PVC 涂料在低于 800℃焚燒時(shí)極易生成致癌物質(zhì)，而采用聚氨酯涂料性能好但價(jià)格貴。而現已開(kāi)發(fā)的以聚酯化合物為主要原料的耐石擊涂料， 性能可與現有的 PVC 涂料相匹敵甚至更優(yōu)，如用在車(chē)身尾部的焊縫上時(shí)，普通的 PVC 涂料易開(kāi)裂，而聚酯涂料不會(huì )開(kāi)裂。但存在的主要問(wèn)題仍是價(jià)格較高，也有人在研究用丁苯橡膠或共混乳膠漆體系代替 PVC 耐石擊涂料。
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中涂漆
中涂漆介于底漆與面漆之間，它的主要功能是改善底材表面和底漆層的平整度，為面漆層提供良好的基底，這樣有利于面漆涂層的鮮映性和豐滿(mǎn)度及整個(gè)涂層的裝飾性，故中涂漆應具有以下特性：(1)應與底面漆涂層配套性良好，涂層間的結合力強，硬度配套適中，不會(huì )被面漆中的溶劑所咬起；(2)具有填平性，能消除涂漆底材表面上的劃痕等微小缺陷；(3)耐磨性能良好，在濕打磨后能得到平整光滑的表面，能高溫烘干，干性好，打磨時(shí)不沾砂紙?，F在國外已有不打磨的中涂漆，自身就具備良好的展平性而形成平整光滑的表面。
目前汽車(chē)用中涂漆主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是溶劑型聚酯/三聚氰胺樹(shù)脂體系， 有中固體分（達 47％）或高固體分（60％或以上）之分；另一類(lèi)采用水性陰離子型聚酯/三聚氰胺樹(shù)脂系統。一般認為，中涂漆所用涂料體系發(fā)展方向是水性化、高固體化和粉末化。但在實(shí)際實(shí)施中，若涂裝流水線(xiàn)采用水性，則所用設備和流水線(xiàn)都要更換，實(shí)際上在新開(kāi)辟的流水線(xiàn)上用水性體系完全有可能。然而水性涂料在流水線(xiàn)上運轉時(shí)，常遇到溫濕度問(wèn)題以及一些因水揮發(fā)時(shí)所帶來(lái)的漆膜缺陷問(wèn)題。而高固體分涂料卻可以完全采用現有的流水線(xiàn)和設備，同時(shí)也能符合環(huán)保要求。
作為水性涂料，很重要一點(diǎn)是其性能要與溶劑型涂料相當，要達到這樣的性能，其所采用的合成樹(shù)脂必須在水介質(zhì)中分散穩定，但往往會(huì )將親水性很強的極性基團導入。一般來(lái)說(shuō)，是在樹(shù)脂分子中導入羧基，用揮發(fā)性胺加以中和，再設法加以分散穩定化，其主要制備方法有直接法和間接法（轉相乳化法）。所謂直接法是在以乳化聚合為代表的水性介質(zhì)里進(jìn)行聚合，以獲得直接乳化的分散性樹(shù)脂，這樣的樹(shù)脂相對分子質(zhì)量大，且具有高極性，與固化劑進(jìn)行交聯(lián)反應。由于高相對分子質(zhì)量的樹(shù)脂的熔融而呈現出自行成膜的物性，其涂料的流變特性顯示出觸變性至假塑性流動(dòng)。而間接法卻是包括汽車(chē)涂料在內的水性工業(yè)涂料更常用的制造方法，它是在無(wú)溶劑或有機溶劑中先進(jìn)行樹(shù)脂合成（油相），隨后在水介質(zhì)中進(jìn)行乳化分散（水相），與固化劑反應而得到與一般溶劑型涂料相同的交聯(lián)涂膜物性，其涂料流變特性顯示出牛頓型流動(dòng)至緩慢的觸變黏性。這種轉相乳化工藝是由減黏至增黏（從油相至水相的相轉移）直至減黏水分散過(guò)程，而這種相轉移狀態(tài)，因所用樹(shù)脂的特性（酸價(jià)、羥值、相對分子質(zhì)量、結構、極性等）、助溶劑的種類(lèi)和數量、中和劑的種類(lèi)和數量而異。如果形態(tài)不同的兩種以上樹(shù)脂加以并用，則現象更為復雜。如果相轉移點(diǎn)控制不好的話(huà)，易發(fā)生涂膜失光、縮邊等缺陷，也就是說(shuō)，相轉移點(diǎn)的控制是水性涂料用樹(shù)脂設計的關(guān)鍵之處。
作為水性中涂漆，除具有前述中涂漆特性外，還需要有抗氣泡性和防流掛性，而這些采用間接法制得的水性涂料，因具有緩慢的觸變性并添加緩慢固化的固化劑可以解決氣泡和流掛等問(wèn)題。
涂料的水性化是由底到面逐步發(fā)展的，底漆已經(jīng)水性化，中涂開(kāi)始水性化。
上世紀 80 年代末，在大部分汽車(chē)涂裝線(xiàn)上開(kāi)始使用水性金屬閃光底色漆。進(jìn)入 90 年代后，加快了使用水性化的步伐，尤其是歐洲，中涂漆涂料已實(shí)現了水性化。日本水性化工作的研究也已經(jīng)完成，但由于生產(chǎn)成本高，環(huán)保要求沒(méi)有歐美苛刻，所以日本沒(méi)有全面推廣。
