水性汽車涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
時(shí)間:2005-10-17
摘要：綜述水性汽車涂料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，討論了國內(nèi)水性汽車涂料發(fā)展中存在的問題，簡要探討了水性汽車底漆、水性汽車中涂及水性金屬閃光涂料的主要技術(shù)路線。
關(guān)鍵詞：水性汽車涂料；發(fā)展現(xiàn)狀；環(huán)保涂料
0 引言
近幾年來全人類最關(guān)注的話題之一就是環(huán)境保護(hù)問題。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展 ，汽車涂料的用量也在不斷增長，2004年汽車新車用（OEM）涂料的總需求量將超過16萬噸。目前國內(nèi)汽車涂料以溶劑體系為主，其中大量的VOC（揮發(fā)性有機(jī)物）對環(huán)境造成的污染日趨嚴(yán)重，世界各國相繼制訂了相關(guān)法規(guī)以限制涂料VOC 的使用量。例如德國95年生效的清潔空氣法規(guī)中要求，噴涂施工時(shí)，每平方米有機(jī)揮發(fā)物排放量不大于35g/㎡。而傳統(tǒng)的溶劑型涂料VOC排放量約125 g/㎡。為了達(dá)到環(huán)保要求，汽車涂料正在向水性化、高固體分及粉末涂料方向發(fā)展，其中水性化技術(shù)是最有效的途經(jīng)之一，尤其是目前最流行的金屬閃光涂層，其VOC 排放量占總量的66%，該層涂料水性化后，整車VOC排放量可減少一半以上。如果車身涂裝全部采用水性涂料，則VOC 排放量可降低至27 g/㎡1,完全達(dá)到最嚴(yán)格的環(huán)保要求。
1 水性汽車涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀
汽車涂料主要包括底漆、中涂、面漆，其中面漆又分為本色漆和金屬閃光涂層，一般金屬閃光涂層由金屬閃光底色漆與透明罩光清漆組成，采用二涂一烘方式施工。由于水的表面張力大，蒸發(fā)速度慢，使得水性涂料在涂裝過程中對環(huán)境溫濕度變化比較敏感，容易產(chǎn)生漆膜缺陷如氣泡、縮邊、流掛等，所以水性汽車涂料的應(yīng)用總是滯后于溶劑型涂料。
汽車涂料的水性化進(jìn)程是從底到面逐步進(jìn)行的，早在60年代歐、美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)率先使用水性電泳底漆，目前底漆已有90%以上采用水性涂料，88%汽車中涂也已采用水性化技術(shù)，水性金屬閃光底色漆的應(yīng)用超過了65%，罩光清漆則大多采用高固體份涂料或粉末涂料，水性罩光清漆正在研究完善,工業(yè)化應(yīng)用較少。如德國的大眾、通用、寶馬、克萊斯勒等汽車公司均采用水性中涂和水性底色漆。
國內(nèi)的水性汽車涂料發(fā)展則不容樂觀，除了底漆大部分水性化以外，水性中涂及水性面漆均未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。由于國內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展參差不齊，其中高檔轎車底漆大多采用水性的陰極電泳涂料，中涂及底色漆采用溶劑型聚酯氨基體系或丙烯酸氨基體系，而罩光清漆則采用溶劑型丙烯酸與封閉型聚氨酯交聯(lián)體系，目前主要依賴進(jìn)口或合資企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品；另外國內(nèi)還有很多微型車、卡車等由于價(jià)格限制，涂裝質(zhì)量相對偏低，底漆也只有一部分采用水性電泳涂料，相當(dāng)一部分汽車底盤、車架、零部件等采用水性浸涂漆，如常州涂料化工研究院的水性環(huán)氧聚酯浸涂漆及北京紅獅的水性丙烯酸氨基浸涂底漆；甚至還有一部分仍采用溶劑型丙烯酸氨基噴涂或浸涂，不過近幾年來各類汽車的防腐要求越來越嚴(yán)格，考慮到避免火災(zāi)隱患、達(dá)到安全高效生產(chǎn)，從溶劑型底漆轉(zhuǎn)化為電泳涂料的趨勢明顯。
2 水性汽車涂料的研究現(xiàn)狀及趨勢
