水性汽车涂料的研究进展
何 亮 周 铭 陆朝军 谭正太 （ 江苏省水性涂料工程技术研究中心，江苏扬中 212221）

0 引言
目前国内外的汽车涂料主要还是以溶剂型涂料为主，这些体系中大量的挥发性有机化合物不仅会对环境造成严重污染，也会对人体造成伤害，同时挥发到空气中的这些有机化合物也是对资源的一种严重浪费。汽车涂料向水性、高固体分及粉末涂料方向发展是大势所趋。与溶剂型涂料相比，水性汽车涂料不仅环保，同时还拥有更多不可替代的优势，如出色的流平性、附着力、耐磨性、鲜映性以及丰满度，色泽与功效等都比较接近原厂品质。因此，环境友好型、资源节约型水性汽车涂料是当前汽车涂料的研发热点之一。目前，水性汽车涂料在欧洲国家使用较为广泛，我国也为使用水性汽车涂料做好了备［1］。水性涂料以水为溶剂，由于水的表面张力较大，蒸发速度缓慢，使水性涂料在涂装过程中对环境的温湿度变化比较敏感，容易产生气泡、缩边、流挂等各种涂膜缺陷，所以水性汽车涂料的应用仍有许多问题有待解决［2］。汽车涂料主要包括底漆、中涂漆、面漆，其中面漆又分为本色漆和金属闪光漆。本文从底漆、中涂漆和面漆3 个方面分别介绍国内外水性汽车涂料的研究进展。

1 底漆
汽车涂料的水性化是从下层的底漆开始的，先使用的是水性浸涂漆，主要是为了防止溶剂型涂料在浸涂槽中由于有机溶剂的大量挥发导致着火爆炸。目前尚存的浸涂漆几乎都是水性丙烯酸和环氧酯类。采用浸涂涂装的涂层防腐蚀性和外观不能完全满足要求，在这样的环境下，电泳底漆应运而生。与浸涂类底漆相比，电泳底漆涂装效率高，防腐性能优良，漆膜外观良好，尤其是具有极低的挥发性有机化合物（VOC）排放量，因此发展迅速。在20 世纪60 年代，开始使用水性阳极电泳涂料（ADE），相继问世的ADE 主要有环氧酯、酚醛、聚丁二烯、丙烯酸等几类。发展到70 年代开始使用水性阴极电泳底漆（CED），与ADE 相比，CED 在防腐性、物理力学性能等方面都更加优异，VOC 排放量更低，更符合环保要求。目前CED 主要有丙烯酸、环氧、聚氨酯以及聚丁二烯等几类。虽然目前汽车涂装主要采用各类CED，但是到20 世纪80 年代，西欧和日本仍有一部分汽车采用ADE。
欧美等发达国家使用CED 的程度较高，目前底漆已有90% 以上采用CED。经过几十年的发展，国外CED 已发展到第5 代，更新一代的产品已经在实验室取得成功。CED 的发展方向是开发无铅、无锡、低温固化的涂料新品种。美国PPG 公司CED 产品的发展方向是向4 个零（挥发性有机化合物含量、超滤液排放量、重金属含量、颜料含量均为零）方向发展，同时进一步提高抗石击性和节约能源，降低烘干温度。PPG 公司成功开发了双层电泳系统，大幅度降低了施工价格，同时提高了涂装效率，其VOC 接近于零［3］。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。
我国的电泳涂料发展较快，从阳极电泳涂料应用开始，经历了几十年的发展历程，基本上与国外保持同步。涂有BASF 水溶性底漆的上海大众Excelle汽车已在上海大众汽车生产线生产，这标志着中国首次在汽车核心使用水溶性底漆技术，VOC 排放量非常低。但是受条件、价格等因素的限制，目前我国仍有一部分汽车底盘、车架、零部件等采用水性浸涂漆，如常州涂料化工研究院的水性环氧聚酯浸涂漆及北京红狮的水性丙烯酸氨基浸涂漆［4］。