粉末涂料在中間涂層中已經(jīng)開(kāi)始使用。在 1982 年日本日產(chǎn)公司已開(kāi)始使用粉末中涂，80 年代中期，通用汽車(chē)公司在一個(gè)貨車(chē)廠(chǎng)使用粉末中涂。但是粉末中涂在投入生產(chǎn)線(xiàn)使用以前，有幾個(gè)大的難點(diǎn)。其中最大的難點(diǎn)是如何形成平滑
均勻的涂膜、粉末粒子的微?；夹g(shù)以及涂裝裝置的穩定供給。如今，涂料和涂裝方法的開(kāi)發(fā)都取得了進(jìn)展，比溶劑型涂料差的涂膜外觀(guān)也得以提高，涂料的穩定供給以及涂裝效率的改善已成為可能。
近幾年來(lái)，帶顏色的中間涂層已在美國廣泛采用，優(yōu)點(diǎn)是中涂的顏色與面漆的顏色配套，提高了外觀(guān)裝飾性，由于采用帶色中涂，面漆中金屬閃光底色漆的厚度可以從 20μm 降到 5μm, 而金屬閃光漆的遮蓋量可以降低到 25μm。這樣，減少了涂料的用量，減少了流掛等弊病，降低了返修率。
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面漆
汽車(chē)面漆分兩類(lèi)，即本色漆和金屬閃光漆，大體上各占一半。近幾年金屬閃光漆系列發(fā)展迅速，珠光漆、夢(mèng)幻涂料等層出不窮，顏色也向具有高透明感、深度感、色彩多樣性方向發(fā)展。
金屬閃光漆目前在美國大多采用高固體分閃光漆，而日本采用最多的是中低固體分金屬閃光漆。隨著(zhù)環(huán)保法規的日益嚴格，為了提高豪華轎車(chē)的漆膜外觀(guān)質(zhì)量，美國部分高級轎車(chē)開(kāi)始采用水性金屬閃光漆，可大大降低 VOC 排放。同時(shí)， 水性金屬閃光漆具有特殊的流動(dòng)性，有利于鋁粉定向，比溶劑型涂料具有更好的金屬效應。所以金屬閃光漆水性化是必然趨勢，技術(shù)也已成熟，能很快推廣應用。通用汽車(chē)公司預計，2020 年前全球大部分汽車(chē)廠(chǎng)會(huì )采用水性金屬閃光漆。5 年左右國內的汽車(chē)廠(chǎng)可能會(huì )有水性金屬閃光漆的要求。
水性金屬閃光漆代替溶劑型金屬閃光漆，與所有水性涂料一樣，必須有恒溫恒濕條件，一般施工溫度為 22～28℃，相對濕度為 60～80％。水性金屬閃光漆施工后，必須有一段閃干的過(guò)程，一般為 90℃，10 min 左右。
本色漆是否再罩清漆，仍有不同的看法，總的看法認為罩清漆后，漆膜外觀(guān)、耐久性都有所提高。所以，美國克萊斯勒公司的所有轎車(chē)、通用汽車(chē)公司的部分轎車(chē)在本色漆上再罩一層清漆，使漆膜外觀(guān)得到改善。目前歐洲和北美均使用雙組分或單組分高固體分丙烯酸罩光清漆，但是多異氰酸酯-丙烯酸體系的缺陷是多異氰酸酯的毒性。因此，從環(huán)保角度來(lái)看，未來(lái)罩光清漆應是水性涂料。
目前，罩光清漆和本色漆以高固體分涂料易被現在的生產(chǎn)線(xiàn)接受，在應用中仍是主流。如果采用雙組分高固體分涂料，施工固體分可達 85％以上，VOC 排放量已與水性漆相似，近期是可行的。粉末涂料是最有發(fā)展前途的罩光清漆，但作為本色漆，由于換色難，使用上受到一定限制。
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結論
與傳統的溶劑型涂料相比，水性、粉末、高固體分涂料含較少量或不含揮發(fā)性有機物。大力發(fā)展水性、粉末、高固體分涂料，可以保護環(huán)境，省能源、省資源，對于推動(dòng)汽車(chē)涂料行業(yè)進(jìn)步和促進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義，也有利于國民經(jīng)濟的可持續發(fā)展。
作
者 沈球旺 職
務(wù) 技術(shù)開(kāi)發(fā)工程師 手 機 13537512944 單
位 深圳市天健涂料科技開(kāi)發(fā)有限公司 郵 編 518122 地
址 廣東省深圳市龍崗區坑梓鎮沙田下廖村天健工業(yè)區 1-5 棟 電話(huà)/傳真 Tel：0755-84127950 Fax：0755-84126554 E-mail zxc_023836@sohu.com 作者簡(jiǎn)介：
沈球旺（1981－），男，福建省建甌市人，2003 年 6 月畢業(yè)于北京化工大學(xué)理學(xué)院應用化學(xué)系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，之后進(jìn)入深圳市天健涂料科技開(kāi)發(fā)有限公司工作至今，現擔任技術(shù)開(kāi)發(fā)工程師，主要從事工業(yè)漆和汽車(chē)漆的研究開(kāi)發(fā)。
