1 汽车用粉末涂料的发展概况
20世纪70年代初,粉末涂料初步应用于汽车领域。由于汽车涂料有高耐候、高耐腐蚀、高耐磨以及耐热、保光保色等性能要求,技术进展相对缓慢[1]。粉末涂料初期应用仅局限于汽车零部件、汽车底涂等,后来逐步用于汽车底面合一粉末涂料和粉末罩光清漆,成为真正意义上的汽车用粉末涂料。20世纪80年代,日本的Honda、意大利Fiat开始将粉末涂料应用于汽车车身喷涂。美国的汽车制造商引入粉末涂料作为汽车面漆时则保持着更加谨慎的态度。General Motors(通用)于1982年开始在小型载货卡车系列中使用粉末涂料作为汽车车身的底面合一涂料,积累了相关经验后,在20世纪90年代初,开始在其乘用汽车系列中使用粉末涂料技术。2000年,General Motors(通用)和Daimler-Chrysler(克莱斯勒)这2家公司每天有1万多辆汽车车身采用底面合一粉末涂料进行涂装。目前,欧洲的汽车工业涂料也正探索逐步将粉末涂料取代液体涂料的应用。
我国粉末涂料在汽车工业中的应用大多在汽车零部件方面,虽然以其优异的涂层性能和环保性能已经完全可以替代液体涂料,但受产品结构和涂装技术限制,我国粉末涂料占汽车涂料应用市场不到10%,而欧美国家适用于汽车零部件喷涂的粉末涂料已经达到50%以上,我国的粉末涂料品种与西方发达国家相比存在较大差距,另外在喷涂设备和烘烤设备方面也存在质量与规模上的差距。
随着粉末涂料新产品及新技术的开发,粉末涂料在汽车领域的应用不断扩大,如汽车铝轮毂、汽车保险杠、刹车片、滤化器、发动机、雨刮、汽车车厢等。汽车用粉末涂料品种有环氧粉末、环氧聚酯粉末、耐候纯聚酯粉末、聚氨酯粉末、丙烯酸粉末[4]。目前它们固化温度相对偏高(180~200 ℃),能耗较高,并且高温涂装对汽车部件机械力学方面有较大影响,存在一定安全隐患。在汽车轮毂、刹车片、转动轴等特殊零部件涂装方面,现很多汽车公司已提出低温固化涂装要求。
2 汽车部件用粉末涂料的涂装要求
粉末涂料已经在汽车部件上有较多应用实例,本文综述了大众、通用、本田、中信戴卡、江铃汽车等公司对汽车各部位粉末涂层的涂装要求,为开发更新粉末涂料在汽车领域的应用提供参考依据。
2.1 汽车车身粉末涂装
汽车涂料对保护性能和装饰性能均有较高要求。传统的汽车表面液体涂装工艺一般为:中涂、色漆及清漆3道工序,在涂装过程中有大量VOC排放,各国政府为了减少VOC排放,鼓励汽车生产企业采用相对环保的涂装工艺。2000年,欧洲大众汽车开始推行免中涂工艺,采取“水性底色漆+高固体分罩光清漆”涂装工艺,这种喷涂工艺每年可以降低70%的VOC排放、降低20%的CO2排放,是迄今为止最环保的汽车涂装工艺之一[5]。
相对于水性涂料,粉末涂料在汽车车身上的应用推广相对较少,但变革已经在慢慢发生,北美三大汽车制造厂商通用、克莱斯勒和福特率先在1996年开展汽车车身中涂粉末喷涂研发,采用粉末涂料作为底粉,代替原有的中涂涂装,在美国现在已经有11家汽车OEM工厂采用粉末涂装汽车生产线。
汽车罩光清漆一直是粉末涂料较难进入的领域,但粉末涂料在经济性和环保性方面的优势使得汽车制造商和涂料生产商都在这方面开展广泛的研究。BMW(宝马)是世界上第一家在其标准产品中使用粉末罩光清漆的汽车制造商,BMW德国工厂粉末罩光清漆自2000年商业化投产,共计已生产了50多万辆汽车[6]。国内市场中,2015年江淮汽车与阿克苏诺贝尔公司联合开发粉末涂装生产线,在卡车车厢上实现粉末素色漆喷涂工艺。2016年,CIMC东莞中集专用车在东莞投产粉末涂料喷涂的挂车,年产3万台(套),主要出口北美、欧洲。2018年,芜湖中集瑞江汽车有限公司各类搅拌罐车、粉罐及其零部件采用粉末涂料喷涂,选用底粉+面粉双涂层和面粉单涂层的涂装工艺,实现罐车涂装线技术的全新突破。据报道阿克苏诺贝尔生产的Interpon超耐候聚酯粉末色漆在佛罗里达曝晒60多个月后,保光率大于80%,并已为TOYOTA(丰田)、HONDA(本田)、AUDI(奥迪)、PSA(标致雪铁龙)、FORD(福特)等汽车生产公司所采用,具有与传统水性色漆涂料相类似的外观。本文对各汽车生产厂家对汽车车身粉末涂装性能要求进行了总结,如表1所示。