2 中涂漆
中涂漆也称二道浆，是用于汽车底漆和面漆之间的涂料。其主要功能是进一步填补、修正已涂底漆的工件表面，提高其平整度，以使面漆的鲜映性、丰满度、光泽等均有较大程度提高，同时它还可以吸收一定的冲击能量，提高涂层的抗石击性。一般对中涂漆的主要要求是：与底面漆具有良好的配套性，机械性能适中，能够填平、消除底漆层的缺陷，同时具有良好的耐磨性。
20 世纪90 年代，随着涂料水性化步伐的加快，尤其是欧洲，中涂漆已实现了水性化，日本紧跟其后，日产汽车公司村山工厂已经使用日本油脂公司生产的水性中涂漆，但由于生产成本高，环保要求没有欧美苛刻，日本水性中涂漆普及情况尚不及欧美发达国家。在美国广泛采用了一种带颜色的水性中涂漆，减少了涂料的用量，同时也减少了流挂等弊病，降低了返修率。与溶剂型涂料相比，水性中涂漆可增加底漆与面漆的附着力，提高面漆的鲜映性和丰满度，使整车装饰效果更佳。目前，国外汽车用水性中涂漆主要采用水性聚酯氨基树脂和封闭聚氨酯树脂两种，制备的涂料固体分高，烘烤温度低，漆膜性能与传统的溶剂型涂料相当，抗石击性优于溶剂型中涂漆，如专利文献US 5886085、EP 576952、WO 9535350 等介绍的中涂层附着力强，抗石击性好，目前欧洲国家水性中涂漆使用率已达31%［5］。水性中涂漆向高耐磨性、高抗石击性以及与面漆同色化的方向发展。我国已有水性中涂漆研究成果［6］，专利号为01138041.1 的专利，介绍了一种汽车用水性中涂涂料，制备的涂层具有优异的柔韧性及层间附着力。北京钰林化工有限公司经过两年多的艰苦攻关，在水性汽车涂料研发方面取得突破，制备的水性中涂漆，解决了中涂漆的打磨和层间配套问题，具有良好的实用性［7］。

3 本色漆
本色漆作为汽车面漆的一种，要求其具有比底漆更完善的性能，耐候性是面漆的一项重要性能指标。早期汽车面漆主要采用醇酸树脂以及硝酸纤维素类作为成膜树脂，但是耐候性不佳，后来改为热塑性丙烯酸树脂，耐候性得到了较大的改善［8］。20 世纪30 年代，汽车面漆主要采用硝基漆、自干醇酸漆以及过氯乙烯漆；80 年代主要采用氨基醇酸漆、热塑性丙烯酸漆、热固性丙烯酸漆等，涂层的耐候性、防护性得到了很大改善，颜色也呈现多样化，表观丰满。到70 年代，单层本色漆仍是汽车总装厂的，直到近，欧洲以及世界上一些地区仍有不少汽车组装厂将醇酸- 氨基烤漆用于轿车、轻卡、卡车等车辆上，而北美等地则习惯采用丙烯酸- 氨基烤漆。90 年代以来，随着人们环保意识的增强，为了减少汽车面漆VOC 排放量，开始探索采用水性面漆。汽车水性本色面漆经历了几个发展阶段：早是纯丙烯酸型本色面漆，具有丙烯酸漆的优点，保光和保色性好，耐水性及耐候性优良，但是丙烯酸树脂的相对分子质量较大，施工固体分低，稀释时假稠严
重，容易使漆膜丰满度不佳，光泽不高；后来用聚酯改性丙烯酸树脂，通过顺丁烯二酸酐将聚酯分子引入丙烯酸主链中，因为聚酯的相对分子质量较小，施工固体分高，漆膜丰满，光泽较高。
目前一些西方发达国家新建汽车涂装线上已经采用了水性汽车面漆，我国基本上还处于溶剂型汽车面漆阶段。常州涂料化工研究院在水性汽车本色漆方面也进行了相关的研究，采用聚酯聚氨酯改性丙烯酸树脂，制得一种带亲水链段和疏水链段的水分散型树脂，降低了体系的VOC 含量，并提高了漆膜的各项性能。在我国，水性汽车面漆的使用主要集中在上海通用、上海大众、一汽大众等合资企业，自主品牌汽车企业中，上海汽车走在了前沿，临港涂装车间面漆也采用了水性涂料［9］。

4 金属闪光漆
金属闪光漆是中涂层和罩光清漆层之间的涂层。它的主要功能是着色、遮盖和装饰作用。汽车生产过程中大部分VOC 排放就集中在金属闪光漆的涂装过程中，因此采用水性金属闪光漆可以大大降低VOC排放量，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闪光效应。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。
水性金属闪光漆主要采用水性丙烯酸和水性聚氨酯两类体系，这两类树脂本身具有一定假塑性，有助于片状颜料定向，产生随角异色的闪光效果，使制得的涂层具有良好的外观装饰性，如专利文献US 4539363、EP 554780、US 6001915 等均有详细介绍；欧洲专利EP 1149635 介绍了一种采用水性聚氨酯体系的金属闪光涂料与粉末罩光涂料的配套使用情况；专利EP 397806、EP 528331、WO 17546、US4822685 等均介绍了水性聚氨酯体系配制的水性金属闪光涂料及其应用工艺［10］。目前水性金属闪光漆的发展趋势是高光泽、高鲜映性、高耐候性、耐划伤性及耐酸雨性。伊士曼公司开发成功的水性CAB（乙酸丁酸纤维素）制备的涂料具有良好的施工性，防沉性和抗流挂性优异，涂层的闪光指数高。由于水性金属闪光漆特殊的流变性，颜料具有良好的定向，金属闪光效果优异，且施工应用技术也相当成熟。据通用汽车公司预计，2020 年前全球大部分汽车厂均会采用水性金属闪光漆。与发达国家大量使用水性金属闪光漆相比，我国汽车涂装线一般还是采用溶剂型金属闪光漆，但是在水性金属闪光漆研究方面还是取得了一定的进展，缩小了与国外的差距，研究成果有待进一步推广应用。专利98111238.2 以合成的核壳乳液为水性金属闪光漆的基料，以氨基树脂作为交联剂，并加入各种效应颜料，如水性铝粉、珠光粉、透明颜料等，制备的涂层随角异色效果优良。常州涂料化工研究院开发了一种具有核壳结构的乳液聚合物，将其用于涂料中，制得一种水性金属闪光漆，克服了流挂现象以及罩光清漆的“回溶”问题，涂膜具有良好的流变性和较高的光泽，同时“863”国家攻关项目完成了水性金属闪光漆的研制，目前项目成果主要用在自行车零部件上，经全面考查合格后，可以在汽车领域进一步推广应用。

