我国汽车涂料发展概况及聚氨酯涂料的应用
日期：2022-05-19
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146 核心提示：我国汽车涂料发展概况及聚氨酯涂料的应用郑晨（全国涂料工业信息中心，江苏常州213016）季建宏（江苏奥喜埃化工有限公司，江苏泰
我国汽车涂料发展概况及聚氨酯涂料的应用
郑晨（全国涂料工业信息中心，江苏常州213016）
季建宏（江苏奥喜埃化工有限公司，江苏泰兴225434）
0 引言
据相关数据表明，2007 年我国机动车保有量达到1.598亿辆，国产汽车产销量分别达到888.24 万辆和879.15 万辆。中国已成为全球第三大汽车生产国和第二大新车消费国，并以22%的年增长率快速发展。因此，中国汽车涂料产业有着巨大的市场发展空间。发达国家的汽车涂料一般占该国涂料产量的20%以上，中国只有6.6%，这主要是由于国内汽车涂料在质量和品种上与国外相比还存在较大的差距，很多时候主要依赖进口涂料或以进口的半成品及原材料配制的产品为主。从分布来看，我国涂料行业的主要分布区域依然是长江三角洲地区、珠江三角洲、环渤海地区，据统计上述三个地区就占了全国涂料行业91%的份额。说明了包括汽车涂料市场在内的涂料行业进一步向具有科技优势及经济优势的企业和地区集中，重心依旧偏向于东南沿海，同时东西差距还进一步拉大。从20 世纪90 年代开始，欧美汽车厂为环保达标采用环保型汽车涂料替代传统的有机溶剂型汽车涂料。到2001 年已采用水性中涂、底色漆的轿车分别已占总产量的份额为：北美7%和43%；欧洲32.5%和36%。其中德国已基本实现水性化，中涂占80%，底色漆占93%。而在亚洲采用水性底色漆的轿车只占1.5%。环保型汽车涂料市场还将有着巨大的发展前景。
1 我国汽车涂料现状
我国车用涂料工业伴随汽车产业的发展也在不断壮大，自2004 年至2006 年，我国涂料总产量增长了86%，从360万t 增长到570 万t。其中车用涂料从23 万t 增长到37.1 万t。2007 年全国涂料总产量约为670 万t，其中车用涂料占6.6%，达到44.5 万t，增长率为20%，见图1 和表1 所示。
图1 近年来我国汽车涂料产量增长
仅汽车涂料(不包括农用车、摩托车等其他车用涂料)的需求量近两年将以8%的速率增长，2007-2010 年汽车工业对涂料的需求如表2 所示。
表2 汽车工业用涂料的需求预测
随着科技进步和汽车涂层质量要求的提高，我国汽车涂料已实现了4 次大的更新换代。现用的第四代汽车涂料是以第4、5 代阴极电泳涂料，耐酸雨、抗划伤性的优质丙烯酸树脂涂料、丙烯酸聚氨酯涂料，面漆颜色为金属色和本色，适应轿车三层涂装体系的涂料等为代表。汽车车身多道涂层示意图见图2。
目前，在我国环保型汽车涂料开始采用，如无铅无锡的阴极电泳涂料涂装线增加；天津一汽丰田、上海通用等新建的轿车车身涂装线采用了水性底色漆；汽车零部件开始采用粉末涂料涂装工艺。
1.1 车身用涂料
(1) 底漆
底漆的作用：一是防止金属表面的氧化腐蚀；二是增强金属表面与腻子（或面漆）、腻子与面漆之间的附着力。目前国内汽车底漆90%以上采用阴极电泳漆，阴极电泳漆在耐腐蚀方面基本能满足需求，但在耐候性、可低温烘烤性、可中厚膜涂装以及更低溶剂含量、无铅无锡等方面还有待开发。
(2) 中涂
