汽车面漆涂层材料的研究现状与存在问题

穆 颖1, 曲辉德2, 袁 兴1, 周 铭1
( 1. 中海油常州涂料化工研究院, 江苏常州213016; 2. 一汽解放青岛汽车厂, 山东青岛266043)

0 引  言
随着汽车作为高档消费品进入普通大众的消费视野, 汽车及其表面涂料的年产量均以超过10%的增幅呈现在人们面前, 与此同时汽车的外观与使用寿命日益受到重视。汽车表面涂层的美观及耐久性在很大程度上取决于表面涂层材料的质量与涂装工艺水平, 尤其是面漆涂层材料对车辆的外观与耐光性的影响更为重要。正因多年来研究人员从面漆涂层材料中的树脂合成入手, 通过对反应性官能团特性、交联密度、颜料的光与化学品敏感性、颜色的色饱和度等进行探索, 使汽车面漆越来越具有观赏性和耐久性。我国虽然是汽车生产与消费大国, 但中、高档汽车面漆的国产化率极低, 市场几乎为国外知名品牌所垄断, 这既有中、高档汽车受国外垄断的因素, 亦有国产产品在外观、性能及施工性等方面尚存在不足的因素。本文拟从几方面阐述汽车面漆涂层材料的研究现状,并就其发展过程中存在的问题提出自己的想法, 希望能对我国汽车面漆的研究与发展有所裨益。

1  成膜树脂
汽车面漆发展到今天, 水性化、高固体化、粉末化都逐渐走入人们的视野, 然而这些涂料在基料的组成上仍然都围绕着聚酯、聚丙烯酸酯展开, 功能性单体的不断涌现, 极大地丰富了面漆成膜树脂性能向多方面扩展。研究发现, 在聚丙烯酸酯结构中引入酯环结构、叔碳酸基因, 面漆涂层不仅能得到较好的鲜映性, 而且保光性、耐酸雨性显著提高; 在主链中引入苯环结构, 当其含量控制在一定范围内时, 对耐候性并没有太大影响, 并不影响户外的使用, 但涂层的鲜映性都有明显改观; 在聚丙烯酸酯的组成结构中, 碳链较长( > C10 )时有利于提高涂层的丰满度, 而适中的碳链结构( C4~ 6 )则涂层具有很好的耐候性; 碳链较短, 外观较差; 将饱和脂肪酸及其酯类引入聚丙烯酸酯的侧链或其聚合物与聚丙烯酸酯形成互穿结构, 成膜后涂层的鲜映性较为理想。
近期Bayer公司推出了利用天门冬氨酯聚合物作为高耐候性材料用于车辆面漆的技术, 它利用- NH 2 与- NCO 产生的脲, 加剧了高分子的软、硬段微相分离程度, 有利于形成微区结晶, 改善了涂层的耐光与耐酸雨性。聚酯化合物作为烘烤型汽车面漆的成膜树脂, 具有极高的利用价值。这是由于当氨基参与交联后, 涂层中亲水性官能团因数量增加使成膜后的涂层表面易吸附一层水雾而影响涂层的清晰度, 如果采用纯聚丙烯酸体系, 其涂层表现得将更加瘦弱, 而聚酯相对于聚丙烯酸酯而言具有良好的疏水特征,这样可抵消一部分因氨基的引入而对水分子产生的敏感性。这一趋势在水性氨基涂料中表现得更为明显, 由于分子中亲水性官能团被大量引入, 所以雾影更严重、光泽更低, 水性氨基丙烯酸涂料为了减少VOC的含量, 有从水溶性向水分散体转移的动向。
多重交联固化型丙烯酸树脂亦是汽车面漆用成膜树脂受到关注的话题之一。光固化、热交联双重固化与聚氨酯型交联并用的涂层材料体系既可改善涂层的施工效率, 而且涂层的交联密度得到了大幅度提升, 这一动向在罩光清漆中尤其受到重视。粉末涂料由于在环保上的价值, 近年来亦受重视,BMW 公司采用PPG的粉末罩光体系, 由于熔融温度低, 因此流平性极好。目前粉末涂料成膜树脂的研究动向主要在于多元酸复合固化、环氧等功能性官能团的交联活性、交联剂的反应活性等方面。

