汽车涂料技术进展

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汽车涂料技术进展4C!z,i/z(q6L6i$F;x"M4G5[7j(m-e%D9c"F0n%Z汽车涂料的进化'd"W8i  r!z-L.^9I:|　　追溯交通工具涂料的发展，我们可以回到汽车出现之前的年代，那时候有“车厢涂料”，我们必须把OEM涂装（原始设备制造商）的概念发明权归功于亨利．福特。他研发了流水线工艺，他还发表了最著名的宣言：每个客户的汽车颜色可以任选，只要是黑的就行。　　福特的色彩选择概念不仅仅是为了简化生产，还体现了那时的工业现状：只有很少的颜料色彩可选，而且涂料耐用性很差。　　直到1922年硝基纤维素清漆才出现，这提高了耐用性，色彩更清爽、施工也快的多。在接下来的年代里面，技术在持续更新，到了大约40或者50年前，我们所谓的“现代”汽车涂料终于首次登场了，请看表一：技术发明的年代1922硝基纤维素清漆1925第一代（锐钛型）钛白粉1930干性油醇酸涂料1932非干性醇酸涂料，用于硝基纤维素增加塑性1935酞氰蓝发明1938金红石型钛白粉1946氨基树脂用于烘干涂装1954耐晒颜料广泛应用1957丙烯酸（热塑性）清漆1962烘干型丙烯酸体系0O2F8@&h#Q9O#@"`表1：现代汽车涂料的早期发展1h8S'O1{+]%M/`:H$y9?+C9H)^5~#_-L+k.H4SOEM市场6V!N"V+M4E-i7z8^2Y8M;]

1　　三家最大的涂料市场――杜邦、PPG、和巴斯夫――统治了整个汽车涂料市场，至少生产了全球需求70%以上的汽车涂料。这可能来自于市场的这样一个需求：那就是全球化的汽车公司从不同国家的汽车工厂里制造出各种型号的汽车，但是它们需要同一种统一的外观和色彩，不管汽车到底是从哪里生产出来的。全球合并以及合作正在继续，在2004年就发生了以下重大事件：·　　PPG和日本关西涂料建立了合资企业，面对全球提供汽车OEM涂装服务；·　　杜邦打算建立一千万美元的试验室，测试全球范围日本汽车制造厂的汽车涂料；·　　美国涂料巨头宣威并购了上海金利达化学（Kinlita）的主要股份，面对中国市场提供汽车涂料；　　估计全球汽车涂料市场的规模将发生变化，但是120万吨的规模，以及85-90亿美元的市值应该是比较典型的。其中日本、美国和欧洲各占超过20%以上的份额。下面一张表显示了不同阶段涂料工艺的市场价值。对未来行业增长的预计是不同的。主要汽车制造商继续提高产量，已经进入了低成本区域，接近了最后市场。他们正兼并那些不太成功的公司，并投资各种新技术，比如高固含量涂料，以及粉末涂料，这些技术能降低总用量，但是不会降低使用涂料的市值。分类北美涂装技术欧洲涂装技术电泳涂装425390底漆面漆221200底层涂装605695清漆涂装3663726n"F4W+D3Z5i  O9p.I表1：不同涂装工艺的市场比重（美元）7J/f&{)t5d$e$j1B数据来源：化学市场报告2000年数据8a6M.@6^(d$i&p&F涂装需求1z0|7}"n8E&V　　工程技术的改进提高了汽车的使用寿命，现在的客户需要涂料耐腐蚀、耐片落、耐环境损伤，并且多年保持“全新”的外观。基本上来说，这些需求在过去八十年里，没有什么大的变化，但是涂料工业达到这些要求的技术能力已经有了巨大的进步。涂装需求一般是：·　　提供以下抗腐蚀能力：·　　底层涂装提供抗腐蚀能力；·　　表面涂装提供抗环境损伤能力；·　　外观吸引客户，并持久耐用；·　　为各种市场提供广泛的涂装选择；·　　另外，要符合各种苛刻的法律法规。　　

