聚氨酯(PU)涂料在汽車工業中的應用
日期：2017-10-31 15:55:33 / 人氣： / 來源： / 標簽：聚氨酯漆
汽車制造中使用的涂料根據使用部位不同可分為三種類型：一類為車體零部件、內外飾件，特別是各種塑料件使用的涂料；另一類為車身表面涂裝使用的涂料，即通常所謂汽車漆；此外還有一類用于汽車車身修補的修補漆。聚氨酯(PU)涂料在這三者中均占有重要的地位。
1.車體零部件、內外飾件使用的聚氨酯(PU)涂料
車體零部件、內外飾件種類比較多，對涂料的要求各自不相同。涂料的應用與通用涂料相似，與非汽車領域應用無顯著區別。如保險杠使用丙烯酸聚氨酯(PU)涂料；擋泥板、側護板和保險杠下護板使用的聚氨酯(PU)底漆；車輪罩、擾流板、車門把手采用的聚氨酯(PU)涂料；奧地利vianova resins公司用于汽車內部裝飾的雙組分聚氨酯(PU)涂料等等。
車體零部件、內外飾件大多為各種塑料，其品種繁多，并且有不斷增加的趨勢，回顧二十世紀中期總量已經達到了整車質量的20-25%之間，由于塑料品種不同，在基材與涂料的適應性方面要求也不同，需要選擇合適的涂料品種進行塑料件涂裝。而聚氨酯(PU)涂料有很好的材料適應范圍，這也使采用聚氨酯(PU)涂料涂飾的汽車塑料件在材料選擇上更為自由，特別是隨著汽車塑料用量的增加，聚氨酯(PU)涂料用于汽車零部件、內外飾件的前景十分廣闊。
2.汽車車身用聚氨酯(PU)涂料
用于車身表面涂裝的涂料具有特殊的應用要求，主要有2點：一是極高的表觀要求，整個涂膜必須光潔、豐滿、鮮艷；二是很高的防腐蝕要求和防止損傷的要求，以適應長時間的戶外使用環境。但耐用、美觀、環保是其共同的發展方向，特別是近年來世界各國對環保要求越來越嚴格，對汽車涂料的VOC提出了更加苛刻的要求，新型聚氨酯(PU)涂料正是符合這一要求的涂料品種。用于車身表面涂裝的涂料通常分為底漆、中涂漆、面漆3層，均可使用聚氨酯(PU)涂料或者各種改性聚氨酯(PU)涂料。
2.1聚氨酯(PU)底漆
汽車底漆即直接涂裝于車身的第一道涂料。世界各國汽車底漆絕大部分使用陰極電泳漆。用封閉型聚氨酯(PU)、聚酯樹脂、環氧樹脂等一起，可制備陰極電泳聚氨酯(PU)涂料。如今，在走向水性化的過程中，首先將底色漆水性化，能大大降低VOC的排放。Nissan就在2010最先開始使用水性底色漆的3C1B工藝，并且使用雙組分聚氨酯作為清漆滿足外觀的要求。而Honda則在水性化底色漆的3C1B工藝中，使用溶劑型雙組分聚氨酯中涂底漆，以提高體系的抗石擊性。據悉，中涂底漆也開始了水性化，豐田(Toyota)和通用(GM)都開始使用水性3C1B工藝。在通用的未來全球工藝規劃中，使用雙組分聚氨酯清漆的水性3C1B工藝已經成為標準。
聚氨酯(PU)電泳涂料主要包括以下3類：水性聚氨酯(PU)樹脂電泳漆、聚氨酯(PU)改性水性樹脂電泳漆和水性封閉多異氰酸酯。其中，水性封閉多異氰酸酯作為各種電泳漆的交聯劑使用最為普遍。
前些年陰極電泳聚氨酯(PU)涂料在汽車涂裝中使用極為成功，發展也是特別迅速。適應了環保節能要求的新型電泳涂料也不斷出現。如德國研制的一種低溫固化陰極電泳聚氨酯(PU)，需2次烘干，固化條件為：160℃、10min、130℃、30min。國內地區對陰極電泳聚氨酯(PU)涂料的報道也有很多，并且早已經成為研究熱點之一。如沈陽、天津燈塔、重慶三峽和湖南造漆廠先后從日本關西涂料公司引進了厚膜化的HB2000型陰極電泳聚氨酯(PU)漆用于汽車底漆，其特點是涂膜厚，表面高度平整，耐碎落，對防銹鋼板的適用性很強。要知道，當時關西在中國的汽車涂料布局本意是對應中國主要的汽車生產廠的所在方位，以便能就地供應涂料產品，這樣關西的汽車涂料贏得了在中國東北、京津、湖北、廣東和重慶等地主要生產廠的不少市場份額。其中，湖南關西汽車涂料有限公司是1995年2月和日本關西涂料株式會社合資成立的，是國內最齊全的汽車原廠漆(OEM)供應商，為國產汽車如一汽奧迪、二汽、天津夏利、上海大眾、上汽通用、廣州本田、長安汽車、重慶五十鈴、重慶福特和東南汽車等國內27大汽車廠商提供服務，擁有汽車底漆，中涂，面漆涂裝線55條。
