汽车内饰涂料的研究进展

   日期:2022-02-10     浏览:162    
核心提示:0 引言近几年来,汽车工业在我国获得了飞速的发展。据汽车工业协会数据统计,2011 年,国产汽车累计产销1841.89 万辆和1850.51
0 引言
近几年来,汽车工业在我国获得了飞速的发展。据汽车工业协会数据统计,2011 年,国产汽车累计产销1841.89 万辆和1850.51 万辆,分别同比增长0.8%和2.5%;再次刷新全球历史纪录,并继续保持了全球产销位。预计到2020 年,我国汽车保有量将超过2 亿辆,汽车涂料市场前景可期。这不仅仅体现在汽车外部涂料上,而且也需要大量的内饰涂料。塑料以其质轻、设计空间广泛、有零部件组合潜力、动力学性能好、发生碰撞时有很好的能量吸收能力以减少碰撞时的破坏程度以及不会生锈腐蚀等优点,被广泛地应用在汽车内饰件上。但塑料制品成型加工时会产生颜色不均、色泽单调、花斑疵点等缺陷,且易产生老化变脆、划痕、沾污、静电等问题,所以塑料件涂装必不可少。附着力是制约塑料涂料发展的一个重大障碍。需要根据不同的塑料底材选择不同配方的涂料,这样才能产生较好的附着力。随着人们对汽车个性化需求的不断发展,对汽车内饰件装饰性的要求越来越高;另一方面由于人们对环境的重视和法规的完善,所以开发既环保又性能优良的内饰涂料已成为汽车涂料的一个研究重点。

1 汽车内饰材料
在汽车内饰件上广泛采用的塑料主要以热塑性树脂为主。如ABS 共聚物、聚丙烯、聚氨基甲酸酯、多聚乙烯氯化物、聚乙烯等10 余种,由于结构和性质的不同被应用在不同的部位。
1.1 ABS 材料
ABS 是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯3 种单体共聚而成的聚合物。改变3 种组分的比例和采用不同的组合方式,可以制造出性能范围广泛的产品。由于ABS 材料具有附着力好、刚性强、硬度大、韧性好、表面性好等优点,被广泛用来制造仪表板及其元件、转向柱外套、扶手、照明设备、测量仪外罩、抗冲击板、车门等,是汽车主要的内饰材料之一。
1.2 聚丙烯
聚丙烯(PP)是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。有软质和硬质两种类型。不仅可被用于仪表板总成,还可应用在门内板、空调出口、扬声器、杂物盒、门把手等。调整聚丙烯的模具,可获得平滑或皮质感的表面。用其制作的内饰件能承受汽车在各种气候条件下行驶时产生的颠簸振动,且在受冲击破损时呈韧性断裂,故将其应用在汽车内饰件已成主流。同时,聚丙烯还具有价格低廉的优势。例如,克莱斯勒公司在其Neon 车上全部使用的内饰件由聚丙烯制成。此外,通用公司的M 和APV、戴-克公司的NS、福特公司的Windstar 和Villager 等车型也都采用聚丙烯替代ABS 制作内饰件。但是,PP 对涂料的附着力较差,因此对涂料以及涂装工艺提出了更高的要求。
1.3 聚氯乙烯
聚氯乙烯(PVC)是一种非结晶性材料。具有较好的力学性能,电性能优良,耐酸碱力极强,以及化学稳定性好、软硬可自行调节等特点,被广泛用来制造客车、轿车以及货车驾驶室中的内饰物,如侧板、顶篷和座椅的蒙皮、地毯、挡风玻璃密封条和窗框等。
1.4 复合塑料
随着技术的进步,国内外对汽车内饰件材料的性能提出了更高的要求。为了提高汽车内饰件材料的性能,将各种塑料按比例混合在一起已成为一种趋势。欧洲轿车正逐渐采用以ABS/PC 及增强聚丙烯为主来制作仪表盘,以使仪表盘具有较高的耐热、耐冲击能力以及良好的综合性能。同时,为了减少塑料树脂中残留的过氧化物导致VOC 过高的问题,昌福全[1]采用加氢法合成出以PP 为基础树脂的低VOC 汽车内饰件的复合材料。可见,由单一的组分向复合材料发展已经成为汽车内饰材料的一个发展方向。

