汽车用新型罩光涂料UV 和热双固化清漆

汽车用新型罩光涂料UV和热双固化清漆

王锡春 ( 中国第一汽车集团公司，长春 130011)

摘要：轿车车身面漆涂装采用两涂层涂装工艺 ( 即底色 + 罩光 ) 已逐步成为面漆的典型涂装工艺，罩光涂料已成为关键的汽车涂料。介绍 UV 固化涂料的固化机理及其特征，新型双固化汽车用罩光涂料，双固化工艺及涂膜的优异性能以及新工艺的节能、环保效益及发展前景。

关键词：罩光涂料；汽车涂料； UV 固化；热固化

汽车用金属闪光色面漆涂装都采用两涂层面漆涂装工艺 ( 即底色 + 罩光工艺 ) ；为提高面漆涂膜的装饰性，本色面漆和水性面漆也采用两涂层面漆涂装工艺。为适应环保法规的要求，环保型的汽车车身涂装工艺中采用水性底色漆已成为主流；而罩光涂料虽然有粉末罩光涂料 ( 含浆状粉末罩光涂料 ) ，而水性清漆、高固体分和超高固体分清漆已商品化，获得工业应用；但全世界的汽车制造厂还在进一步探索中，全世界的汽车涂料制造厂还在开发新的环保型罩光涂料。如 BASF 公司在 2003 年南昌汽车涂装交流会上介绍的 TwinGloss 紫外线 (uv) 和热双固化清漆就是一例。

早在 1993 年，德国汽车界从环保和成本角度对选择什么样的罩光涂装体系，采用生命周期评估法

LCA(Life Cycle Assessment) 对粉末罩光涂料 (PDCC 、 NV=97 ％ ) 、浆状粉末罩光涂料 (NV=38

％ ) 、溶剂型罩光涂料 (NV=48 ％ ) 、超高固体分罩光涂料 (SHSCC 、 NV=80 ％ ) 和水性罩光涂料(NV=43 ％ ) ，假设在日产 500 台轿车车身涂装线条件下的选用施工进行了剖析J 。

当时的评价意见是：在新建涂装线 ( 设备投资 ) 的前提下，溶剂型清漆和粉末清漆的成本指数相同。在采用粉末清漆场合节省污水处理费用，降低了运营成本，但为保持涂膜外观，粉末清漆涂膜要厚 60 ～80 µ m ，其材料费用约为溶剂型清漆的 2 倍。

选用粉末清漆、浆状粉末清漆和水性清漆时，存在设备不能适用的难题，必须购置新设备。相比之下，超高固体分清漆可使用原有设备进行涂装，这对降低面漆的总成本有利。

从环保 (VOC 排出污物 ) 、节能的角度，粉末罩光涂料最优。烘干能量消耗，各种罩光涂料间差别不大。另外可使用现有设备的超高固体分罩光涂料是今后不可忽视的环保型涂料之一。

近 l0 年来，世界环保法规不仅对挥发性有机化合物 (voc) 的排放量有限制，对 CO2 的排放量也要限制，对面漆涂膜的功能性 ( 耐酸雨，抗划伤性 ) 和外观装饰性提出了更高的要求。近年开发的 UV 和热双固化罩光涂料，用于汽车外表面涂装在环保、节能、涂膜性能 ( 外观装饰性，耐酸雨和抗划伤性 ) 和涂装成本等方面都有较强的竞争力。国内已有几条摩托车零部件生产线采用 UV 固化涂料。

本文对 UV 固化型涂料的特征及固化机理、优缺点、双固化法、应用实例等作一知识介绍。

1 Uv 固化型涂料的特征

UV(Ultra Violet 紫外线 ) 是波长在可见光外的 200 ～ 400 nm 范围的短波长不可见光。 UV 固化型涂料是籍助照射 UV 光，引起交联反应，形成干涂膜的涂料。 UV 固化形式有基团聚合和阳离子聚合。而阳离子聚合其优点不需使用光引发剂，但固化时制约条件太严。实用化的 UV 固化型涂料仅是基团聚合，基团聚合固化形式如下式所示：

I ：光引发剂 (Photo Initiater) ；

I *：已活性化的光引发剂

I* +M → I+M *

M ：含有不饱和基团 ( 双键 ) 的成分；

M* +M → MM *

M* ：已活性化的含有不饱和基团的成分

光引发剂受 Uv 照射被活性化，发生基团。这种基团使 Uv 固化成分 ( 含有不饱和基的单体，聚合物 ) 中的不饱和基活性化，引起聚合反应，进行交联。 Uv 照射时间以秒单位计，与原来的热固化型涂料的固化形式 ( 附加聚合，缩聚合 ) 相比较，可以大幅度地缩短固化时间。

