水性汽车涂料的应用现状及发展趋势
时间:2005-10-17
摘要：综述水性汽车涂料的研究现状及发展趋势，讨论了国内水性汽车涂料发展中存在的问题，简要探讨了水性汽车底漆、水性汽车中涂及水性金属闪光涂料的主要技术路线。
关键词：水性汽车涂料；发展现状；环保涂料
0 引言
近几年来全人类最关注的话题之一就是环境保护问题。随着汽车工业的高速发展 ，汽车涂料的用量也在不断增长，2004年汽车新车用（OEM）涂料的总需求量将超过16万吨。目前国内汽车涂料以溶剂体系为主，其中大量的VOC（挥发性有机物）对环境造成的污染日趋严重，世界各国相继制订了相关法规以限制涂料VOC 的使用量。例如德国95年生效的清洁空气法规中要求，喷涂施工时，每平方米有机挥发物排放量不大于35g/㎡。而传统的溶剂型涂料VOC排放量约125 g/㎡。为了达到环保要求，汽车涂料正在向水性化、高固体分及粉末涂料方向发展，其中水性化技术是最有效的途经之一，尤其是目前最流行的金属闪光涂层，其VOC 排放量占总量的66%，该层涂料水性化后，整车VOC排放量可减少一半以上。如果车身涂装全部采用水性涂料，则VOC 排放量可降低至27 g/㎡1,完全达到最严格的环保要求。
1 水性汽车涂料的应用现状
汽车涂料主要包括底漆、中涂、面漆，其中面漆又分为本色漆和金属闪光涂层，一般金属闪光涂层由金属闪光底色漆与透明罩光清漆组成，采用二涂一烘方式施工。由于水的表面张力大，蒸发速度慢，使得水性涂料在涂装过程中对环境温湿度变化比较敏感，容易产生漆膜缺陷如气泡、缩边、流挂等，所以水性汽车涂料的应用总是滞后于溶剂型涂料。
汽车涂料的水性化进程是从底到面逐步进行的，早在60年代欧、美等发达国家已经率先使用水性电泳底漆，目前底漆已有90%以上采用水性涂料，88%汽车中涂也已采用水性化技术，水性金属闪光底色漆的应用超过了65%，罩光清漆则大多采用高固体份涂料或粉末涂料，水性罩光清漆正在研究完善,工业化应用较少。如德国的大众、通用、宝马、克莱斯勒等汽车公司均采用水性中涂和水性底色漆。
国内的水性汽车涂料发展则不容乐观，除了底漆大部分水性化以外，水性中涂及水性面漆均未实现工业化应用。由于国内汽车工业发展参差不齐，其中高档轿车底漆大多采用水性的阴极电泳涂料，中涂及底色漆采用溶剂型聚酯氨基体系或丙烯酸氨基体系，而罩光清漆则采用溶剂型丙烯酸与封闭型聚氨酯交联体系，目前主要依赖进口或合资企业生产的产品；另外国内还有很多微型车、卡车等由于价格限制，涂装质量相对偏低，底漆也只有一部分采用水性电泳涂料，相当一部分汽车底盘、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底漆；甚至还有一部分仍采用溶剂型丙烯酸氨基喷涂或浸涂，不过近几年来各类汽车的防腐要求越来越严格，考虑到避免火灾隐患、达到安全高效生产，从溶剂型底漆转化为电泳涂料的趋势明显。
2 水性汽车涂料的研究现状及趋势
汽车工业较发达的国家非常重视水性汽车涂料的研究开发，新技术、新工艺不断涌现。电泳涂料的发展趋势是无重金属（Pb,Sn等）、超低温固化（130℃-140℃）、边角遮盖效果好，PPG公司还成功开发了双层电泳系统，第一层为无铅的阴极电泳涂料（黑色，导电），第二层为耐石击电泳中涂（灰色或彩色）。水性中涂可增加底漆与面漆的附着力，提高面漆的鲜映性及丰满度，使整车装饰效果更佳。目前主要采用柔韧性好的水性聚酯树脂为主要成膜基料，配以氨基树脂或封闭型聚氨酯树脂固化剂，如专利文献US5886085、EP576952、WO9535350等介绍的涂层附着力强，抗石击性好。水性中涂要求具有高耐磨性、高耐石击性并有与面漆同色化趋势。水性底色漆主要采用水性丙烯酸氨基和水性聚氨酯两种体系，该类树脂本身具有一定假塑形，使片状颜料良好取向，产生随角异色的闪光效果；如专利文献US4539363、EP554780、US6001915等均有详细介绍，水性闪光漆的发展趋势是要求高光泽、高鲜映性、高耐候性、耐划伤性及耐酸雨性。最近伊士曼公司的水性CAB开发成功，引入到水性闪光漆中，能明显改善施工性，起到防沉和抗流挂作用，得到的涂层闪光指数更高；另外珠光粉、荧光粉等特殊效应颜料的应用使得水性闪光漆的外观装饰性更好，色彩变化更丰富。由于水性金属闪光漆特殊的流变性，更有利于片状颜料良好取向，可获得优异的金属闪光效果，且施工应用技术也相当成熟，通用汽车公司预计，2020年前全球大部分汽车厂会采用水性金属闪光漆。
