受益于汽车保有量的稳定增长,未来数年中国汽车修补漆消费量仍将保持持续稳定的增长,这为我国汽车维修行业的发展带来了巨大商机。目前,我国汽车修补漆市场仍以溶剂型产品为主,从消费量计,水性汽车修补漆占比目前还不到10%,与欧洲的90%和美国的40%相比还有很大的差距,预计未来几年水性汽车修补漆占整体市场的比例将较快增长,2016—2020年水性汽车修补漆市场复合增长率可达20%。
1 发展历程
20世纪90年代,水性汽车修补漆这一绿色环保、先进工艺的修补漆产品进入市场,从溶剂型转换到水性体系, VOC下降了85%以上,极大地降低了VOC的排放。从其发展历程来看,国外涂料企业一直走在行业前列,PPG、Axalta、BASF、AkzoNeboL、Sherwin-Williams、Nippon、Kansai等通过不断的技术创新,推动着水性修补漆行业的技术发展,同时也将先进的技术和工艺引入中国市场。PPG 2003年将Aquabase水性汽车修补漆引入中国市场,是中国水性汽车修补品牌领导者,2006年推出全新升级的Aquabase PLUS和Envirobase High Performance,继续引导水性汽车修补漆潮流,并在2011年向市场发布一款D8186最先进的水性修补清漆;美国Sherwin-Williams在 2011 年在中国市场推出了其高端水性漆产品线 AWXP 水性汽车修补漆系列;日本Nippon在2016年发布了第二代的水性汽车修补漆系统-Nax E3WB;日本Kansai在2018年在中国市场推出了水性汽车修补漆系统RETAN WB ECO EV。
虽然国外涂料企业于20世纪90年代末推出各自的水性汽车修补漆系统,但都有着各自的技术平台和产品设计理念。从体系构建上看,有平衡水性色母/水性稀释剂体系的(PPG),有设计成高浓水性色母/水性树脂/水性稀释剂体系的(Axalta、Nippon),也有可水分散溶剂型高浓色母/水性树脂/水性稀释剂体系的(BASF);从施工方式上看:有湿碰干、湿碰湿、2~3道、1.5道;从色母应用方面看,有需要上搅拌架每天搅拌的,也有仅手摇的(PPG、Nippon)。
虽然各大涂料企业推出了自己的第一代水性色漆产品,解决了水性汽车修补漆从无到有的问题,但是受树脂技术、合成工艺、颜料(特别是铝粉颜料)技术、生产技术等方面的限制,水性色漆在涂膜性能、产品制造、品质稳定性、施工应用、颜色服务、技师培训等方面存在不足,经过20多年的经验积累、技术革新、产品升级换代,水性修补漆色漆系统逐渐走向成熟,表现卓越,被市场广泛接受。
为了满足客户不断提出的新要求,PPG最新Envirobase High Performance色漆系统,是在充分了解市场的需求,并应用最新专利技术(第3代聚丙烯酸乳液和微凝胶抗沉降技术)研发而成的新一代水性色漆体系。
2 发展现状
2.1 环保法规
全球各地的环保法规的不同,导致在汽车修补漆水性化进程中,国家和地区间存在着明显的差异。2004年欧盟颁布了2004/42/EC 指令(简称PPD),并于2007年1月1日在西欧全面实施。2006年加州空气资源委员会颁布CARB(California Air Resources Board)法规(可使用豁免溶剂),主要适用于加拿大和美国的加利福利亚州,美国其他州也在做相应的准备,包括东北臭氧迁移委员会(OTC)等。日本于2005年5月公布了修正过的大气防止污染法,限制喷漆室排气口的VOC浓度。中国香港在2007年颁布了等同于欧洲2004/42/EC的《空气污染管制(挥发性有机化合物)规例》法规,并于2011年全面实施。中国大陆于2010年颁布了GB24409—2009 《汽车涂料中有害物质限量》法规。2015年开始,国家对施工状态下VOC含量>420 g/L的涂料征收消费税。北京、深圳、重庆、天津和江苏(征求意见稿)已出台针对汽车维修行业的废气排放或涂料VOC标准,其他多个省市也陆续实施针对汽修行业的相关环保政策及措施。