UV 固化型涂料的长处和短处列于表 1 中。

表 1 uv 固化型涂料的长处和短处

从表 1 中可知： Uv 固化型涂料的长处很明显，

但其短处要用于汽车、摩托车的外表面涂装，会存在 3 个致命缺点。

一是形状复杂的被涂物会发生 Uv 照射不到的阴影部位，产生固化不足，凸出部位可能产生 Uv 照射能量过剩而发生变黄现象。而要所有的部位照射同量的 Uv 光 ( 照射能量 ) 是不可能的。

二是 Uv 固化时的黄变性。变黄是由光引发剂所引起，一般理论是光引发剂在 Uv 照射时产生的副产物为发色团。浅色 ( 白珍珠色、金属感的银灰色 ) 的汽车涂膜无法采用有黄变性的光固化型涂料。

三是耐候性不足。 Uv 固化形式自身基团聚合，交联密度高，不易受光、热、水的影响产生老化、分解。可是， Uv 照射时不能理想地消耗全部光引发剂， Uv 照射后，还有较多的光引发剂受自然界 Uv 光的激励，产生基团，它是涂膜变黄和劣化的原因。涂膜开裂是由涂膜中的残留应力引起的。 Uv 固化速度快( 固化时间以秒计 ) ，可大幅度缩短固化时间，但其反面是固化时产生的涂膜的残留应力要比热固化型涂料大数十倍。

新开发的 Uv 和热双固化的罩光涂料已能克服上述 3 个致命的缺点。

2 Uv 和热双固化型涂料的基础技术

以上介绍的是一般 Uv 固化型涂料和涂膜的特征。双固化法(Twin Cure System) 系指 Uv 固化和热目化

并用 ( 混合使用 ) 的涂膜固化方法。 Uv 固化成分是靠 Uv 照射形成的基团聚合的网状结构物。在同一涂膜中的热固化成分是靠热能形成附加聚合 ( 聚氨酯结合 ) 的网状结构物，成为内渗透网状 (IPN — Inter Penetrating Network) 构造，固化机理见图 1 。图 1 中所示的热固化法的代表例为丙烯酸聚氨酯固化体系，选用丙烯酸三聚氰胺固化体系和酸一环氧固化体系等也无任何问题。

图 1 固化机理

双固化法使克服 Uv 固化型涂料及 Uv 固化法的阴影部涂膜固化不足、涂膜黄变性和耐候性不足等作为汽车外涂装的罩光涂料时的致命缺点成为可能。首先，关于复杂形状被涂物的阴影部的 Uv 照射量( 能量 ) 不足，由热固化成分的交联来弥补 Uv 成分的固化不足，使涂膜性能达标。关于 Uv 固化时变黄性、变黄量受 Uv 成分及所加光引发剂量的支配，籍助于 Uv 固化和热固化并用，来减少 Uv 成分量及所加光引发剂量，也就抑制了黄变性。同样籍助减少光引发剂用量，来抑制 uv 照射后干涂膜中残留光引发剂的量解决了耐候性不足的问题。还有产生开裂问题，靠 uV 固化与热固化并用的方法可使 Uv 固化时基团聚合产生的涂膜中的残留应力得到缓和。双固化法的固化工艺如图 2 所示。

图 2 双固化法的固化工艺

工序 1 ，蒸发涂膜中所含溶剂的预加热工序。它在双固化法固化工艺中起着非常重要的作用。因涂膜中残存溶剂在 uV 照射场合，仅涂膜表面层 uv 固化，内部未固化。严重的场合，涂膜起皱，用手指抓压涂膜有凹陷、柔软的感觉，表明固化不足，而在轻微蒸发不足的场合，看不出表面上的涂膜缺陷。但在长期的耐湿性、耐候性试验场合下，与溶剂完全挥发后 uV 照射的涂膜相比，有着显著的涂膜物性差异。第一道工序必须要充分蒸发掉涂膜中所含有的溶剂。

工序 2 ，照射 UV 光使涂膜中 UV 固化成分形成基团聚合的网状结构。不言而喻，是充分给予推算UV 固化所需的 UV 能量。

工序 3 ，使热固化成分靠热能形成附加聚合 ( 聚氨酯结合 ) 的网状结构的后加热工序。

如图 2 所示的那样，先使 uv 成分固化，再在 uv 固化的网状结构间使热固化成分附加聚合 ( 聚氨酯结合 ) ，形成 IPN 构造。总之，工序不能倒置布置，在热固化— UV 固化场合，将产生以下两个问题：第一，是 UV 成分的固化受阻碍。热固化成分的网状结构形成后，再 uV 照射，由于涂膜高分子比，迁移性下降，使 uV 成分达不到所规定的聚合率。第二，外观装饰性差。选用 UV 固化型罩光涂料原有的目的之一是改善外观，按图 2 的固化工艺执行， UV 照射后能形成镜面那样的平滑外观。可是，热固化—UV 固化场合，受热固化成分对外观装饰性的支配，易生成桔皮。