2　　北美和欧洲的法律法规限制使用溶剂型涂料，并且肯定会变得越来越严苛。美国环保署颁发了一系列控制污染的MACT（最大排放控制技术）标准。工厂必须在三年时间里面达标，这严格限制了涂料工业VOCs（可挥发有机物）和HAPs（危险空气污染物）的排放。　　在欧洲，ELV法规（汽车寿命指导）正要投入实施。这项法规要求汽车制造商在汽车寿命终结时，为汽车弃置以及再次循环利用负责。那些危险污染物，比如铅、镉还有六价铬，这些汽车经常使用的材料，都被严格限制。　　另一个变化就是车身配件和门窗，越来越多的使用塑料材料。比如从1968年到2001年，在一辆时尚的德国汽车里面，估计金属化表面（比如在镀铬保险杠以及各种门窗部件上）减少了65%。同时，门窗配件的色彩被要求和汽车车身相统一。.\  l5m#M5X&?*L2{)n7M7d!g!O-N'S7W9C/@"p+a'S*}-F.X6j)q防腐蚀;R.J9[4j&a%A0Z%T　　经过最初的表面处理，比如磷酸化之后，车身经过一个水性涂装槽，用电泳给金属“镀”上一层涂料。没有成膜的涂料被清洗下去，然后把涂料烘干固化。开始使用阳极系统，（就是把车身作为电流回路的正极），但是这种系统可能会破坏钢材和预处理层之间的结合，同时涂料要依靠乳化作用才能使用。到了1970年代后期，阴极电沉积技术开始使用在环氧/氨基树脂体系中，这消除了以上问题，并迅速的被市场接受。　　电泳涂装只需要在使用很少的溶剂，并且很少浪费涂料的情况下，就能涂装厚度均匀、涂装可控的涂层，不管是在部件的可见部分，还是看不到的部分。这种工艺的改进，主要集中在提高防腐性能，和相对其他涂料，降低表面粗糙度方面。　　2001年，宝马汽车的慕尼黑工厂提出了一种改进工艺，称为RoDip3工艺。车体材料在通过电泳涂装时，完全转了一圈，提高了涂料对于不可见区域的流动和渗透能力。如果能制造出更光滑、更均匀的表面，我们很可能简化整个工艺，节省很多时间和原材料。然而，PPG公司则开发出了另一种粉末底漆涂装工艺，取代了原来先进行底漆喷涂，然后用电泳配方二次涂装来实现更好表面的方法。这部分是因为整个行业正向彩色底漆进步，用这种方法来减少涂装次数，提供更多色彩。另一种方式被称为“逆序涂装”，就是在外观需要特别美观的区域只进行底涂和面涂，等固化之后，再进行一次电泳涂装。这有效保护了最容易损伤的区域，但是在两层涂层结合的部分，也可能发生问题。据研究宣布，如果能成功控制底涂和面涂烘干后的电阻，那么电泳就能有效粘合在这些首次涂装比较薄的边缘区域，而不会涂装到厚度已经达标的区域。

3　　还有一种改进电涂性能的方法，是使用“复合固化”涂料，一部分涂料在烘干之前就经过紫外固化。紫外可以防止涂料在烘干的初期变软流动，所以避免了在金属边缘留下薄层区域的危险。,o'c$q  U5K:f  \9U9}%|/G$q6g3V)n;}6?/j0?;n+J'^(F:s8S底漆7x'P(m;o$R4g)u5h5a$t*~%j　　　　电涂之后，通常进行底漆涂装，这种底漆将会被打磨掉，以便为面漆提供一个更光滑的表面。常用聚氨酯改性、或者蜜胺树脂交联，或者异氰酸酯类改性的聚酯树脂体系。涂装之前，车身的通常还会先涂装一种弹性的抗片落涂层。　　提高钢材表面的光滑程度，并且提高电泳质量，意味着使用高固含量涂料（超过30%），这才能保证上一层底漆打磨之后容易损失的部分控制在15-20%，同时整体光泽控制在原来的80%。这种高光底漆可以着色，这对于面涂至关重要。　　这不仅降低了面涂需要的颜料数量，而且可以在那些不重要的部位，把所谓的“底漆”，当成最终面漆来使用，比如在发动机隔离部分，以及看不到的保护罩部分。　　进一步的发展趋势包括，巴斯夫公司希望尽快在欧洲的几个工厂，推出它的“整合工艺二代”。这个工艺使用彩色水性底漆，并且底涂是湿涂装在电泳涂层上面，整个厚度大约15-30m，然后一起烘干，完全省去了劳动密集型的打磨工艺。　　新体系的流变性能提高了在电泳涂装粗糙表面的流动性，使用彩色底漆来配合底涂，并含有紫外吸收剂，从而可以降低这些涂层的厚度，同时并不牺牲最终外观，也不减少抗紫外性能。这种性能可以保护底层的电泳涂层（如下图）。他的竞争对手，PPG也宣称正在开发类似工艺。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　clip_image001.jpg(11.05KB)2008-5-314:10图一：巴斯夫整合工艺二代降低了涂层厚度，节省了材料*|%~!Y2P$Q0{(H5W