2.2 水性化现状
欧洲市场上已经完成所有色漆层水性化的转化;在北美地区,加利福利亚和加拿大已经完全转换成水性色漆,美国的其他州也在按照各自的法规要求陆续进行转换;亚太区(除中国外),澳大利亚/新西兰大部分已经转换成水性色漆;中国香港也已经完成水性转化;其他国家和地区包括台湾、马来西亚、泰国、越南等市场上水性化呼声高涨。
欧美修补漆市场经过20多年的发展,从对水性色漆的接触、了解和使用,完成了对水性色漆的认知升级。如今,客户的关注度已经从为了满足法律法规的要求逐步转向追求产品质量和服务,主要体现在以下几个方面:颜色配方准确性;快速、高效、高产能;最新颜色配方更新(高透高彩度红、蓝、黄、绿等);有效系统培训;颜色可重现性;易于使用;容易处理涂料缺陷;环境清洁、施工安全;帮助修理店树立绿色环保形象和社会责任感;修理店的管理流程升级达到利润的持续提升。
欧美市场方面,由于水性色漆以前服务的主要是高端市场,高端市场由于公司形象、环保意识、社会责任等都有极高的标准,所以对涂料产品、质量和服务都有准入门槛。汽车修补漆需要通过各主机厂的产品认证后才具备准入资格,水性色漆也需要通过同样的流程。主机厂和高端4S店的这套流程,反过来也推动了水性汽车修补漆的技术进步和产品升级。市场上典型的高端水性汽车修补漆体系有:PPG全新升级的Aquabase PLUS和Envirobase High Performance系统; Axalta的Cromax Pro和Permahyd Hi-Tech 480系统;BASF的Glasurit 90Line系统等。
但是中端市场准入门槛较低,无需质量体系认证。为了满足中端主流市场的需求,近几年各国际涂料公司相继推出中端水性修补漆系统,如:PPG的Quickline系统、BASF的45line系统、Axalta的Syrox系统;除了色漆外,底漆、中涂、清漆仍然以溶剂型涂料为主。
国内水性汽车修补漆市场情况比较复杂。由于水性修补漆对物流、仓储、设备、施工环境等全价值产业链的要求比较苛刻,导致水性汽车修补漆在国内的应用仍不普遍。近几年水性修补漆市场发展较快,但市场仍集中在中高端汽车品牌的4S店以及政府环保政策推动力度较大的地区(北京、深圳、重庆、天津和江苏)。高端市场方面,在主机厂和国际涂料公司的协同推动下,以奔驰、宝马为代表的高端汽车品牌4S店积极推广使用全球产品认证过的高端水性汽车修补漆体系。中端市场(中端汽车品牌4S店、综合修理厂等,以及VOC排放严格要求的地区)方面,“油转水”势在必行,但产品认证没有硬性要求,各国际涂料公司纷纷引进各自的中端主流水性漆产品,赢得先机,如:PPG的Quickline系统、BASF的45line系统、Axalta的Syrox系统;近10来年,民族企业通过增加研发投入、自主创新、与时俱进,在水性色漆的研发和产品的推广上奋起直追,步步紧逼,取得了明显的进步并占据了一定的市场份额,如:东来科技的Onwaves水性汽车修补漆系统;雅图的Exwell水性汽车修补漆系统等。
3 涂层体系
汽车修补漆主要涂层体系包括底漆、中涂、面漆(分为单组分底色漆+清漆和双组分素色面漆),如图1所示。
底漆的主要作用是保护金属底材防腐蚀,并提供和上涂层的附着力。目前国内外普遍使用的是溶剂型磷化侵蚀底漆和溶剂型双组分环氧底漆。中涂的主要作用是协同底漆和腻子进一步填平细微凹陷,从而提供平整光滑表面,以提高面漆的鲜艳度和光泽。市场普遍使用的是溶剂型双组分聚氨酯中涂。
众所周知,颜色是汽车修补漆的核心,也是修补漆的价值源泉,而修补漆中提供颜色的主要是色漆层,通常包含单组底色漆层和双组分面漆。目前市场上该层产品体系较多,主要为色母调色系统。其中,溶剂型单组分底色漆色母调色系统,主要以醋丁纤维素/蜡/丙烯酸树脂或者醋丁纤维素/蜡/聚酯树脂体系为主。而水性底色漆色母调色系统,主要以聚氨酯分散体、聚丙烯酸酯乳液为主,有聚丙烯酸酯乳液/微凝胶树脂体系的,也有聚氨酯分散体/流变控制剂为主体的,也有溶剂型色母+水性乳液树脂为主的体系,不同技术平台,各有千秋。而双组分面漆的技术和清漆一样,以双组分聚氨酯为主。
