汽车涂料的进展与挑战

   日期:2022-03-22     浏览:156    
核心提示:1 汽车及汽车涂料的产销2009 年我国汽车产销量分别完成1 379.10 万辆和1 364.48 万辆,同比分别增长48% 和46%,在全球经济不景气
1 汽车及汽车涂料的产销
2009 年我国汽车产销量分别完成1 379.10 万辆和1 364.48 万辆,同比分别增长48% 和46%,在全球经济不景气的年头已成为全球产销量的国家,但是,我国汽车工业在技术开发水平方面与世界汽车强国还有不小的差距。2008 年中国汽车累计产销量分别为934.51 万辆和938.05 万辆,同比增长5.21% 和6.70%,成为自1999 年后首次跌破10% 增量的年份,表1 列出了2008年世界主要汽车生产国中前四名的产量以及世界各地区汽车OEM 涂料市场值,日本汽车产量连续3 年位居世界,中国首次超过了美国,居第二位。
表1 2008 年世界各国汽车产量及世界各地区汽车OEM涂料市场值

从表1 可以看出:2008 年产量的日本汽车产量同比变化是-0.3%,而OEM 涂料的同比是1.5% ;我国的汽车产量同比是5.2%,涂料同比是7.5% ;美国的汽车产量同比是-19.3%,但是,北美的涂料同比却是-1.3%。耐人寻味的是中国的汽车产量是日本的80.8%,而涂料市场值之比却只有37.3%。

2 近年来汽车涂装的新工艺
近几年,出现了多种汽车涂装新工艺,各公司都报道了自己技术的优点,笔者归纳为以下2 类。
2.1 集成工艺
在DuPont 公司称为EcoConcept Finishing System或EcoConcept Process,图1 是其涂层结构示意图,底层是水性basecoat+ 稳定化的聚氨酯体系,中层是水性basecoat,上层是双组分清漆。


图2 为其工艺示意图,传统工艺的中涂层及其烘房被取消,它的功能都合并到水性basecoat 中,这必然带来了诸多好处。

2003 年,Volkswagen(大众公司)在Wolfsburg 试涂了800 辆,2005 年在墨西哥的Puebla 和西班牙的Pamplona 启用,至报道时已经涂装了20 万辆,2008 年在俄罗斯的一个新工厂使用。2007年4月,Volkswagen与DuPont 以其EcoConcept 工艺,被授予PACE(产品及周期优化工程)合作者奖。在BASF 公司该工艺被称为Integrated Process Ⅱ,于10 多年前就着手试验,2005 年7 月就绪。basecoat兼有中涂层的所有性能,包括抗石击、抗紫外线、优异的附着力等。在 BMW 的英国牛津的 MINI 生产线取得成功,生产线只要稍加改动。2007 年起,生产能力从年产18~20 万辆提高至24 万辆。在PPG 公司该工艺被称为Compact Paint Systems或 Compact Paint Processes,basecoat 分2 层,B1 层提供底漆、填充、抗石击和耐久性,B2 层提供颜色和附加的耐久性,B1 和B2 可以是水性或溶剂型涂料。2009 年3 月,刘继华等人报道了该工艺在奇瑞汽车公司的试涂情况。
2.2 3-Wet 工艺
Mazda 公司在2005 年宣布与Nippon Paint 合作研发了溶剂型3-Wet 工艺,即中涂、basecoat、Clearcoat 一起湿碰湿施工,降低VOC 50%(32 t/a,VOC 达35 g/m2),能耗降低15%,降低CO2 排放(8.8 t/a),basecoat 材料减少10%,并计划推广到日本的所有主要生产厂,后来也见到在中国工厂使用的报道。Mazda 和 Ford 公司在2007 年宣布在泰国合资建造工厂,初期投资5 亿美元,使用Mazda 的3-Wet 工艺,已于2009 年投产。Mazda 公司在2009 年6 月又宣布一项新技术:水性的Aqua-tech Paint System,已用于它的日本工厂Ujina Plant No.1,据称已达到VOC 排放标准和能耗产生CO2 的现时世界高标准:CO2 产生水平与Mazda已在日本广泛使用的3-Wet 工艺相同,而VOC 又进一步降低57%,达到车身面积计15 g/m2,涂装质量还有所改善。一般水性涂料降低了VOC,但是,烘干时耗能增加,产生较多的CO2,Mazda 解决了这一难题。Aqua-tech 工艺包括了涂装车间空调系统改进、新的高效水蒸发系统和涂膜的光泽、耐久性、耐石击性等的提高。
Toyota、Daihatsu 和Kansai Paint 合作开发了一种新的水性漆和新的涂装方法:水性中涂- 预热- 水性basecoat- 预热- 溶剂型高固体分清漆- 烘烤,VOC 降低70%,同时CO2 减少15%,2004 年12 月开始在大发分工厂采用。
2007 年,DuPont 公司在墨西哥Toluca 的通用汽车公司试行3-Wet 工艺,用于卡车和皮卡,缩短工艺步骤,用电量减少14%~21%,CO2 年减少量12~18 t。Ford 公司也开始采用3-Wet 工艺涂装U-Haul(一种旅游用车),涂装时间缩短20%,涂装车间空间缩小15%。他们还认为高固体工艺优于现行的水性-中固体的混合工艺,抗石击性和抗划伤性良好,还可省下赶走水分的能量。
如此之多的涂装新工艺未免有点令人眼花缭乱,在2008 年的一个重要进展是DuPont 将EcoConceptProcess 技术转让给了欧洲的一个重要生产者Bollig &Kemper,宣称的好处是:
生产过程能耗和溶剂排放降低约25%,物耗降低32%~25%,CO2 排放量每辆车减少约45~50 kg。诚然,我们不应该拘泥于这个选择,但可作为参考。集成工艺比3-Wet 工艺少了一道中涂漆,好处不言而喻,物耗、能耗都降低了,流水线缩短,但“填平”功能能否与中涂一样,仍是令人有所悬念,这会影响整个涂层的外观。3-Wet 工艺能否调整好每一层的固化速度和涂层的物理机械性能亦非易事。究竟孰优孰劣,只能拭目以待。