目前新车原始涂装一般采用二道底漆作为中间涂层。它所选用的基料与底漆和面漆所用基料相似，这样就可保证达到与上下涂层间牢固的结合力和良好的配套性。该二道中涂主要采用聚酯树脂、氨基树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和粘结树脂等作为基料；颜料和填料选用钛白、炭黑、硫酸钡、滑石粉、气相二氧化硅等。二道中涂一般固体分高，可以制得足够的膜厚（大约40μm）；机械性能好，尤其是具有良好的抗石击性；另外还具有表面平整、光滑，打磨性好，耐腐蚀性、耐水性优良等特点，对汽车整个漆膜的外观和性能起着至关重要的作用。为确保抗石击性，使用聚烯烃或聚氨酯树脂涂料作为环保型的中涂，已有水性涂料和粉末涂料在汽车中涂漆中应用。
(3) 面漆
面漆涂装后的外观更重要，要求漆膜外观丰满、无橘皮、流平好、鲜映性好，从而使汽车车身具有高质量的协调和外形。另外，面漆还应具有足够的硬度、抗石击性、抗划伤性、耐化学品性、耐污性、防腐性及优异的耐候性等，使汽车外观在各种条件下保持不变。
随着汽车工业的飞速发展，汽车用面漆在近50 年来经历了无数次质的变化。目前高档汽车和轿车车身主要采用氨基树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、中固聚酯等树脂为基料，选用色彩鲜艳、耐候性好的有机颜料和无机颜料。另外添加一些助剂如紫外吸收剂、流平剂、防缩孔剂、电阻调节剂来达到更满意的外观和性能。使面漆各种机械性能、耐候性、耐化学品性和耐污性等都有了显著的提高，大大改善了面漆的保护性能。进入90 年代以来，为执行全球性和地区环保法，减少汽车面漆挥发分的排放量，开始研究探索和采用水性汽车面漆，目前一些西方发达国家的新建
车涂装线上，已经采用了水性汽车面漆，国内基本上还处于溶剂型汽车面漆阶段。今后的发展方向是耐划伤、耐酸雨、高固体分、粉末等环保型品种。
金属闪光底色漆
底色漆，是作为中涂层和罩光清漆层之间的涂层所用的涂料。它的主要功能是着色、遮盖和装饰作用。金属闪光底漆的涂膜在曝光照耀下具有鲜艳的金属光泽和闪光感，给整个汽车添装诱人的色彩。金属闪光底漆之所以具有这种特殊的装饰效果，是因为该涂料中加入了金属铝粉或珠光粉等效应颜料。这种效应颜料有金属光泽的、随角度变光变色的闪光效果。溶剂型金属闪光底漆的基料有聚酯树脂、氨基树脂，采用共聚蜡液和CAB 树脂液作为助剂。其中聚酯树脂和氨基树脂可提供烘干后坚硬的底色漆漆膜，共聚蜡液使效应颜料定向排列，CAB 树脂液主要是用来提高底色漆的干燥速度、提高体系低固体分下的黏度、阻止铝粉和珠光颜料在湿漆膜中杂乱无章的运动和防止回溶现象。底漆中加入聚氨酯树脂来提高抗石击性能。
目前国内汽车涂装线一般采用溶剂型闪光底色漆，而在一些西方发达国家已经大量使用水性底色漆。金属闪光漆水性化是必然的趋势，技术也已成熟，能很快推广应用。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。
罩光清漆
丙烯酸氨基清漆是罩光清漆的主流，但受酸雨的侵蚀涂膜损坏严重。近年来，在欧洲使用双组分丙烯酸聚氨酯+异氰酸酯和氨基甲酸酯固化方法作为耐酸雨的对策。为降低VOC 排放量问题，欧洲率先使用粉末涂料涂装罩光清漆。
1.2 汽车塑料件用涂料
汽车塑料件用涂料主要集中在装饰性能上，过去依靠在塑料的母料中填加颜料着色的方法，随着审美需要越来越高，已经不能满足使用要求，因而需进行更多的二次表面加工，以达到越来越高的性能。
1.3 汽车修补涂料