4$Y2s6l#u0};n)z2W&O"@;[-f7L&V0s8b;z面涂-h"^2Z'q9y4J6Q!_4K'{/[　　在很多年里，标准的汽车涂装就是在底涂体系上面简单地涂装一层高光色漆。现在，闪光金属颜料和其他特效涂料占据了主要市场，其中银色（准确地说，是各种变化的银色）已经成为最流行的色彩，不过在不同市场，不同地区，色彩需求仍有不同。　　这些特效涂料（如上节所述）需要一层透明的清漆涂装在色彩涂层（底涂）上面，一方面起到保护作用，一方面提供更好光泽。各个不同的市场，以及不同的法律法规造成选择技术的不同。欧洲公司比较倾向于使用聚酯/三聚氰胺涂料，美国更喜欢丙烯酸/三聚氰胺体系，不过这些趋势总是不断变化。底涂必须是低固含量的，以便降低粘度，使得金属闪光涂料在干燥过程中能很好的展开。由于环保方面的压力，在欧洲50%的底涂现在都是水性的。　　为了使用溶剂型底涂，同时又能降低挥发性有机物（VOCs），已经发明了各种各样的方法。例如，加入低分子量的羟基聚醚据说可以提高不挥发成份含量，同时保持低粘度；更令人吃惊的方法有，有人宣布在某些混合的溶剂体系中加水形成胶体乳液，可以降低粘度，而不是像往常理解的那样提高粘度。　　清漆不受这些问题影响，所以可以使用水性、高固含量或者粉末涂料。甚至还有第四种选择，把普通粉末涂料进行水性浆料涂装，这避免了安装新的喷涂设备。　　在美国，杜邦公司凭借2002年推出的超固含量Supersolids品牌清漆，赢得了美国环保署的最佳空气清洁大奖。这种产品使用了非常微细颗粒的溶剂型分散剂，这提高了施工涂料的固含量，从普通的50%直到65%。　　杜邦的老对手PPG最近也推出了两种新型清漆，同样大大提高了抗损伤、抗刮擦能力。·　　Optech品牌产品是一种单组分高固含量清漆。除了很好的耐刮擦性能之外，还具有一个特殊的优势，那就是窗玻璃可以直接粘合在这种涂层上，不需要像往常那样再涂装一层提高粘合力的聚氨酯底漆。·　　CeramiClear品牌产品使用了纳米颗粒，交联在涂料上，提供了超乎一般的牢固程度和耐刮擦性能。这种涂料已经用在德国戴姆勒克莱斯勒和奔驰的生产线上。但是将来是不是还会广泛使用这种高固含量涂料呢？根据目前看到的情形，一些主要用户已经转向了粉末涂料。水性双组分聚氨酯清漆同样也可使用。这种产品在的喷枪喷嘴，在最后一刻才把两种组分混合起来，这大大减少了清洁和浪费的问题。　　所有技术面临的共同问题，就是紫外吸收剂和位阻胺光稳定剂（HALS