2 汽车内饰涂料
目前,汽车制造商在汽车内饰方面追求的是进一步提高车内部空间的舒适性、安全性和装饰性,并向更高级的方向发展。然而,塑料除本身耐紫外光等环境老化性能不甚理想外,在加工成型过程中表面也常产生各种缺陷。因此需要涂饰塑料模具的表层,赋予塑料特殊的颜色或一定的光泽,并遮盖塑料表面的瑕疵,使它拥有更吸引人的外观。同时,还可以起到保护作用,使塑料免受气候、溶剂或刮擦的危害。
汽车内饰件涂料不仅要具备一般涂料的基本性质。如对化学物质的抵抗力、良好的机械性能以及低光泽、耐候性、常温或低温固化等性能。而且要满足一些其他特殊的性能:
(1) 耐高低温变化。内饰涂料使用环境的温度变化相当大,要在一定的温度范围内保持高温时不发粘,低温时不变脆,给涂料的选型和设计带来很大的难度。目前汽车内饰件上的塑料主要是耐热性差的热塑性塑料件。因此,那些需要100 ℃以上烘烤温度的涂料体系不能应用在塑料件上。
(2) 不含或少含挥发性物质。对于内饰涂料来说,要求在内饰件使用过程中,没有或极少量的挥发性物质产生,像增塑剂这样在高温下会挥发的物质是不能使用的。环保型汽车涂料要求VOC 排放量应低于35 g/m2。
(3) 具有柔软的手感。为了增强汽车内饰配件在接触时的手感,给人一种温暖舒适的感觉,提高汽车的档次,现在很多汽车内饰件都要求涂料的漆膜不能很硬,必须具有良好的柔韧性和低温弹性。
由以上特点可以看出:对汽车内饰涂料的机械性能和外观都提出了较高的要求,而且,随着环保法规的完善,汽车内饰涂料将会面临着更大的考验。以下介绍几种常见的汽车内饰涂料。
2.1 聚氨酯涂料
聚氨酯是一种含软链段和硬链段的嵌段共聚物[2]。其中氨基甲酸酯链段是重要的结构单元。聚氨酯结构中具有类似酰胺基团(NHCO)及酯基团(COOR)的结构,所以聚氨酯的化学与物理性质介于聚酰胺与聚酯之间。漆膜是以聚氨酯树脂为主要成膜物质的涂料。聚氨酯树脂与其他树脂(如聚酯、聚醚等)不同,在聚氨酯树脂中除了氨酯键以外,还含有许多酯键、醚键、脲键、脲基甲酸酯键、异氰脲酸酯键以及油脂的不饱和双键。因此,聚氨酯漆具有许多优良特点。
① 氨酯键的特点是在高聚物分子之间能形成非环或环形的氢键,在外力的作用下,氢键可分离并吸收外来的能量(每摩尔吸收20~25 kJ);当外力取消后又可重新形成氢键。如此的氢键裂开和回复的可逆重复,使聚氨酯漆膜具有高度的机械耐磨性和韧性[3]。
② 漆膜附着力强,尤其对于橡胶表面的附着力超过环氧树脂漆[4]。
③ 根据需要调节其成分配比来设计漆膜弹性,可以从极坚硬调节到极柔软的弹性涂层。
④ 既能在高温烘干,也能在低温固化。可在0 ℃甚至0 ℃以下正常固化成膜,可以满足汽车内饰涂料的烘烤温度不超过100 ℃的要求。
⑤ 具有优异的耐油性、耐化学药品性、兼具有保护性和装饰性能。
⑥ 根据不同需要,可与聚酯、聚醚、环氧、丙烯酸、含羟有机硅、含羟有机氟醇酸、醋丁纤维素、沥青、硝化棉等树脂配成不同用途和性能的涂料。
随着人们环保意识的不断增强,对汽车内饰件涂料作用有机溶剂的污染越来越关注,各国也制定了相应的法规对其进行控制。为了得到汽车内饰配件的“环保涂料”,水性化及粉末化是当前乃至今后两个主要的发展方向。然而,粉末化涂料一般为热固型,固化温度较高,无法在塑料表面完成其固化过程,所以将其应用到汽车内饰涂料中还有一定的难度。水性聚氨酯型涂料越来越多地使用在汽车内饰涂料中。通用公司的MT 800 和IIGMT 425 汽车的仪表盘就选用了水性聚氨酯内饰涂料[5]。
水性聚氨酯涂料可分为单组分和双组分两种。单组分水性聚氨酯涂料是应用早的水性聚氨酯涂料。传统的单组分水性聚氨酯涂料具有较低的相对分子质量或低交联度,其附着力、干燥速率、涂膜硬度和耐水性能较差,可以通过与环氧树脂复合,将环氧树脂较高的支化度引入到聚氨酯主链上来提高各方面的性能[6-7]。
Jacobs[8]在20 世纪90 年代初成功开发出能分散于水中的多异氰酸酯固化剂,从而使双组分水性聚氨酯涂料进入实用研究阶段。双组分水性聚氨酯涂料具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度高以及耐化学品性、耐候性好等优越性能。选择合适的水性多元醇和固化剂可获得有实用价值的双组分水性聚氨酯涂料,其涂膜光泽、硬度、耐化学性能和耐久性可与溶剂型双组分产品相当,见表1。水性双组分聚氨酯涂料亦可作为特殊柔感涂料,其涂膜具有从橡胶到丝绒触感、良好的柔韧性、低温弹性、耐溶剂性、耐化学品性、耐清洁剂擦洗性和良好的附着力,可应用于汽车内部塑料仪器表面的涂装[9]。改变塑料外观冰冷、低档的感觉,给人以柔和、高档的感觉,符合人们对汽车内饰涂料的要求。