随着汽车保有量增大，我国也快速形成了汽车修补涂料市场。汽车修补涂装与工厂生产线不同，不能按规定工艺作料。再加上是局部修补和整车不能承受高温烘干，只能选用低温烘干或自干系列涂料。代表性品种为双组分聚氨酯漆、双组分丙烯酸聚氨酯漆、双组分环氧树脂漆等。低温烘干涂料在汽车漆、修补漆及塑料件用漆中都已成为主流。汽车修补涂料市场发展空间广阔。今后应该努力适应环保要求，开发水性技术。国内厂商应该关注配色和调色环节的问题，这样才能在高端市场争得一席之地。
1.4 汽车涂料发展动向
世界汽车车身用涂料的发展趋势如表3。
(1) 目前汽车车身采用干粉态或浆液态粉末涂料涂装已获成功，它们或作为底漆、单层涂料，或作为罩光面漆，主要有环氧聚酯混合型、聚酯型、聚氨酯型和丙烯酸型等。
(2) 应该集中推进调色技术，因为色彩也是消费者最关心的方面，提供与众不同的配色也一定会拥有更多的市场份额。近些年来在汽车涂料制造领域中，对于珠光颜料、金属效果颜料、随角异色颜料、高反射颜料的需求不断增加，也正是说明涂料色彩的整体变化。另一方面，随着近年来中国国内和世界国际对环境保护和气候保护的措施不断增强，传统的颜料生产也越来越受到限制，环保低毒，甚至无毒的颜料生产工艺也将成为未来颜料生产工艺的最大变化特点。
(3) 符合环保法规要求，汽车涂料正朝更加注重环境保护、减少污染和提高整车外观装饰效果的方向发展。涂装工艺趋向于多层复合涂装。各种涂料配套的汽车涂装工艺体系只有采用水性中涂、水性底色漆的体系与双组分高固体分罩光清漆、水性罩光清漆或粉末罩光清漆才能使有机溶剂（VOC）排放量达到环保要求（35 g/m 2 以下）。
(4) 通过纳米技术的研究可以使涂料进一步减少稀释剂的用量，从而减少整车涂料用量。汽车涂料的纳米技术现在已经有了很大的进展，涂料供应商有可能减少涂层厚度、降低成本、提高效率，从而使企业赢得更多的汽车涂料市场。
2 聚氨酯(PU)汽车涂料的应用
如前所述，汽车工业中使用的涂料根据使用部位不同可分为3 种类型：一类为车体零部件、内外饰件，特别是各种塑料件使用的涂料；另一类为车身表面涂装使用的涂料，即通常所谓汽车漆或汽车原厂漆(OEM)；此外还有一类用于汽车车身修补的修补漆。聚氨酯涂料在这3 种涂料应用中均占有重要地位。
2.1 汽车原厂漆
用于车身表面涂装的涂料具有2 点特殊要求：一是极高的表观要求，整个涂膜必须光洁、丰满、鲜艳；二是很高的防腐蚀要求和防损伤要求，以适应长时间的户外使用环境。耐用、美观、环保是其发展方向，特别是近年来世界各国对环保要求愈来愈严格，对汽车涂料的VOC 提出了苛刻要求，新型聚氨酯涂料正是符合这一要求的涂料品种。用于车身表面涂装的涂料通常分为底漆、中涂漆、面漆3 层，均可使用聚氨酯涂料或各种改性聚氨酯涂料。
(1) 底漆
聚氨酯电泳涂料主要包括以下3 类：水性聚氨酯树脂电泳漆、聚氨酯改性水性树脂电泳漆和水性封闭多异氰酸酯。其中，水性封闭多异氰酸酯作为各种电泳漆的交联剂使用最为普遍。主要成分为环氧聚酰胺/聚氨酯的双组分电泳漆，具有涂膜厚、表面高度平整、耐碎落、对防锈钢板的适用性强等特点，已主要用于如一汽奥迪、天津夏利、重庆五十铃等国产汽车的涂装中。
(2) 中涂
目前应用的聚氨酯中涂漆既有溶剂型也有水性，国内外公司都有生产。水性双组分聚氨酯涂料，在适应环保要求的同时也具有很好的性能，特别是柔韧性和耐冲击性优于目前溶剂型涂料。一种双组分聚氨酯中涂漆的性能指标见表4。抗石击和耐寒性能优良的聚氨酯中涂漆是汽车中涂漆的发展方向之一。已有证明采用聚氨酯涂料，能显著提高漆膜弹性、附着力和抗石击性。
