水性汽車涂料的應用現狀及發展趨勢
時間:2005-10-17
摘要：綜述水性汽車涂料的研究現狀及發展趨勢，討論了國內水性汽車涂料發展中存在的問題，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路線。
關鍵詞：水性汽車涂料；發展現狀；環保涂料
0 引言
近幾年來全人類最關注的話題之一就是環境保護問題。隨著汽車工業的高速發展 ，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。目前國內汽車涂料以溶劑體系為主，其中大量的VOC（揮發性有機物）對環境造成的污染日趨嚴重，世界各國相繼制訂了相關法規以限制涂料VOC 的使用量。例如德國95年生效的清潔空氣法規中要求，噴涂施工時，每平方米有機揮發物排放量不大于35g/㎡。而傳統的溶劑型涂料VOC排放量約125 g/㎡。為了達到環保要求，汽車涂料正在向水性化、高固體分及粉末涂料方向發展，其中水性化技術是最有效的途經之一，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,完全達到最嚴格的環保要求。
1 水性汽車涂料的應用現狀
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，蒸發速度慢，使得水性涂料在涂裝過程中對環境溫濕度變化比較敏感，容易產生漆膜缺陷如氣泡、縮邊、流掛等，所以水性汽車涂料的應用總是滯后于溶劑型涂料。
汽車涂料的水性化進程是從底到面逐步進行的，早在60年代歐、美等發達國家已經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，水性金屬閃光底色漆的應用超過了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,工業化應用較少。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。
國內的水性汽車涂料發展則不容樂觀，除了底漆大部分水性化以外，水性中涂及水性面漆均未實現工業化應用。由于國內汽車工業發展參差不齊，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體系，目前主要依賴進口或合資企業生產的產品；另外國內還有很多微型車、卡車等由于價格限制，涂裝質量相對偏低，底漆也只有一部分采用水性電泳涂料，相當一部分汽車底盤、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格，考慮到避免火災隱患、達到安全高效生產，從溶劑型底漆轉化為電泳涂料的趨勢明顯。
2 水性汽車涂料的研究現狀及趨勢
汽車工業較發達的國家非常重視水性汽車涂料的研究開發，新技術、新工藝不斷涌現。電泳涂料的發展趨勢是無重金屬（Pb,Sn等）、超低溫固化（130℃-140℃）、邊角遮蓋效果好，PPG公司還成功開發了雙層電泳系統，第一層為無鉛的陰極電泳涂料（黑色，導電），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US5886085、EP576952、WO9535350等介紹的涂層附著力強，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，產生隨角異色的閃光效果；如專利文獻US4539363、EP554780、US6001915等均有詳細介紹，水性閃光漆的發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更高；另外珠光粉、熒光粉等特殊效應顏料的應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，可獲得優異的金屬閃光效果，且施工應用技術也相當成熟，通用汽車公司預計，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較早開始研究開發水性汽車涂料的，七十年代就開始探索各種水性工業涂料，在“七五”到“九五”期間，承擔多項國家重點攻關項目，先后開發成功電泳涂料，水性環氧聚酯浸涂底漆，水性聚酯中涂及水性汽車面漆；“863”國家攻關項目完成了水性金屬閃光涂料的研制。同時與東風汽車公司工藝研究所合作進行了中試生產及施工工藝試驗，經過反復調試后，整車試涂裝飾效果良好，各項性能指標均達到汽車廠要求（主要性能指標見表一）。目前，水性閃光漆及水性罩光清漆暫時運用在自行車零部件上，經過全面考查后，可以在汽車領域推廣應用。
表一 水性中涂與水性閃光漆達到的主要性能指標
項目 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，℃，≥ 70 80
光澤（60º），%，≥ 60 95
閃光指數（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 單邊擴蝕≤2 mm /
老化試驗（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，該聚酯樹脂通過調節親水鏈段與疏水鏈段的比例，可在水性介質中自乳化，酸價較低時仍達到穩定的水分散性，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構為主，分子鏈較長，固化時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，介紹了一種具有內部交聯結構的丙烯酸核殼乳液，引入各種效應顏料，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。由于粒子的內交聯結構提高了涂膜的物理機械性能，也提供了抗流掛所需的假塑性；同時對于二涂一烘的施工工藝，避免了罩光清漆中強溶劑對水性底色漆的滲透所造成的回溶現象，從而使效應顏料獲得良好取向，獲得更好的光澤和閃光效果。
3 水性汽車涂料發展中存在的問題及展望
比較一下國內外水性汽車涂料的應用現狀，不免有些失望。如果縱向比較，雖然國內汽車涂料水性化進展比較緩慢，但整個社會環保意識實際已經悄悄地發生了變化。過去，很多用戶還不能理解工業涂料里也能用水代替溶劑。而在近十年，很多有實力的涂料生產企業自己開始開發水性工業涂料，更多的小企業也意識到這個趨勢，紛紛尋求水性工業涂料技術合作，用戶也提出了涂料水性化的要求。當然，作為各種耐性、裝飾性均要求很高的汽車涂料，水性化進程更艱難一些，主要是因為國內水性汽車涂料技術不夠成熟、施工工藝試驗難以進行及市場方面的問題亟待解決。
近一年來，化工原料價格暴漲，使很多涂料企業面臨生存危機，降低成本成為最關鍵的問題，也就無暇顧及環保新技術，這也阻礙了水性汽車涂料的正常發展，更重要的是國內大部分涂料企業注重短期利益，不愿意花過多精力和財力做超前的技術儲備。
另外，國內汽車涂料生產企業與汽車廠配合不夠，畢竟國內汽車廠的環保壓力并不是很大，國家出臺的相關環保法規并沒有強制執行，且國內汽車廠降低成本的壓力較大，不愿冒險做試驗，使水性汽車涂料限于實驗室成果，后期施工試驗不夠，不能給汽車廠提供整套成熟的產品及相關服務。
要推動國內水性汽車涂料的發展，首先涂料研究機構需在面漆裝飾性、色彩多樣化及耐候性方面加強研究完善；其次應學習國外的發展經驗，除了擁有完善的實驗裝備、分析檢測儀器之外，應建立自己的模擬涂裝生產線，以便于施工工藝及參數的確定5。如果國內汽車廠、汽車涂料生產廠及涂料研究機構聯合進行水性涂料的項目開發,則技術成果很快能轉化為工業化應用。
考慮到國內的實際情況，很多現有的涂裝線可以進行部分改造以適應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%，風速(0.2-0.5)m/s，同時在烘道前增加低溫預烘區。目前比較現實的符合環保要求的工藝流程為：
電泳漆（160℃-180℃烘干）→ 噴涂水性中涂→ 預烘（約80℃/10min）→
烘干（約150℃/30min）→ 噴涂水性閃光漆→ 預烘（約80℃/10min）→
噴涂溶劑型高固體份罩光清漆→ 烘干（約130℃/30min）
據報道國內目前引進的幾條大型涂裝生產線在設計時已經考慮到適合于水性涂料的施工要求，整個輸漆系統均采用不銹鋼材料，并預留有預烘區位置，為將來使用水性涂料作好準備。
4 結語
環境保護是人類共同的責任，作為汽車涂料的研發、生產及應用領域的業內人士，更有責任積極探討汽車涂料進一步減少污染的可靠途經，呼吁相關人士相互配合，努力推動水性汽車涂料的發展，而且國外應用水性汽車涂料的工藝已相當成熟,有很多經驗可資借鑒,相信國內水性汽車涂料的規模化應用將指日可待。