2.2 丙烯酸涂料
通过选用不同的丙烯酸树脂、不同的颜料、助剂、溶剂等可获得类型多样、性能各异的热塑性或热固型丙烯酸涂料。由于丙烯酸单体具有碳链双键和酯基的独特结构,共聚物对光的主吸收峰处于太阳光谱范围之外,这不仅赋予了丙烯酸涂料优异的耐光性及耐候性能,还使其具有以下显著特点。
(1) 色浅、透明、水白、透明性好。
(2) 耐热性好:在170 ℃下不分解、不变色,在230℃或更高的温度下仍不变色。
(3) 广泛的附着力:对塑料、金属、木器等基材均有很好的附着力。
(4) 耐化学性好:有较好的耐酸、碱、油脂、洗涤剂等化学品的玷污及腐蚀性能。
(5) 优异的装饰性:光泽度、丰满度、硬度等性能较好。
(6) 优异施工性能:由于酯基的存在,能防止丙烯酸涂料结晶,多变的酯基还能改善在不同介质中的溶解性以及各种树脂的混溶性。
鉴于上述特点,热塑性丙烯酸涂料被广泛地应用在ABS、PS 等塑料件上。是目前塑料涂装工业应用多的涂料品种。陈艳丽等[10]人通过选择合理的原料单体配比制备了具备一定玻璃化温度的热塑性丙烯酸涂料,作为ABS 塑料的涂装材料,具有较好的物理性能和优良的耐醇性。目前,丙烯酸涂料由溶剂型向水性化方向发展。水性丙烯酸涂料用的丙烯酸树脂主要是丙烯酸、甲基丙烯酸及其酯与乙烯系单体(如苯乙烯)经共聚而得到的热塑性或热固型丙烯酸系树脂,及其他具有活性可交联官能团树脂改性的丙烯酸树脂[11]。然而,水性丙烯酸涂料在光泽度、耐水性等方面存在缺陷,因此人们开始研制水性丙烯酸涂料复合乳液,通过各组分优势互补来提高水性丙烯酸涂料的整体性能[12]。近年来将纳米技术引入到水性丙烯酸涂料中,采用原位无皂乳液聚合方法,制备了水性纳米改性丙烯酸酯涂料,涂料中完全不含游离小分子表面活性剂或改性剂,形成的涂膜对塑料基材如ABS、PP、PVC、PE、PC等基材表面具有良好的附着力。张克杰等[13]采用核壳乳液聚合工艺和功能单体对乳液进行改性,制备了具有核/壳结构的苯丙乳液,与纳米二氧化硅复合,得到高性能的水性纳米丙烯酸塑料涂料,增强了涂料的硬度和耐醇性。
2.3 氯化聚烯烃涂料
氯化聚烯烃涂料是以氯化聚烯烃树脂为成膜物质。氯化聚烯烃树脂的主链为氯原子取代的脂肪烃树脂。由于在聚合物中引入了氯元素,构成了极性较大的C—Cl 键,故其具有优良的耐候性、耐臭氧、耐化学介质(酸、碱、盐)性及一定的耐脂肪烃溶剂等特点。用其制得的单组分涂料,施工方便,不受施工环境的影响。同时,氯化聚烯烃涂料对低表面积的塑料具有优良的附着力。但随着人们环保意识的增强,卤代化合物对人体健康的“三致”效应以及卤代化合物对大气平流层中臭氧的破环越来越引起人们的关注。如何减少使用或者替代卤代化合物已成为氯化聚烯烃涂料的一个重要研究课题。周海清[14]等人利用接枝共聚反应合成了在聚丙烯塑料表面具有优异附着力的氯化聚丙烯改性树脂。
氯化聚烯烃涂料主要应用在聚烯烃类塑料上。如聚丙烯和聚乙烯等,由于二者具有相同的分子结构和溶解参数,所以能较好地润湿塑料表面,提供良好的附着力[15]。氯化聚烯烃涂料已成为该类塑料的涂料。
2.4 氟碳涂料
以氟烯烃聚合物或氟烯烃与其他单体共聚得到的氟碳树脂为成膜物的涂料称为氟碳涂料。C—F 键的高键能赋予氟碳涂料极高的耐候性;由于氟原子具有高的电负性和较小的原子半径,碳链呈现螺旋状结构且被氟原子包围形成屏蔽作用使氟碳涂料具有极高的化学稳定性。氟碳涂料对聚烯烃塑料与氯化聚烯烃涂料具有相同的涂装功能和效果。随着环保涂料的研究深入,氟碳涂料也开始向水性化和粉末化发展。特别是水性氟碳涂料具有超耐久性、耐沾污性、耐化学介质性、热稳定性等,已成为重点开发研究的方向。