3 聚氨酯涂料化学的认识深化
2K(双组分)聚氨酯涂料在汽车涂料业界已为世人熟知并已广泛应用,图3 中的3 个反应已见诸教科书中,其中重要的反应是-OH 与-NCO 生成了聚氨基甲酸酯(聚氨酯),往往还教会读者如何计算这两个组分的比例。2004 年美国的Douglas Wicks 教授来华演讲时指出:水分和潮气的固化作用无处不在,两个组分的比例不应该由计算而得,应该由试验来决定。


2008年,Bayer Material Science的E.P. Squiller等人发表了各种聚氨酯及其它面漆的加速老化(QUV A 2 000 h和5 000 h)比较数据,见表2。正如蓝线勾出的2 组数据可见:-NCO/-OH=1.7 的涂料比-NCO/-OH=1.05 的要好许多,失光率分别是0/15% 和4%/48%。
表2 各种聚氨酯及其它面漆的加速老化比较1

注:1—ASTM D 4587-05 程序B UVA 340 ;曝露2 000 h,保光率由60°光泽读数测量。2—白色双组分溶剂型涂料(2.6 lbs/gal.)以六亚甲基二异氰酸酯三聚体加成物为基料;NCO/OH=1.05 ;PVC=18.9。3—市售涂料。4—配方中多异氰酸酯与多元醇配比为1.7∶1。
面漆的QUV A 加速老化研究见图4。合理的推论是双重固化机理共存,即异氰酸酯/ 多元醇固化;过量聚异氰酸酯的潮气固化。目前为止,Bayer 仅报道了加速老化数据,众所周知,加速老化与天然曝晒是有区别的,让我们期待日后天然曝晒数据的发表,但对涂料制造者来说,现在就应该开始做更多的试验来决定配方,而不是依靠计算。

4 清凉的深色汽车涂料
夏天人们懂得穿白色或浅色的衣服以求凉快,黑色或深色的汽车涂料也同样会给车厢里带来高温,我们不得不耗能去降温。日光光谱中紫外光和可见光分别约占5% 和45%,而近红外光几乎占50%,普通黑漆几乎全部吸收,只能反射掉5%,其它色漆取决于不同颜色,约可反射掉入射光中的30%~45%。图5 显示出钛白的热量积聚约达42℃,而炭黑高达约62℃。在美国加州甚至有人提出立法,要求所有的汽车应该是白色或浅色,但是近的信息是法案并未获得通过。


现在人们已经找到一种“清凉颜料”,它们可以反射掉较多的光能,但是仍然显现出黑色或深色,例如:Paliogen Black、Lumogen Black、Sicopal Black、Heucodur 系列颜料等。
直接用“清凉颜料”制成的面漆反射掉光能是一种方法,另一方法是应用“茄子效应”,在阳光下,手握茄子你仍然会感到是凉的,图6 示意出它的原理,表层是深色并吸收可见光,但是对红外光是透明的,由它的下层白色将红外光反射出去,也就是说,让光穿过basecoat,由底漆(中涂- 下同)将它反射出去,清凉涂料有诸多优点,但是至少有3 个缺点:,由于透明黑颜料遮盖力差,成本提高60%,价格的提高与配方中用多少颜料有关,可能会翻倍。第二,假如被喷涂在浅色或白色底漆上,要达到必需的遮盖力,要使用更多的涂料,进一步提高了价格。第三,清凉涂料有可能冲击集成工艺,理论上应该是可用的,但还要做更多研究,以便不要抵消集成工艺所带来的好处。清凉深色汽车涂料不仅是汽车色谱问题,降低热积聚,既降低能耗,又延长了涂膜寿命。聚合物热降解少,热变形少,有关它们的研究还在进行,有关立法听证有待进行,汽车协会也正在做进一步的比较。


