汽车工业中的聚氨酯涂料

聚氨酯涂料在汽车工业中的应用

高分子学院吴海军 0443002088

摘要:聚氨酯涂料作为重要涂料品种，在涂料市场占据较大份额。因其涂膜具

有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点，在汽车涂料领域也具有广泛应用及良好的发展前景。

关键词:聚氨酯涂料；汽车工业；底漆；中涂漆；面漆；修补漆，多异氰酸酯

汽车工业中使用的涂料种类很多，范围也很广，包括汽车车身涂料、货厢用涂料、车架等部件用耐腐蚀涂料，发动机部件、底盘、铸锻件、毛坯和冲压件半成品用涂料、车内装饰件用涂料和特种涂料等，其中最具代表性且变化最大的是汽车车身涂料。特别是应用于轿车车身涂装的涂料，由于其极高的性能要求与表观要求，代表了涂料工业的最高水平。目前，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。聚氨酯(PU)涂料，有时也称作PU 漆，作为重要的涂料品种，以其优越的性能，在涂料市场占据较大份额，广泛使用于木器、防腐、车辆、建筑、航空及皮革等多个领域。与在其他领域的广泛应用类似，因其涂膜具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点，在汽车涂料领域也具有广泛应用及良好的发展前景。PU 材料在汽车中的应用已有很多论述，但大多关注于汽车内饰件与外装件，如坐垫、仪表板、脚踏板等，多为PU 泡沫、RIM 等制品。将PU 汽车涂料单独作为车用涂料品种的论述较少，其主要原因可能在于汽车涂料的品种很多，而且汽车工业对涂料提出的主要是应用要求，并不关心其材料品种。根据部位、用途，大体分为塑料件涂料、电泳涂料、修补涂料等。

1 汽车涂料简况

汽车涂料是随汽车的出现而出现的，最初使用天然植物油、天然树脂，后来逐渐出现了硝基漆、醇酸磁漆、丙烯酸树脂漆及PU 漆等，其涂装工艺亦发生了巨大变化。在汽车工业发达国家，汽车涂料产量占涂料总产量的20% 左右。我国汽车涂料工业伴随汽车产业的发展也在不断壮大，2005 年全国涂料总产量约为380 万t，同比增长10.42%，其中汽车涂料占6.3%，产量约为24 万t。

PU 涂料在汽车工业中的应用

汽车制造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；此外还有一类用于汽车车身修补的修补漆。PU 涂料在这三者中均占有重要地位。

2.1 车体零部件、内外饰件使用的PU 涂料

车体零部件、内外饰件种类较多，对涂料的要求各不相同。涂料的应用与通用涂料相似，与非汽车领域应用无显著区别。如保险杠使用丙烯酸PU 涂料；挡泥板、侧护板和保险杠下护板使用的P U 底漆；车轮罩、扰流板、车门把手采用的P U涂料；奥地利Vianova Resins公司用于汽车内部装饰的双组分PU 涂料等。

如图一车体零部件、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%。如由于塑料品种不同，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PU 和丙烯酸树脂为基料的涂料，部分塑料适用的涂料。

PU 涂料有很好的材料适应范围，这也使采用PU 涂料涂饰的汽车塑料件在材料选择上更为自由。特别是随着汽车塑料用量增加，PU 涂料用于汽车零部件、内外饰件的前景十分广阔。

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2.2 汽车车身用PU 涂料

用于车身表面涂装的涂料具有特殊的应用要求，主要有2 点：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。但耐用、美观、环保是其共同的发展方向，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PU 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PU涂料或各种改性PU 涂料。

2.2.1 PU 底漆

汽车底漆即直接涂装于车身的第一道涂料。世界各国汽车底漆绝大部分使用阴极电泳漆。用封闭型PU、聚酯树脂、环氧树脂等一起，可制备阴极电泳PU 涂料。PU 电泳涂料主要包括以下3 类：水性PU 树脂电泳漆、PU 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。近年阴极电泳PU 涂料在汽车涂装中使用极为成功，发展迅速。适应环保节能要求的新型电泳涂料也不断出现，如德国研制的一种低温固化阴极电泳PU 涂料，需2 次烘干，固化条件为：160℃、10min；130℃、30 min[17]。国内对阴极电泳PU 涂料的报道也很多，并已成为研究热点之一。沈阳、天津灯塔、重庆三峡和湖南造漆厂先后从日本关西涂料公司引进厚膜化的HB2000 型阴极电泳PU漆用于汽车底漆，主要成分为环氧聚酰胺/PU 双组分电泳漆，其特点是涂膜厚，表面高度平整，耐碎落，对防锈钢板的适用性很强，主要用于国产汽车如一汽奥迪、天津夏利、重庆五十铃等。阴极电泳PU 涂料的防护性能非常优良，据报道，在不加防腐颜料的情况下仍有很好的耐烟雾性能，能满足汽车车身10 年无穿孔腐蚀的防护要求，且涂膜平整而丰满；此外，在电泳涂层与中涂之间，有时还有1 层抗石击涂层，也属于底漆系统，主要是为保护汽车行驶时易受到碎石冲击的部位，P U 涂料抗石击性能最佳，只是价格稍贵。