陰極電泳聚氨酯(PU)涂料的防護性能非常優良，根據報道，在不加防腐顏料的情況下仍然有很好的耐煙霧性能，能滿足汽車車身10年無穿孔腐蝕的防護要求，且涂膜平整而豐滿。此外，在電泳涂層與中涂之間，有時候還有1層抗石擊涂層，也屬于底漆系統，主要為保護汽車行駛時候容易受到碎石沖擊的部位，聚氨酯(PU)涂料抗石擊性能最佳，只是價格稍微昂貴一些。
2.2聚氨酯(PU)中涂漆
汽車中涂漆也稱“二道漿”、“二道底漆”、“噴涂膩子”，位于底漆與面漆之間，中涂漆必須有以下幾方面性能：如良好的填平性機械強度高，其主要作用是改善平整度，為面漆提供良好的基底，其基料一般與底漆和面漆保持一致。尤其是柔韌性和抗沖擊性卓越；抗石擊性；打磨修復性好；與底、面漆結合力強；閃光漆做面漆時候，應耐紫外線；適宜的烘烤固化溫度。中涂漆一定要有良好的柔韌性和彈性以及與底、面漆有良好的結合力，在轎車復合涂層中承擔起緩沖石擊破壞作用，防腐涂料事實上也起著決定性作用，此時又叫做抗石擊中涂。中涂在0.1MPa壓力下，用不規則的多棱角的4-5mm粒徑鐵砂沖擊涂層時，用膠帶紙剝落涂層后的登記不大于2。這樣的中涂漆品種有聚氨酯(PU)。
聚氨酯(PU)中涂漆(包括各種改性聚氨酯中涂漆)品種很多，應用也十分廣泛，如國內地區的鄂長頸鹿牌、鄭州拓立制漆公司的雙組分高填充性聚氨酯(PU)漆，國外公司的Du pont公司1020R雙組分聚氨酯(PU)中涂漆，Hoechest公司VIW1240等等。適應環保要求的水性聚氨酯(PU)中涂漆也具有很好的性能，特別是柔韌性和耐沖擊性優于溶劑型涂料。抗石擊和耐寒性能優良的聚氨酯(PU)中涂漆是汽車中涂漆的發展方向之一。即使在涂料中使用少量聚氨酯(PU)，其抗石擊性能也有很大的提高。有人在聚酯-氨基樹脂體系中涂漆中加入一定數量的聚氨酯，發現能顯著提高漆膜彈性、附著力和抗石擊性。
2.3聚氨酯(PU)面漆
面漆包括底色漆與罩光清漆，均可使用涂料。目前使用的面漆主要為溶劑型，但從發展角度看，水性化、高固體份、粉末化是其發展方向。現在有的2種主要水性底色漆就包括水性聚氨酯底色漆，如Baye公司商品名字為Bayhydro的水性聚氨酯分散體等等；罩光漆基本為溶劑型雙組分聚氨酯，主要是在多水性涂層的基礎上，采用雙組分溶劑型聚氨酯罩光漆后，VOC排放已經達到歐洲標準。因此，現有涂裝線上使用水性罩光漆的情況比較少，僅僅在新建設的涂裝線上使用。當然，使用雙組分水性聚氨酯罩光漆也能夠獲得與溶劑型聚氨酯罩光漆相當的性能。面漆的耐候性是其重要指標之一，很明顯，面漆將直接暴露于大氣和陽光之中，必須有滿足使用要求的耐候能力。聚氨酯面漆的耐候性要優于另外一類廣泛使用的面漆品種丙烯酸磁漆。聚氨酯面漆抗UV能力和抗滲水性能均強于丙烯酸磁漆，其綜合性能也是強于丙烯酸磁漆。另外，前些年還開發了由雙組分水性聚氨酯制成的可直接附著在金屬上面，不需要底漆的水性面漆，它可用于室內外車輛上，且防腐蝕性能有重大改進。回顧2008年上半年曾經獲悉，拜耳創新聚氨酯涂料技術應用現代概念車中，現代汽車公司(Hyundai)推出了運動感十足的“i-mode”轎車。新車一經問世，就吸引了消費者的關注目標。尤其是創新的車門設計，消除了汽車B柱造成的壓迫感，給人更加流線的造型印象。在現代汽車同拜耳材料科技(Bayer MaterialScience)的通力合作下，這款汽車成為了概念車中佼佼者。最值得欣賞的是，自我愈合的雙組分聚氨酯汽車底涂-劃痕無影蹤，對于拜耳材料科技來說，同現代汽車共同致力于概念汽車的研發和設計，是一次非常特殊的挑戰過程。作為全球規模最大和發展最快的汽車制造商之一，現代汽車公司對概念車的設計有很多獨具創意和引導潮流的設計方案。拜耳材料科技也將諸多在材料領域的最新科技成果和加工工藝應用其中，切合的滿足了現代汽車的設計要求。“i-mode”概念車采用金屬閃光銀的色彩效果，稱之為“Topaz Silver”。事實上，這種涂料體系是有拜耳材料科技提供的最新雙組分聚氨酯汽車面漆來實現的。創新的聚氨酯涂料具有自我愈合的能力，可以自我修復汽車劃痕，并具有極強的耐磨抗性。來自拜耳材料科技的技術人員通過聚氨酯涂料對塑料表面進行保護，并賦予材料表面豪華的外觀和細膩的手感。拜耳材料科技的“柔軟觸感”涂料不僅具有表面柔軟和超強的耐劃痕性能，同時涂料本身的化學組分符合VOC的排放限制。