5 汽车涂料面临新挑战——预膜工艺
笔者于2005 年曾经报道过“汽车涂料之否定?”“薄膜代替涂料”即“Paint Film”。近年来,这个“预膜工艺”进展很快,2007 年6 月,其制造商称:10 年内,主要的汽车制造者将不再使用涂装——塑料预膜的整车是很有可能的。2009 年5 月,世界首辆100%预膜外表面汽车问世。早期用于飞机的小件贴膜,防腐、抗磨,比涂料轻,价廉,容易更换,后来,法国的Yamaha Motorcycles选中 XPEL Technologies Corp. 制成8 μm 的薄膜,用于法国国民警卫队的巡逻摩托——2006 YamahaFJR-1300 的油箱和侧盖。随之,自然的设想是“既然能用在小件上,为什么不能用在大件上呢?”逐渐地,在汽车、重卡、家电、电脑、手机、家具、日用电子品和船舶零部件,建筑和标牌上已经大量使用,从2002~2007 年的5 年中,已有超过4 000 万件制品使用了预膜工艺,汽车工业是大用户,由于它也能制成像镀铬的外观,正在取代传统的镀铬工艺。预膜工艺的主要制造者Soliant 经过20 年的发展,已经在OEM部件上广泛使用,Honda、Toyota、GM、Audi、Volvo 和
Mercedes 都已使用,有140 种颜色。2006 年7 月,Durakon Industries 完成设备,向GMBuick Lucerne 供货,年产25 万件 Rocker Panels,12种颜色。2007 年12 月,预膜工艺开始应用于08 JeepWrangler Sahara 二门和四门车的前后保险杠。表3 分别列出了溶剂型、水性和预膜工艺的每辆车的VOC 平均排放量和如果以每辆240 ft2 计的单位平方英尺的VOC 排放量,从表中可见:预膜工艺VOC 排放量几乎为0。

显然,预膜工艺优点很多:
● 环境污染小;
● 设备投资少;
● 改型快;
● 材料使用率高;
● 没有桔皮;
● 废料少,不需要处理废漆;
● 比金属质量轻,降低汽车的油耗。
Soliant 公司在2006.2.28.~3.2 于亚特兰大召开的GPEC 2006(全球塑料环境会议)上,由于发明预膜工艺已商业化获环境奖,新工艺比传统的涂料工艺降低98%的VOC 排放。在2008 年全球塑料环境会议上又获成就奖。
图7 是预膜的结构示意图,上面的透明层是PMMA、PVDF 和PU 的共混物,下一层可以是照相凹版印制花纹,如木纹、大理石纹等,也可以是珠光、金属色、“铬色”等各种颜色层,基底层是ABS、TPO、PC等材料,某些情况还需要黏合层。


预膜的成型加工工艺有压敏贴纸、汽车贴膜、热成型、注塑、挤塑、挤出层压片、In-Mold Decorating(IMD)、In-Mold Foil(IMF)、热成型(真空、压力)、插入注模等等。
图8是预膜的制造过程示意图,辊涂是主要的方法。

图8 预膜的制造
正如本节一开始所言,世界首辆100% 预膜外表面汽车已于2009 年5 月问世,通常涂装线投资占总成本40%,占地面积也要占30%~40%,采用预膜工艺可节省百万美元的成本,三废排放大大降低,工厂每年可节约用电1.5 亿度,相当于17 000 户美国家庭的用电量。另一个预膜工艺用户估算可节省2 300 万度电,相当于13 200 桶石油,节水115 000 t。它的工艺过程未见详细报道,引人注意的是BASF 是它的合作者,提供了耐磨擦、耐刮伤的UV 固化膜技术。除了BASF 以外,另一动态是Akzonobel 将投资5 000 万欧元购并Soliant LLC 和Lord 公司的某些业务,原来预计2008 年9 月底可获批,但至今还未见正式完成的报道。预膜工艺的缺点是制作有花纹的部件时不能过度延伸;必须大批量生产才能达到经济性;对现有的汽车流水线要改成预膜工艺是个“艰难和痛苦”的问题。预膜工艺要取代汽车涂料,可以设想还有以下诸难点值得探讨:
(1) 汽车制造中有这么多金属件和金属结构大件,塑料是一时难以取代的,尽管预膜也可用于金属,但是,表面处理和电泳涂装是不可或缺的,它们的防腐等综合性能以及特有的泳涂优点是无法取代的。
(2) 从现有资料来看,预膜是热塑性含氟共混体,这就回到汽车涂料发展史上热固性取代热塑性的问题上,为了保证热塑性膜的高性能,也许这是Soliant 不得不引入昂贵的含氟聚合体之故。如果注意到合作者BASF 提供了耐磨擦、耐刮伤的UV 固化膜技术,也许就是为了解决这个问题。
(3) 预膜工艺消除了桔皮,但是,光泽应当就依赖于滚筒或模具的表面状态,能否胜过涂料呢?
(4) 如果汽车部件改变形状,涂料和涂装是没有关系的,但预膜恐怕就难以适应。
(5) 预膜的制造还是要使用涂料和辊涂。
(6) 施涂黏合剂也等于辊涂一层涂料。
Soliant 开发预膜工艺已经许多年,近来的进展也极快,毕竟这是一项值得涂料、涂装业界重视的新挑战,国外大公司的动态也显示了它们的意图。
 









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