汽車工業(yè)較發(fā)達(dá)的國家非常重視水性汽車涂料的研究開發(fā)，新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)。電泳涂料的發(fā)展趨勢是無重金屬（Pb,Sn等）、超低溫固化（130℃-140℃）、邊角遮蓋效果好，PPG公司還成功開發(fā)了雙層電泳系統(tǒng)，第一層為無鉛的陰極電泳涂料（黑色，導(dǎo)電），第二層為耐石擊電泳中涂（灰色或彩色）。水性中涂可增加底漆與面漆的附著力，提高面漆的鮮映性及豐滿度，使整車裝飾效果更佳。目前主要采用柔韌性好的水性聚酯樹脂為主要成膜基料，配以氨基樹脂或封閉型聚氨酯樹脂固化劑，如專利文獻(xiàn)US5886085、EP576952、WO9535350等介紹的涂層附著力強(qiáng)，抗石擊性好。水性中涂要求具有高耐磨性、高耐石擊性并有與面漆同色化趨勢。水性底色漆主要采用水性丙烯酸氨基和水性聚氨酯兩種體系，該類樹脂本身具有一定假塑形，使片狀顏料良好取向，產(chǎn)生隨角異色的閃光效果；如專利文獻(xiàn)US4539363、EP554780、US6001915等均有詳細(xì)介紹，水性閃光漆的發(fā)展趨勢是要求高光澤、高鮮映性、高耐候性、耐劃傷性及耐酸雨性。最近伊士曼公司的水性CAB開發(fā)成功，引入到水性閃光漆中，能明顯改善施工性，起到防沉和抗流掛作用，得到的涂層閃光指數(shù)更高；另外珠光粉、熒光粉等特殊效應(yīng)顏料的應(yīng)用使得水性閃光漆的外觀裝飾性更好，色彩變化更豐富。由于水性金屬閃光漆特殊的流變性，更有利于片狀顏料良好取向，可獲得優(yōu)異的金屬閃光效果，且施工應(yīng)用技術(shù)也相當(dāng)成熟，通用汽車公司預(yù)計(jì)，2020年前全球大部分汽車廠會采用水性金屬閃光漆。
常州涂料化工研究院是國內(nèi)較早開始研究開發(fā)水性汽車涂料的，七十年代就開始探索各種水性工業(yè)涂料，在“七五”到“九五”期間，承擔(dān)多項(xiàng)國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，先后開發(fā)成功電泳涂料，水性環(huán)氧聚酯浸涂底漆，水性聚酯中涂及水性汽車面漆；“863”國家攻關(guān)項(xiàng)目完成了水性金屬閃光涂料的研制。同時(shí)與東風(fēng)汽車公司工藝研究所合作進(jìn)行了中試生產(chǎn)及施工工藝試驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后，整車試涂裝飾效果良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到汽車廠要求（主要性能指標(biāo)見表一）。目前，水性閃光漆及水性罩光清漆暫時(shí)運(yùn)用在自行車零部件上，經(jīng)過全面考查后，可以在汽車領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
表一 水性中涂與水性閃光漆達(dá)到的主要性能指標(biāo)
項(xiàng)目 水性中涂 水性閃光漆
VOC，%，≤ 10 10
施工固體份，%，≥ 45 16
貯存期，月, ≥ 6 6
閃點(diǎn)，℃，≥ 70 80
光澤（60º），%，≥ 60 95
閃光指數(shù)（FI），≥ / 10
硬度（鉛筆），≥ H 2H
附著力，級 0 0
沖擊，cm 50 50
抗石擊性，級 2 /
耐濕熱性（240h）,級 1 1
耐鹽霧性（240h）,級 單邊擴(kuò)蝕≤2 mm /
老化試驗(yàn)（1000h）
光澤保持率，%，≥ / 90
上述水性中涂及水性閃光漆已分別獲得中國發(fā)明專利，專利號為01138041.1的專利，介紹了一種汽車中涂層用的水分散型樹脂及涂料，該聚酯樹脂通過調(diào)節(jié)親水鏈段與疏水鏈段的比例，可在水性介質(zhì)中自乳化，酸價(jià)較低時(shí)仍達(dá)到穩(wěn)定的水分散性，從而明顯提高了耐水性；另外引入的長鏈二元醇，如羥基特戊酸新戊二醇單酯，使樹脂鏈段基本上以線性結(jié)構(gòu)為主，分子鏈較長，固化時(shí)采用水性氨基樹脂和水性封閉型多異氰酸酯樹脂組成的混合體系，使固化后涂膜具有優(yōu)異的柔韌性及層間附著力。另一篇專利號為98111238.2的專利，介紹了一種具有內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)的丙烯酸核殼乳液，引入各種效應(yīng)顏料，如水性鋁粉、珠光粉、透明顏料等，得到一種具有隨角異色效果的金屬閃光涂層。由于粒子的內(nèi)交聯(lián)結(jié)構(gòu)提高了涂膜的物理機(jī)械性能，也提供了抗流掛所需的假塑性；同時(shí)對于二涂一烘的施工工藝，避免了罩光清漆中強(qiáng)溶劑對水性底色漆的滲透所造成的回溶現(xiàn)象，從而使效應(yīng)顏料獲得良好取向，獲得更好的光澤和閃光效果。