表1 汽车车身粉末涂装的技术要求Table 1 Technical index of primer powder coatings on automotive |
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2.2 汽车发动机粉末涂装
表2 发动机粉末涂装技术要求Table 2 Technical index of powder coatings on engines |
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2.3 汽车零部件粉末涂装
粉末涂料在汽车零部件方面也有一些应用。汽车座椅、门窗和雨刮器主要以聚酯/TGIC或聚氨酯粉末涂料为主,多数以光泽为5~15的无光粉和半光粉进行喷涂,这些粉末涂料通常为低光泽黑色或深灰色产品[8]。
以汽车保险杠粉末涂装为例,其技术要求如表3所示。
表3 汽车保险杠粉末涂装的技术要求Table 3 Technical index of powder coatings on car bumper |
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2.4 汽车铝轮毂粉末涂装
汽车轮毂涂装主要集中在京津冀地区,以戴卡和立中系为代表的轮毂厂,轮毂粉末的配套工艺经过近10 a的发展已经步入成熟阶段,主要的施工喷涂工艺为:(1)铝轮毂金属工件前处理→喷涂粉末涂料(环氧/聚酯粉末或聚酯粉末)→喷涂色漆→喷涂透明粉末涂料(GMA丙烯酸罩光粉末或纯聚酯透明粉末)。(2)铝轮毂金属工件前处理→喷涂粉末涂料(环氧/聚酯粉末或聚酯粉末)→喷涂色漆→精车→喷涂透明粉末涂料(GMA丙烯酸罩光粉末或纯聚酯透明粉末)。
在铝轮毂上喷涂环氧/聚酯底粉,可提高轮毂耐腐蚀性,改善轮毂外观。轮毂底粉分为高光、平光和亚光。一般高光底粉配套喷涂电镀银漆,平光和亚光底粉配套喷涂闪光银漆。在铝轮毂表面喷涂使用的丙烯酸粉末清漆必须满足耐冲击、耐酸雨腐蚀、耐温变、耐紫外线的要求。宝马汽车最先对丙烯酸粉末清漆做系统评定,最终将丙烯酸粉末清漆作为汽车OEM生产商的喷涂标准[9]。轮毂涂装对粉末涂料要求比较高,能够生产底粉与透明粉厂家不多,外资企业有阿克苏诺贝尔、PPG、老虎等,国内企业有广州擎天。
受环保压力影响,轮毂制造商提出PVD车轮镀膜新工艺,此工艺省去除中间的喷色漆环节,采用PVD电镀工艺代替喷漆环节,可解决轮毂涂装存在的环境污染和涂料回收问题等。据报道,该镀膜工艺现在已经成功应用,汽车铝轮毂涂装已经逐渐转向粉末全涂工艺发展。
表4 铝轮毂透明粉末涂装技术要求Table 4 Technical index of transparent powder coatings on wheel-hubs |
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表5 铝轮毂底粉涂装技术要求Table 5 Technical index of primer powder coatings on wheel-hubs |
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2.5 汽车底部粉末涂装
3 结 语
汽车生产厂家对汽车用涂料的涂层外观、性能要求相对较高。目前汽车用粉末涂料(如中涂和清漆)都只是单色系列,这是由于粉末涂料不能像液体涂料那样可以迅速换色;在实际生产中,粉末涂料流平性达不到液体涂料效果且固化温度较高,这是粉末涂料在汽车涂装领域推广应用速度缓慢的主要原因。因此,汽车用粉末涂料技术发展方向是提高涂层流平性;开发低温固化粉末涂料。随着粉末涂料技术的日益进步,粉末涂料将逐步扩大其在汽车领域的应用[11],如:(1)汽车铝轮毂金属粉末涂料可逐步替代金属漆;(2)汽车底盘、发动机;(3)汽车车身罩光、汽车车厢内饰;(4)新能汽车车身、零部件及电源电池外壳会全部采用喷粉技术。
随着国家低碳环保法规的日益加强,汽车涂料的更新换代也开始加速,由于粉末涂料零VOC排放,将在汽车涂料行业发展中拥有优先发展机会。随着粉末涂料原材料、配方技术不断更新,国外先进涂装技术引进,粉末涂料在汽车应用将会迎来无限机遇,粉末涂料在汽车涂料中地位将愈加重要。