2.4.聚氨酯汽車修補漆
近年來，修補漆是汽車漆里面獲利最厚的部分，PPG、杜邦、立邦分別在中國設立了修補漆的技術服務和技術研發部，但核心技術和大批量生產幾乎都是在海外完成。由于大部分修補漆的銷售在4S店，修補漆的一次銷售價格和二次銷售價格有所不同。這些年國外品牌修補漆的一次銷售價格平均在70-85元/公斤左右。顏色的差異會導致價格的差別，素色(黑色、白色)相對便宜，但是紅色、黃色，價格相對較高，珠光閃粉的價格最高。國產汽車修補漆有自己的優勢，其品質接近進口的產品，售價只有進口1/2～2/3；此外，國產汽車修補漆根據國內汽車市場需求開發，在中國汽車修補漆市場上越來越占主導地位。但是，國產汽車修補漆市場很亂，目前有上百個品牌，大部分是民營企業，個別廠以劣質產品沖擊市場。回顧走過的那些年里程里，汽車修補漆最初使用天然樹脂漆，后來逐步發展到使用硝基漆、醇酸樹脂漆。20世紀70年代，溶劑型雙組分聚氨酯涂料進入汽車修補漆市場，并逐步成為汽車修補漆市場的主導產品。90年代，開發了高固含量的雙組分聚氨酯修補漆。根據報道，1994年僅僅在西歐就銷售出去了13.8萬噸的聚氨酯汽車修補漆。到了2006年前后，在西歐，溶劑型雙組分聚氨酯涂料占據了86%左右的市場份額。用于汽車修補的水性雙組分聚氨酯涂料已經商品化，其VOC很低，可滿足任何嚴格的溶劑排放法規的要求。
汽車原車漆要求漆膜有比較好的光澤、快干、良好的耐水性、耐溶劑性和耐老化性。汽車修補漆除了要達到這些性能外，還必須能夠低溫固化，而雙組分聚氨酯涂料正好能滿足這些要求，由丙烯酸酯多元醇和多異氰酸酯組成的雙組分聚氨酯涂料，能室溫或者低溫烘烤固化，可用在汽車的金屬、塑料、木材及其他底材上，這類涂料由于使用了比較多揮發性有機化合物作為溶劑，因此對環境造成了嚴重危害。
隨著各國限制揮發性有機化合物標準的出臺，對傳統的溶劑型聚氨酯涂料提出了挑戰，前些年又開發了水性雙組分聚氨酯涂料，并獲得成功。汽車修補漆用的水性雙組分聚氨酯涂料的含羥基組分中通常要加入流平劑、消泡劑、催化劑、光穩定劑、增稠劑和有機共溶劑等助劑，再與多異氰酸酯組分混合后加水調整粘度,用噴涂法施工。而用于汽車修補的水性雙組分聚氨酯涂料早已經商品化了，其VOC比溶劑型聚氨酯涂料低很多，可滿足任何嚴格的溶劑排放法規。但是由于其組分中仍然含有乳化劑或有較高的酸值，因此漆膜的耐水性和耐溶劑性等性能仍需繼續改進，另外難以制成較厚而不起泡的涂膜。水性雙組分聚氨酯涂料正在逐步取代傳統的溶劑型涂料，隨著環保法規的日益嚴格，它必將占據更大的市場份額。
結束語
聚氨酯涂料因其優異的性能，在汽車工業中得到了廣泛應用，而汽車工業作為中國的支柱產業，其高速發展必將同時帶動車用聚氨酯涂料的研究和發展。特別是環境友好型的水性、高固體、粉末化聚氨酯涂料，是聚氨酯涂料未來的發展方向之一。多年前就曾經有報道稱，以脂肪族多異氰酸酯為固化劑的新型水性雙組分聚氨酯涂料，其VOC含量相當于溶劑型雙組分聚氨酯涂料的20%，在國外正逐步取代溶劑型雙組分聚氨酯涂料，廣泛用作汽車面漆和汽車修補漆。但是中國車用聚氨酯涂料的發展同時也面臨一些問題，如低VOC涂料品種少、使用的異氰酸酯品種單一、涂料價格比較高等等。特別是聚氨酯材料價格依然比較高，已經成為前幾年應用的瓶頸，這些年里，中國地區也有很多研究者均認為雖然聚氨酯汽車涂料性能優良，但是受到利潤制約，汽車工業應用仍然不得不轉向尋找價格更為低廉的代替品種上，或者是犧牲部分性能選擇改性涂料。總之，使用無鉛、環保、低VOC排量的新涂料產品，不但能提前滿足國家環保法規的要求，且能與國際同步，提升產品的國際競爭力。
作者：電泳漆-安哥
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