3 汽车内饰件的涂装
由于汽车内饰件主要以塑料为主,对汽车内饰件的涂装主要表现在对塑料件的涂装上。对于塑料的涂装大的难点就是解决底材与涂膜的附着力。底材与涂膜的附着力与底材的特性有关,见表2[16]。与金属材料相比,塑料底材有表面能小,热变形温度低、添加剂容易渗出等缺点,给涂料在其表面的涂装带来了困难。如涂料难附着、干燥固化温度受限等。一般塑料件的涂装分为两部分:前处理和底、面漆涂装。

3.1 前处理
对塑料表面处理的目的是为了使表面清洁化、活性化、功能化。除去表面的尘埃、颗粒、油分、水分等异物和脆弱层,增强对涂膜的附着以及防止静电等[17]。塑料表面的前处理方法有溶剂处理法、化学处理法、紫外光照射处理法、等离子表面处理法等。目前塑料件的前处理主要采取化学处理方法来提高其表面能与极性。化学处理是采用有机溶剂和化学溶液去除塑料制品上的油脂、脱模剂及低分子添加剂等杂质。尽管采用有机溶剂处理成本高、毒性大,但其工序短、处理过程简单、不需加热及烘烤,且设备投资小,仍被广泛采用。
在选择清洗溶剂时,应综合考虑油脂、脱模剂的清除效果以及溶剂材料的溶解情况和溶剂的毒性等因素的影响。尽量选择毒性低,既有良好的清洗效果,又不会造成塑料件溶解的溶剂。同时,也要考虑底材的组成。PP 塑料抗溶剂性能良好,选择清洗溶剂要求清洗效果好,毒性低。因而醇、酮与非极性的烃或芳烃的混合溶剂是PP 塑料的优良清洗溶剂,然而却不能将这些清洗溶剂应用在抗溶剂性能差、能溶解在大多数有机溶剂中的ABS 塑料表面。经试验证明异丙醇和洗涤汽油的混合溶剂清洗ABS 塑料表面效果良好。化学处理法还会受到酸值、脱脂时间、脱脂压力、脱脂温度等因素的影响。
3.2 底漆和面漆
塑料涂装时用到的底漆包括:氯化聚烯底漆、氯化聚烯烃与其他树脂掺合底漆以及氯化聚烯烃与其他化合物或单体进行接枝共聚底漆[18]。底漆以无色和浅色为主,底漆施工时涂层应均匀,需喷面漆的部位应全部喷底漆,并保持适当的厚度以提高底漆与面漆之间的结合力。应用在门内板、空调出口、扬声器、门把手等部位的PP 材料在涂装时就需用通过底漆来增强其活性基团,提高底材与涂层的附着力[19]。然而,并不是所有的塑料都需要喷底漆,如ABS 等汽车内饰硬塑料件在涂装时就可以用溶剂清洗塑料件表面后直接喷面漆。所以在对汽车内饰件进行涂装时要根据底材的不同选择不同的涂装方式。在涂装面漆时应调节好涂料的出漆量、施工黏度和喷涂压力。在涂装时也要选择合适的稀释剂。其挥发速率应比金属涂装稀释剂的挥发速率稍快,防止涂层流挂。

4 展望
开发出经济适用、性能优异的汽车内饰涂料,必须掌握汽车内饰件所用塑料的类型和特点,汽车内饰涂料的性能及涂料施工时的注意事项。随着人们环保意识的增强、环保法规的完善、环保涂料研究的深入,汽车内饰涂料也会朝着环保健康的方向发展。而且,随着塑料在汽车外部应用的增多,给其带来了更广阔的应用空间。
 









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