2 颜料与填料
作为车辆涂料用面漆, 其良好的耐候性和对色饱和度的追求预示着要求颜填料具有极好的耐光性与耐候性, 而且生物毒性、颜料相互之间的作用等对新型颜料的制备与使用也提出了新的要求。目前我国新颁布的汽车漆标准及国外汽车漆中对有毒有害物质都有极为严格的限制, 如重金属、苯胺类多环芳烃以及偶氮、蒽、醌结构化合物等都被禁止使用。不仅如此, 如果结构中含有卤素, 不论是否可被萃取, 只要具有生物吸附性, 都在被禁用的范围。然而, 有些传统颜色的色相很难被替换, 致使其使用一直被延续着, 如铬系颜料直到近才被汽车漆强制摒弃。目前汽车面漆用颜料不仅在生物毒性上有严格的限制,而且对其耐候性、耐光性的要求亦突破了传统意义上的定义。
传统意义上某种颜料的耐光性与耐候性主要是指其原色的耐光性与耐候性, 一般不涉及冲淡色。事实上, 所有的颜料在一起共存时可能存在相互作用, 加之目前对颜料耐光性与耐候性的分级较粗放, 且大多数有机颜料的着色力较好, 当其含量较高时, 虽然在结构上缓慢发生变化, 但肉眼由于受其颜色较深的影响仍保留着良好的色饱和度, 而难于分辨, 一旦其浓度被稀释, 受环境影响其结构会发生改变进而导致颜色变化并直接改变面漆涂层的色相, 且视觉效果明显, 这一现象由轻逐渐到重的顺序为: 蓝- 绿- 黄- 紫- 红。因此, 目前对颜料冲淡后其耐候性和耐光性也有较高的要求。
为改变彩色颜料冲淡色耐光性不足的问题, 研究人员采用多种途径寻求解决方案, 通过对颜料表面进行惰性化处理、改变彩色颜料的结构和光活性等, 目前C iba 等公司已开始有冲淡色耐光性良好的红色颜料投放市场。彩色颜料的耐候性除与耐光有关外, 还受制于耐酸雨性,所以一般情况下, 在颜料表面包覆一层耐酸雨的无机复合化合物并形成致密层, 可有效提高其耐酸碱性。针对不同的颜料, 其表面处理方式不同, 如铝颜料通常采用Cr2O3等进行包膜[ 1] , 大多数颜料为了改善在涂料中的分散性还在无机包覆层外再包覆一层有机化合物, 而高分子类的有机化合物能使包覆层处于更稳定的状态。
通常, 体质填料不适合在高光体系的汽车面漆中使用, 因为其对涂层的光泽、鲜映性等稍有影响。然而现代汽车面漆涂料配方设计时, 往往会加入少量硬质体质填料, 虽然对光泽等稍有影响, 但对提高涂料研磨效率以及改善涂层的干性、流挂性、硬度等均有一定的帮助, 尤其是在汽车修补漆中, 目前配方中使用较多的有重晶石粉、硅微石粉等。

3  纳米技术的应用
纳米材料在汽车面漆中的应用自纳米材料研究之初就已开始, 将纳米T iO2 用于铝粉漆中产生随角异色效应, 以及利用纳米T iO2 ( R )对紫外光的吸收提高涂膜的隔热性、耐老化性等是汽车面漆中比较成功的应用实例[2] 。近年来, 人们逐渐发现, 纳米粉体的存在同样可以提高面漆涂层的抗划痕性。在聚氨酯清漆中加入15% (质量分数)纳米粉体, 可提高清漆涂层的光泽、流平性, 并可平衡机械性能[3] 。为了不影响汽车色漆的装饰效果, 在色漆表面涂一层透明的纳米隔热涂料, 该纳米粒子是具有宽能隙的n- 型纳米半导体材料, 如氧化铟、氧化锡、氧化锑或它们的复合氧化物, 可使该涂层对红外光具有较高的反射率( > 70% ), 而对可见光又具有很高的透光率( > 80% ), 在紫外区有很高的吸收能力( > 90% ), 具有隔热、耐老化、透明等特征。严勇等[ 4] 将纳米S iO2 用于丙烯酸罩光漆中, 在利用KH - 560事先对纳米S iO2 进行处理, 研磨分散后得到的罩光涂层, 漆膜的耐磨性可提高48.7%。作者认为,纳米S iO2 与基体中分子链吸附、键合后, 纳米S iO2 粒子在受到摩擦时起到润滑作用。