常州涂料化工研究院是国内较早开始研究开发水性汽车涂料的，七十年代就开始探索各种水性工业涂料，在“七五”到“九五”期间，承担多项国家重点攻关项目，先后开发成功电泳涂料，水性环氧聚酯浸涂底漆，水性聚酯中涂及水性汽车面漆；“863”国家攻关项目完成了水性金属闪光涂料的研制。同时与东风汽车公司工艺研究所合作进行了中试生产及施工工艺试验，经过反复调试后，整车试涂装饰效果良好，各项性能指标均达到汽车厂要求（主要性能指标见表一）。目前，水性闪光漆及水性罩光清漆暂时运用在自行车零部件上，经过全面考查后，可以在汽车领域推广应用。
表一 水性中涂与水性闪光漆达到的主要性能指标
项目 水性中涂 水性闪光漆
VOC，%，≤ 10 10
施工固体份，%，≥ 45 16
贮存期，月, ≥ 6 6
闪点，℃，≥ 70 80
光泽（60º），%，≥ 60 95
闪光指数（FI），≥ / 10
硬度（铅笔），≥ H 2H
附着力，级 0 0
冲击，cm 50 50
抗石击性，级 2 /
耐湿热性（240h）,级 1 1
耐盐雾性（240h）,级 单边扩蚀≤2 mm /
老化试验（1000h）
光泽保持率，%，≥ / 90
上述水性中涂及水性闪光漆已分别获得中国发明专利，专利号为01138041.1的专利，介绍了一种汽车中涂层用的水分散型树脂及涂料，该聚酯树脂通过调节亲水链段与疏水链段的比例，可在水性介质中自乳化，酸价较低时仍达到稳定的水分散性，从而明显提高了耐水性；另外引入的长链二元醇，如羟基特戊酸新戊二醇单酯，使树脂链段基本上以线性结构为主，分子链较长，固化时采用水性氨基树脂和水性封闭型多异氰酸酯树脂组成的混合体系，使固化后涂膜具有优异的柔韧性及层间附着力。另一篇专利号为98111238.2的专利，介绍了一种具有内部交联结构的丙烯酸核壳乳液，引入各种效应颜料，如水性铝粉、珠光粉、透明颜料等，得到一种具有随角异色效果的金属闪光涂层。由于粒子的内交联结构提高了涂膜的物理机械性能，也提供了抗流挂所需的假塑性；同时对于二涂一烘的施工工艺，避免了罩光清漆中强溶剂对水性底色漆的渗透所造成的回溶现象，从而使效应颜料获得良好取向，获得更好的光泽和闪光效果。
3 水性汽车涂料发展中存在的问题及展望
比较一下国内外水性汽车涂料的应用现状，不免有些失望。如果纵向比较，虽然国内汽车涂料水性化进展比较缓慢，但整个社会环保意识实际已经悄悄地发生了变化。过去，很多用户还不能理解工业涂料里也能用水代替溶剂。而在近十年，很多有实力的涂料生产企业自己开始开发水性工业涂料，更多的小企业也意识到这个趋势，纷纷寻求水性工业涂料技术合作，用户也提出了涂料水性化的要求。当然，作为各种耐性、装饰性均要求很高的汽车涂料，水性化进程更艰难一些，主要是因为国内水性汽车涂料技术不够成熟、施工工艺试验难以进行及市场方面的问题亟待解决。
近一年来，化工原料价格暴涨，使很多涂料企业面临生存危机，降低成本成为最关键的问题，也就无暇顾及环保新技术，这也阻碍了水性汽车涂料的正常发展，更重要的是国内大部分涂料企业注重短期利益，不愿意花过多精力和财力做超前的技术储备。
另外，国内汽车涂料生产企业与汽车厂配合不够，毕竟国内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，且国内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。
要推动国内水性汽车涂料的发展，首先涂料研究机构需在面漆装饰性、色彩多样化及耐候性方面加强研究完善；其次应学习国外的发展经验，除了拥有完善的实验装备、分析检测仪器之外，应建立自己的模拟涂装生产线，以便于施工工艺及参数的确定5。如果国内汽车厂、汽车涂料生产厂及涂料研究机构联合进行水性涂料的项目开发,则技术成果很快能转化为工业化应用。
考虑到国内的实际情况，很多现有的涂装线可以进行部分改造以适应水性涂料的施工要求，比如控制喷漆室温湿度条件：温度（23±3）℃，湿度40%-70%，风速(0.2-0.5)m/s，同时在烘道前增加低温预烘区。目前比较现实的符合环保要求的工艺流程为：
电泳漆（160℃-180℃烘干）→ 喷涂水性中涂→ 预烘（约80℃/10min）→
烘干（约150℃/30min）→ 喷涂水性闪光漆→ 预烘（约80℃/10min）→
喷涂溶剂型高固体份罩光清漆→ 烘干（约130℃/30min）
据报道国内目前引进的几条大型涂装生产线在设计时已经考虑到适合于水性涂料的施工要求，整个输漆系统均采用不锈钢材料，并预留有预烘区位置，为将来使用水性涂料作好准备。
4 结语
环境保护是人类共同的责任，作为汽车涂料的研发、生产及应用领域的业内人士，更有责任积极探讨汽车涂料进一步减少污染的可靠途经，呼吁相关人士相互配合，努力推动水性汽车涂料的发展，而且国外应用水性汽车涂料的工艺已相当成熟,有很多经验可资借鉴,相信国内水性汽车涂料的规模化应用将指日可待。