(3) 面漆
面漆包括底色漆与罩光清漆，均有聚氨酯涂料在应用。面漆的耐候性是其重要指标之一。聚氨酯面漆的耐候性要优于另一类广泛使用的面漆品种——丙烯酸磁漆。目前使用的面漆主要为溶剂型，但从发展角度看，水性化、高固体分、粉末化是其发展方向。市场上2 种主要水性底色漆就包括水性聚氨酯底色漆；罩光清漆基本为溶剂型双组分聚氨酯涂料，主要是在水性涂层的基础上，采用双组分溶剂型聚氨酯罩光漆后，VOC 排放已达到欧洲标准。因此，现有涂装线上使用水性罩光漆的情况极少。但在新建涂装线上已有使用双组分水性聚氨酯罩光清漆，同时其也能获得与溶剂型聚氨
酯罩光漆相当的性能。近来还开发了由双组分水性聚氨酯制成的可直接附着在金属上面，不需要底漆的水性面漆，它可用于室内外车辆上，且防腐蚀性能有重大改进。
2.2 车体零部件、内外饰件用涂料
车体零部件、内外饰件大多为各种塑料，其品种很多，并有不断增加的趋势， 目前总量已达到整车质量的20%~25%。由于塑料品种不同，在基材与涂料的适应性方面要求也不同，需要选择合适的涂料品种进行塑料件涂装。应用最多的是以聚氨酯和丙烯酸树脂为基料的涂料，部分塑料适用的涂料见表5。由表5 可见，聚氨酯涂料有很好的材料适应范围，这也使采用聚氨酯涂料涂饰的汽车塑料件在材料选择上更为自由。随着汽车塑料用量增加，聚氨酯涂料用于汽车零部件、内外饰件的前景十分广阔。如今的汽车业面临着日益严峻的环保法规和涂料性能要求，这导致了在汽车内部配件上采用双组分水性聚氨酯的趋势。因此，现在三大汽车制造商都指定要求使用双组分聚氨酯涂料来满足环保法规，并使汽车内部配件获得柔软、奢华的外观和质感，这些部件包括从仪表板到气囊面层等。
表5 部分塑料适用的涂料
可提供耐磨性和柔软手感性能的涂料中，水性聚氨酯涂料已经超越了许多传统的涂料系统，并且它们所含的有机溶剂量非常低。这些性能和环保优点正是汽车工业所一直在寻觅的。采用Bayer 公司的多异氰酸酯，Akzo Nobel 涂料公司开发了水性聚氨酯涂料；宣伟公司也研制出了柔软手感的水性聚氨酯涂料，该涂料可为各种汽车内件提供奢华质感，且具有耐溶剂性、耐摩擦性、粘合性和防起雾性能等高质量性能，成为福特、通用等大汽车制造商内部配件用涂料的首选。
2.3 修补漆
汽车修补漆除了要达到光泽好、快干、良好的耐水性、耐溶剂性和耐老化性外，还必须能低温固化，而双组分聚氨酯涂料正好能满足这些要求。由丙烯酸酯多元醇和多异氰酸酯组成的双组分聚氨酯涂料，能室温或低温烘烤固化，在汽车修补漆中已广泛应用。随着各国限制挥发性有机化合物标准的出台，对溶剂型聚氨酯修补漆提出了挑战，汽车修补用水性双组分聚氨酯涂料被开发，近年已经商品化，其VOC 比溶剂型聚氨酯涂料低很多，可满足任何严格的溶剂排放法规。但是由于其组分中仍然含有乳化剂或有较高的酸值，因此漆膜的耐水性和耐溶剂性等性能仍需继续改进，另外难以制成较厚而不起泡的涂膜。水性双组分聚氨酯涂料正在逐步取代传统的溶剂型涂料，随着环保法规的日益严格，它必将占据更大的市场份额。
2.4 聚氨酯汽车涂料的发展
聚氨酯涂料具有优异的性能，在汽车工业得到广泛的应用，而汽车工业作为我国的支柱产业，其高速发展必将同时带动车用聚氨酯涂料的研究和发展。如何降低VOC 含量，提高聚氨酯汽车涂料综合性能，并提供优质的外观装饰感，开发多种车用涂料品种，特别是环境友好型的水性、高固体分、粉末化聚氨酯涂料，是聚氨酯汽车涂料未来的发展方向。