清漆主要作用是赋予汽车良好的耐候性、展现颜色的清晰度、耐擦伤性等。目前国内外使用最广泛的是溶剂型双组分聚氨酯体系。
4 发展动力
水性汽车修补漆涂层体系中,真正技术成熟并商业化的是底色漆,形成这一现象的主要原因有以下几个方面。
4.1 外部环境保护要求驱动
由于人们对绿色环保意识的增强,特别是西方发达国家在VOC排放法规制定和实施方面走在了世界的前头。为了满足法律法规的要求,各大修补漆生产厂家通过增加研发投入、自身技术革新,并结合原材料技术的发展,纷纷投放能满足市场需求的高、中、低档次的修补漆产品和服务。
4.2 各层VOC排放比重驱动
图2为典型的整套溶剂型修补体系VOC的数据。
由图2可以看出,面漆层(单组分底色漆/清漆,双组分色漆)所占比例达到80%,是VOC的主要贡献者。而实际情况,小刮伤和小划痕、部件更换、换色等业务占汽车维修钣喷比例不少,通常不需要对金属底材进行处理,免掉了底漆和中涂的操作,只需进行面漆的喷涂和抛光作业。所以,实际情况下,底漆/中涂销量在整个修补漆销量占比很小,面漆层成为实际VOC主要的排放源。
4.3 技术挑战
底漆是直接和金属底材接触的涂层,主要起到防腐的功能。但作为水性涂料分散介质的水,是导致金属腐蚀的主要诱因,腐蚀速度快,扩散范围广,结合维修行业的操作特点(室温喷涂、<70 ℃烘烤,以及维持或缩短现有施工周期),给水性修补漆底漆的开发提出了高难度的挑战。技术层面上,满足要求的水性修补漆底漆树脂还在研发中,水性化进程缓慢,目前的研发集中在对溶剂型技术进行升级,研发出了合规并保持优异性能的、满足市场需求的溶剂型高固体分底漆。
中涂是衔接底漆层和色漆层之间的过渡层,不但需要填补底漆层的细微凹坑,提供平滑的表面,还需要有很好的干燥性和打磨性,以及和色漆层之间的配套性,从而达到整个复合涂层的优异性能。由于中涂的以上功能要求,中涂的膜厚设计较厚,干膜厚达40~60 μm。这么厚的涂层,喷涂后涂层干燥对于确保中涂层的质量至关重要。水超高的蒸发潜热和缓慢的挥发速度,结合维修行业的操作特点,为其在厚质中涂中挥发完全带来了巨大的难度,如果水分没有挥发完全,打磨困难,并且色漆层会侵蚀该层从而导致最终颜色变化、表面失光等涂膜缺陷。和底漆一样,技术面临挑战,需要新技术、新水性树脂的出现,同样任重道远。研究者经过对溶剂型技术进行升级,研发出了合规并保持优异性能的、满足市场需求的溶剂型高固体分中涂。
清漆作为修补漆的最后一层,喷涂面积大,不但需要提供保护(抵抗严酷的外部环境,极好的耐候性等)的功能,还承担着装饰(透明性、丰满度、光泽等)的作用。同样面临着膜厚、水分挥发慢等常见困难,而且还要保持和溶剂型清漆同等的耐候性、靓丽表面和高光泽等性能。由于其用量大、附加值高,各大涂料企业都在加大研发力度,争取技术突破。目前,PPG和Akzo推出了最新技术的水性双组分清漆。但是,受到施工、性能(需要等同于溶剂型清漆的高光泽、高光滑表面、高鲜艳度、优异的耐水性及极好的层间附着力等)、服务、价格和法规等多方面的综合影响,市场接受度有待进一步提高。相对而言,由于能满足法律法规的要求,并具有性能优异、施工简便、物流存储方便、性价比高等因素,高固体分清漆在修补漆清漆市场占据绝对的领先地位。
单组分色漆体系为车身提供各种绚丽、闪烁、多彩的颜色,满足客户的“看不见修补痕迹”的期望。虽然其面临着制备不同颜色色母(无机、有机、效果颜料)、设计复杂的色母调色系统、确保色母稳定、调整施工方法/设备等方面带来的新挑战,但是其低膜厚(水分相对易挥发),无需打磨以及低涂膜理化性能要求等特性,某种程度上降低了研发的难度。由于其在修补漆中的重要性,各修补漆生产企业、原材料厂家纷纷投入巨资,将研发水性修补漆色漆作为重中之重。另一方面,从溶剂型低固色漆体系(低固含量<20%,VOC含量>750 g/L)升级到溶剂型高固色漆体系(高固含量>50%,VOC含量<420 g/L)难度极大,目前的研发集中在水性化。