2.2.2 PU 中涂漆

汽车中涂漆也称“二道浆”，位于底漆与面漆之间，其主要作用是改善平整度，为面漆提供良好基底，其基料一般与底漆和面漆保持一致。P U中涂漆(包括各种改性PU)品种很多，应用也十分广泛。目前应用的PU 中涂漆既有溶剂型的也有水性的，如国内中鄂长颈鹿牌、郑州拓立制漆公司的双组分高填充性PU 漆，国外Du Pont 公司1020R 双组分PU 中涂。Hoechest 公司VTW1240 等。适应环保要求的水性PU 中涂漆也具有很好的性能，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PU 中涂漆的性能指标见表3。抗石击和耐寒性能优良的PU 中涂漆是汽车中涂漆的发展方向之一。即使在涂料中使用少量PU，其抗石击性能也有很大提高。有人在聚酯- 氨基树脂体系中涂漆中加入一定量PU，发现能显著

提高漆膜弹性、附着力和抗石击性。

2.2.3 PU 面漆

面漆包括底色漆与罩光清漆，均可使用PU 涂料。目前使用的面漆主要为溶剂型，但从发展角度看，水性化、高固体份、粉末化是其发展方向。现有的2 种主要水性底色漆就包括水性PU 底色漆，如Bayer公司商品名为Bayhydrol的水性PU分散体等(产品说明书)；罩光漆基本为溶剂型双组分PU，主要是在多水性涂层的基础上，采用双组分溶剂型P U 罩光漆后，V O C 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，仅在新建涂装线上使用。当然，使用双组分水性PU 罩光漆也能获得与溶剂型PU 罩光漆相当的性能。面漆的耐候性是其重要指标之一。很明显，面漆将直接暴露于大气和阳光之中，必须有满足使用要求的耐候能力。PU 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。朱永华等人曾采用人工加速老化试验(氙灯老化法)对丙烯酸磁漆和PU 面漆分6 个周期(1 周期为200h UV 照射和50h盐雾)进行老化，用傅立叶红外光谱、扫描电子显微镜和光泽仪对老化的涂层进行分析表征，用交流阻抗(EIS)法测试2 种涂层的抗渗水性能。结果表明，PU 面漆抗UV 能力和抗渗水性能均强于丙烯酸磁漆，其综合性能强于丙烯酸磁漆。另外，近来还开发了由双组分水性PU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。

2.3 汽车修补漆

汽车修补漆最初使用天然树脂漆，后来逐步发展到使用硝基漆、醇酸树脂漆。20 世纪70 年代，溶剂型双组分PU 涂料进入汽车修补漆市场，并逐步成为汽车修补漆市场的主导产品。

90 年代，开发了高固含量的双组分PU 修补漆。据报道，1994年仅西欧就售出了13.8 万t 双组分PU 汽车修补漆。目前在西欧，溶剂型双组分PU 涂料占据了85% 的市场份额。用于汽车修补的水性双组分PU 涂料已经商品化，其VOC 很低，可满足任何严格的溶剂排放法规的要求。汽车原车漆要求漆膜有较好的光泽、快干、良好的耐水性、耐溶剂性和耐老化性。汽车修补漆除了要达到这些性能外，还必须能低温固化，而双组分PU 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PU 涂料，能室温或低温烘烤固化，可用在汽车的金属、塑料、木材及其他底材上。这类涂料由于使用了较多挥发性有机化合物作为溶剂，因此对环境造成了严重危害。随着各国限制挥发性有机化合物标准的出台，对传统的溶剂型PU 涂料提出了挑战。最近几年又开发了水性双组分PU 涂料，并获得成功，其主要是采用了水分散的多元醇组分，通过在该多元醇组分中引入羧酸基团，将其用胺中和后分散于水中；而作为固化剂的多异氰酸酯组分，可采用低、中黏度的传统固化剂或使用亲水改性的多异氰酸酯。

3.聚氨酯涂料介绍

聚氨酯涂料即聚氨基甲酸酯涂料，是分子结构中含有—NHCOO—单元的高分子化合物，该单元由异氰酸基和羟基反应而成，反应式如下：

—N=C=O + HOˉ→—NH-COOˉ