5 罩光清漆
罩光清漆是汽车整个涂层中的后一道涂料。它的主要作用是装饰和保护，决定了涂层的耐久性和外观，同时作为整个涂层的外一层，这就要求其具有比底涂层更完善的性能。早期罩光清漆主要采用硝基漆、醇酸漆和过氯乙烯漆，后来发展为氨基醇酸漆、热塑性丙烯酸漆和热固性丙烯酸漆，涂层的耐沾污性等有了显著提高，从而大大改善了涂层的防护性。与此同时，汽车面漆在颜色方面也逐渐走向多样化，涂层外观更丰满、更诱人。水性罩光清漆是20世纪90 年代才开发的环保型涂料，因为价格高、性能尚不及传统的溶剂型清漆，因此水性罩光清漆发展较为缓慢。
早的水性罩光清漆为单组分，施工性和机械性能等各方面都不佳，后来逐渐过渡到双组分，涂膜的性能得到明显改善，如Herberts［11］研制的水性罩光清漆具有良好的物理机械性能，已经应用在大众汽车公司的一些新涂装车间。相关专利技术也展示了水性罩光清漆所取得的研究进展，如德国专利92110626.2 介绍了一种水性罩光清漆，由水可稀释的聚丙烯酸酯和封闭的聚异氰酸酯等组成，该涂料的成膜性能优异［12］；中国专利03813663.5 所述的水性罩光清漆具有优良的耐酸碱性和抗划伤性，涂层具有良好的装饰性［13］；专利US 5747590 介绍了一种耐擦伤的水性汽车清漆，通过水性丙烯酸聚合物与三聚氰胺交联而实现［14］。我国汽车罩光清漆基本上还是以溶剂型为主，这方面与国外差距较大，但是还是有一些单位在这方面取得了一定的成果。
综上所述，水性汽车涂料一直都在向更环保、更节能的方向发展，这些方面欧美国家走在前列，而我国水性汽车涂料技术的发展远远落后于发达国家的发展水平，汽车涂料水性化进程受到技术阻碍，但是在具体的一些方面也取得了较大进展。常州涂料化工研究院走在了我国水性汽车涂料开发的前列，其开发的水性中涂漆、水性金属闪光漆、水性本色漆等，VOC 排放量已经达到了欧美国家的当前标准。进一步缩短与欧美国家的差距依然是我国广大水性汽车涂料研发者未来的研究重点。

6 展望
相对于传统溶剂型汽车涂料，水性汽车涂料节约资源，对环境友好，是未来汽车涂料的发展方向。虽然我国汽车涂料水性化的进展较为缓慢，但是整个社会的环保意识已经悄然发生了变化，越来越多的涂料企业开始开发水性汽车涂料，但是水性化进程较为艰难，这主要是因为水性化技术不够成熟，施工工艺试验难以进行，以及一些亟待解决的问题没有得到圆满解决，严重地阻碍了水性汽车涂料的正常发展，更主要的是我国大部分的涂料企业只注重短期利益，不愿意花过多的人力和物力进行超前的技术储备。另外，我国汽车涂料生产企业与汽车厂配合还不够，毕竟我国汽车厂的环保压力并不是很大，国家出台的相关环保法规并没有强制执行，而我国汽车厂降低成本的压力较大，不愿冒险做试验，使水性汽车涂料仅限于实验室成果，后期施工试验不够，不能给汽车厂提供整套成熟的产品及相关服务，从另一个方面也制约了水性汽车涂料的发展。正是因为这些情况限制了我国水性汽车涂料的应用和推广，只有逐步解决了这些问题，水性汽车涂料才能得到快速发展。我国作为全球汽车需求量和产量大的国家，汽车需求量每年保持两位数的增长速度，汽车涂料在我国有着广阔的市场。为配合汽车工业节能减排，发展环保型水性汽车涂料，并倡导汽车涂装工艺的清洁生产，成为汽车涂料生产企业和涂装工程师的关注重点。