3 水性汽車涂料發(fā)展中存在的問題及展望
比較一下國內(nèi)外水性汽車涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀，不免有些失望。如果縱向比較，雖然國內(nèi)汽車涂料水性化進(jìn)展比較緩慢，但整個(gè)社會環(huán)保意識實(shí)際已經(jīng)悄悄地發(fā)生了變化。過去，很多用戶還不能理解工業(yè)涂料里也能用水代替溶劑。而在近十年，很多有實(shí)力的涂料生產(chǎn)企業(yè)自己開始開發(fā)水性工業(yè)涂料，更多的小企業(yè)也意識到這個(gè)趨勢，紛紛尋求水性工業(yè)涂料技術(shù)合作，用戶也提出了涂料水性化的要求。當(dāng)然，作為各種耐性、裝飾性均要求很高的汽車涂料，水性化進(jìn)程更艱難一些，主要是因?yàn)閲鴥?nèi)水性汽車涂料技術(shù)不夠成熟、施工工藝試驗(yàn)難以進(jìn)行及市場方面的問題亟待解決。
近一年來，化工原料價(jià)格暴漲，使很多涂料企業(yè)面臨生存危機(jī)，降低成本成為最關(guān)鍵的問題，也就無暇顧及環(huán)保新技術(shù)，這也阻礙了水性汽車涂料的正常發(fā)展，更重要的是國內(nèi)大部分涂料企業(yè)注重短期利益，不愿意花過多精力和財(cái)力做超前的技術(shù)儲備。
另外，國內(nèi)汽車涂料生產(chǎn)企業(yè)與汽車廠配合不夠，畢竟國內(nèi)汽車廠的環(huán)保壓力并不是很大，國家出臺的相關(guān)環(huán)保法規(guī)并沒有強(qiáng)制執(zhí)行，且國內(nèi)汽車廠降低成本的壓力較大，不愿冒險(xiǎn)做試驗(yàn)，使水性汽車涂料限于實(shí)驗(yàn)室成果，后期施工試驗(yàn)不夠，不能給汽車廠提供整套成熟的產(chǎn)品及相關(guān)服務(wù)。
要推動(dòng)國內(nèi)水性汽車涂料的發(fā)展，首先涂料研究機(jī)構(gòu)需在面漆裝飾性、色彩多樣化及耐候性方面加強(qiáng)研究完善；其次應(yīng)學(xué)習(xí)國外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，除了擁有完善的實(shí)驗(yàn)裝備、分析檢測儀器之外，應(yīng)建立自己的模擬涂裝生產(chǎn)線，以便于施工工藝及參數(shù)的確定5。如果國內(nèi)汽車廠、汽車涂料生產(chǎn)廠及涂料研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合進(jìn)行水性涂料的項(xiàng)目開發(fā),則技術(shù)成果很快能轉(zhuǎn)化為工業(yè)化應(yīng)用。
考慮到國內(nèi)的實(shí)際情況，很多現(xiàn)有的涂裝線可以進(jìn)行部分改造以適應(yīng)水性涂料的施工要求，比如控制噴漆室溫濕度條件：溫度（23±3）℃，濕度40%-70%，風(fēng)速(0.2-0.5)m/s，同時(shí)在烘道前增加低溫預(yù)烘區(qū)。目前比較現(xiàn)實(shí)的符合環(huán)保要求的工藝流程為：
電泳漆（160℃-180℃烘干）→ 噴涂水性中涂→ 預(yù)烘（約80℃/10min）→
烘干（約150℃/30min）→ 噴涂水性閃光漆→ 預(yù)烘（約80℃/10min）→
噴涂溶劑型高固體份罩光清漆→ 烘干（約130℃/30min）
據(jù)報(bào)道國內(nèi)目前引進(jìn)的幾條大型涂裝生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到適合于水性涂料的施工要求，整個(gè)輸漆系統(tǒng)均采用不銹鋼材料，并預(yù)留有預(yù)烘區(qū)位置，為將來使用水性涂料作好準(zhǔn)備。
4 結(jié)語
環(huán)境保護(hù)是人類共同的責(zé)任，作為汽車涂料的研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域的業(yè)內(nèi)人士，更有責(zé)任積極探討汽車涂料進(jìn)一步減少污染的可靠途經(jīng)，呼吁相關(guān)人士相互配合，努力推動(dòng)水性汽車涂料的發(fā)展，而且國外應(yīng)用水性汽車涂料的工藝已相當(dāng)成熟,有很多經(jīng)驗(yàn)可資借鑒,相信國內(nèi)水性汽車涂料的規(guī)模化應(yīng)用將指日可待。