5），清漆目前需要这两种产品来提供很长的使用寿命。然而，经过很长时间之后，这两种成分可能会挥发光，或者从涂层消失，转移到底涂，或者基材当中去了（使用热塑性材料的时候）。解决这个问题的方法包括开发低挥发度的紫外吸收剂，这样能提高效率5，以及开发含有一位或者二位羟基的HALS，这样它们就与异氰酸或者三聚氰胺交联涂料，形成稳定结合。&B9t7i5@  r)f5J:N.@*k/o  V(F"K"t,u2E(V/k:?5n粉末涂料1}7Y8I,z!];K(Y9|　　涂装底漆时，不管使用干的粉末涂料，还是浆料粉末涂料，都能在电泳涂层形成平滑涂层，也可作为最后涂装的清漆。在北美，粉末底漆使用的比欧洲更广泛――也许是因为（据说）美国顾客对于“桔皮”症状更宽容一点，而这一点是粉末涂装很难避免的。在两个大洲，戴姆勒克莱斯勒公司都是领先企业，该公司已经使用了6500吨粉末涂料。相反，粉末清漆在欧洲比美国使用的更多。这也许同样是客户习惯造成的。因为白色涂装在美国非常流行，但是在欧洲就差一点。要知道白色涂装很难避免局部黄变问题。德国拉塞特（Rastatt）的梅塞德斯汽车厂从1996年就开始使用浆状粉末涂装。在1997年，宝马汽车厂在德国丁格芬（Dingolfing）工厂推出了丙烯酸粉末清漆。现在，大约已经涂装了一百万辆汽车，公司正在把全部清漆都逐步改为粉末涂装。　　雪铁龙公司在法国玛豪斯（Mulhouse）工厂安装了新的涂装生产线，这是欧洲第一条使用彩色粉末底漆的涂装线。新技术降低了把原来10-15分钟的变色时间，减少到只要几秒钟，使用极为方便，经济。  ~6d5d5g3@'w)h0T%{(J  v#G  ~4?0I#[2U+^,e,O3H.?*L5S/E7t特效涂装(W.}7q0Y2?　　尽管银色仍然将保持市场的领先地位，客户在具体细分的市场里面，仍然希望他们的汽车能看上去更突出一点。原材料供应商对此的反应是增加特效涂装的使用范围。首先，通过控制颗粒尺寸，以及铝粉鳞片的形状来增加特效，其次，他们开发了更多的干涉效果技术。

6　　有色的金属闪光颜料和珠光颜料，本身就能形成很多种色彩变化。与其他有机颜料共同使用在底涂当中时，能形成多种不同的色调。例如，如果蓝色的金属闪光颜料和标准的红色像混合，当观察者直视，显示出来的色彩就是紫色，但是从不同角度观看时，它能显示出淡红色调的蓝色。　　不过，除了这些，客户在高端市场，喜欢为他们的新车，自定一种个性化的色彩。最理想的方式，就是客户能控制装饰涂料的色彩，指定一种色调，而不是从一些标准色当中挑选。PPG公司最近研发的“动态调色”DynamicFlexColor系统，实际上把这种愿望变成了现实。他们在施工时，涂料中加入彩色颜料。据称，只要五天就能完成订单，不过，对于这种系统能在多大范围内推广，我们仍需观望。"f+d4Y!Q(f:{2\%r1E8T&?)~%a  Y!q8@#l0B6{1U2B.e!g,`4L(\谁需要涂料1h)b#P![!T  k!b　　最终，并没有一个人仅仅需要涂料本身，他们需要的是防腐性能、装饰性能、耐久性能。未来的汽车还需用目前的方式进行涂装吗？或者，到底需要不需要涂漆呢？一系列试验已经在卷材涂装领域中展开了。主要问题，正如我们预见的那样，就是在金属板的切割边缘发生腐蚀。不过，看起来卷材涂装生产线可能会消除电沉积涂装这一工序。客户对于色彩的需求越来越多，底漆涂装的卷材看来不能完全满足这种要求。　　至于装饰性涂料，高粘合性能干贴膜已经在航空领域使用了很多年，可以用来保护容易受损的部位。很多汽车公司正在试图把这项技术移植到汽车部件上去，其中在Smart品牌汽车的塑料顶部，已经使用了共挤卷板涂装技术。　　至少有一项专利涉及使用保护性贴膜，这种贴膜直接粘合在部分固化的涂料上。在其他的应用中，涂料应该在保护贴膜固定在最终表面上之前，就涂装在涂膜下层。这项工艺的潜在优势有如下几点：·　　让塑料部件的色彩正确地匹配到车身涂料的颜色上去；·　　在施工中没有任何VOCs排放；·　　涂膜厚度没有限制（厚膜也可以实现基本正确的色彩）；·　　用氟聚合物提高保护性能（耐灰尘）；·　　由于直接印刷在平面贴膜上，新的装饰效果可能比直接涂装汽车更容易实现·　　从长远来说，客户指定设计可通过喷墨打印来涂装到汽车上，这已经在部分汽车上实现了商业化

7　　这项开发对于细分市场针对性更强，或者更适合特定的涂装组分，而不是目前我们熟知的汽车涂装市场。从大规模生产的角度，粉末和水性涂料对于未来市场更有前景。浆状粉末涂装和超固含量技术在短期内优势明显，因为这两项技术只需要使用现有设备即可，避免了大规模投资，也不会影响生产。