5 组成及施工要求
5.1 水性色漆的配方组成
虽然水性色漆的配方随颜色、原材料技术、配方技术平台等不同,但是存在着一定的普遍性。表1为水性色漆配方的基本组成。
表1 水性色漆配方的基本组成Tab.1 Basic formula of waterborne automotive refinish basecoat |
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从表1可以看出,水性涂料并非完全不含有机溶剂。在配方设计中,为提高涂料的各种性能所添加的助剂(如,助溶剂、助剂、固化剂等)都可能含有机溶剂。虽然含有少量有机溶剂,但是水性涂料和涂料的水性化,极大地降低了有机溶剂的用量及对环境的污染,这为涂料工业向绿色、环保、可持续方向迈进提供了坚实的基础。
水作为水性涂料的分散介质,占比最高可到85%左右,对水性涂料的质量起决定性作用。水的蒸发潜热大、挥发速度慢、超强的氢键,对涂膜干燥、底材润湿、涂膜的耐水和防腐性能都有较大程度的影响,这些提高了水性色漆开发的技术难度。在配方设计时,需要添加各种助剂来克服这些困难。
水性色漆树脂主要为乳液和水性分散体,是水性涂料的主要成膜物质,在水性涂料中的用量通常占总配方量的60%~85%,其品质的好坏直接影响水性涂料的最终性能。国际各大涂料公司都有自己的树脂技术,PPG重点发展丙烯酸乳液技术,Axalta以聚氨酯乳液为主,BASF的水性树脂为水可稀释型的溶剂型聚氨酯树脂,Covestro等原材料公司也都在开发相应的用于修补漆体系的乳液和分散体。近20多年来乳液聚合技术发展很快,不断创新、不断进步,推动了水性修补漆的发展,核壳结构的聚丙烯酸酯乳液、水性聚氨酯等新型树脂现已作为水性色漆的主体树脂被广泛使用。
5.2 推广(油转水)的设备升级
水性修补漆虽然在产品研发阶段,努力追求“水油同质,水油同法”,但是水性涂料的特性(约85%组分为水)决定了其在施工工具和方法上还是有所差别。由于湿度和温度是决定水性漆干燥速度和雾化效果的关键因素,在推广水性修补漆时,常常需要对现有设备进行升级改造,以便顺利完成“油转水”的升级转换。改造很大程度上依据汽修厂现有的设备装备水平和状态,主要包括:添加能够调节温湿度的装置;带有辅助通风(吹风器或吹干装置)的下吸式喷房;可移动式吹风筒;能够提供稳定、洁净、干燥压缩空气的设备;水性漆专用喷枪;喷枪清洗机;分离式的废料处理系统。
6 结 语
(1)对于底漆而言,水性环氧体系可作为发展水性修补底漆的一个方向进行更深入的研究,同时结合不同功能的颜填料开发出满足市场需要的产品。
(2)对于中涂,聚氨酯应作为水性修补中涂的一个深入研究方向。
(3)对于清漆,虽然水性清漆与溶剂型清漆相比,在施工应用和涂膜性能等方面还有些差距,但技术上已经有所突破,如果严格按照要求进行施工应用,其已经能够达到市场要求。
(4)从涂装工艺来看,在研发水性底漆、水性中涂的过程中,涂料企业应与设备厂家进行紧密合作,开发针对水性底漆、中涂,开发出专门的喷枪和辅助干燥设备,以解决目前的施工难题。同时,在涂装工艺上进行改进提高,改变施工流程和延长修补施工周期[如,增加喷涂道数(减少每道涂膜厚度),增加干燥流程和时间],以达到类似于溶剂型涂膜的性能;缩短质保期(从溶剂型体系的10 a质量保证,缩短至全套水性修补漆的3 a质保期)。
以下几种方案可能有助于水性修补早日被市场接受:(1)扩大环保法律法规翻盖范围,加强执行力度;(2)加强政策扶持力度,对按要求严格执行的企业给与支持和奖励;(3)水性汽车修补漆生产规模化、本土化,减少涂料生产成本;(4)精简水性汽车修补漆全价值产业链,减少运行成本;(5)加强熟练技师的培养。科技改变生产力、科技改变未来,在科技革新力量的带动下,必将迎来从底到面全涂层水性修补漆系统的全面发展。