汽車涂料的進化

追溯交通工具涂料的發(fā)展，我們可以回到汽車出現(xiàn)之前的年代，那時候有“車廂涂料”，我們必須把OEM涂裝（原始設(shè)備制造商）的概念發(fā)明權(quán)歸功于亨利?福特。他研發(fā)了流水線工藝，他還發(fā)表了最著名的宣言：每個客戶的汽車顏色可以任選，只要是黑的就行。

福特的色彩選擇概念不僅僅是為了簡化生產(chǎn)，還體現(xiàn)了那時的工業(yè)現(xiàn)狀：只有很少的顏料色彩可選，而且涂料耐用性很差。

直到1922年硝基纖維素清漆才出現(xiàn)，這提高了耐用性，色彩更清爽、施工也快的多。在接下來的年代里面，技術(shù)在持續(xù)更新，到了大約40或者50年前，我們所謂的“現(xiàn)代”汽車涂料終于首次登場了，請看表一：

技術(shù)發(fā)明的年代

1922  硝基纖維素清漆

1925  第一代（銳鈦型）鈦白粉

1930  干性油醇酸涂料

1932  非干性醇酸涂料，用于硝基纖維素增加塑性

1935  酞氰藍發(fā)明

1938  金紅石型鈦白粉

1946  氨基樹脂用于烘干涂裝

1954  耐曬顏料廣泛應(yīng)用

1957  丙烯酸（熱塑性）清漆

1962  烘干型丙烯酸體系

表 1：現(xiàn)代汽車涂料的早期發(fā)展

OEM市場

三家最大的涂料市場――杜邦、PPG、和巴斯夫――統(tǒng)治了整個汽車涂料市場，至少生產(chǎn)了全球需求70%以上的汽車涂料。這可能來自于市場的這樣一個需求：那就是全球化的汽車公司從不同國家的汽車工廠里制造出各種型號的汽車，但是它們需要同一種統(tǒng)一的外觀和色彩，不管汽車到底是從哪里生產(chǎn)出來的。全球合并以及合作正在繼續(xù)，在2004年就發(fā)生了以下重大事件：

PPG和日本關(guān)西涂料建立了合資企業(yè)，面對全球提供汽車OEM涂裝服務(wù)；

杜邦打算建立一千萬美元的試驗室，測試全球范圍日本汽車制造廠的汽車涂料；

美國涂料巨頭宣威并購了上海金利達化學(xué)（Kinlita）的主要股份，面對中國市場提供汽車涂料；

估計全球汽車涂料市場的規(guī)模將發(fā)生變化，但是120萬噸的規(guī)模，以及85-90億美元的市值應(yīng)該是比較典型的。其中日本、美國和歐洲各占超過20%以上的份額。下面一張表顯示了不同階段涂料工藝的市場價值。對未來行業(yè)增長的預(yù)計是不同的。主要汽車制造商繼續(xù)提高產(chǎn)量，已經(jīng)進入了低成本區(qū)域，接近了最后市場。他們正兼并那些不太成功的公司，并投資各種新技術(shù)，比如高固含量涂料，以及粉末涂料，這些技術(shù)能降低總用量，但是不會降低使用涂料的市值。

分類 北美涂裝技術(shù) 歐洲涂裝技術(shù)

電泳涂裝 425 390

底漆面漆 221 200

底層涂裝 605 695

清漆涂裝 366 372

表 1：不同涂裝工藝的市場比重（美元）

數(shù)據(jù)來源：化學(xué)市場報告2000年數(shù)據(jù)

涂裝需求

工程技術(shù)的改進提高了汽車的使用壽命，現(xiàn)在的客戶需要涂料耐腐蝕、耐片落、耐環(huán)境損傷，并且多年保持“全新”的外觀?；旧蟻碚f，這些需求在過去八十年里，沒有什么大的變化，但是涂料工業(yè)達到這些要求的技術(shù)能力已經(jīng)有了巨大的進步。涂裝需求一般是：

提供以下抗腐蝕能力：

底層涂裝提供抗腐蝕能力；

表面涂裝提供抗環(huán)境損傷能力；

外觀吸引客戶，并持久耐用；

為各種市場提供廣泛的涂裝選擇；

另外，要符合各種苛刻的法律法規(guī)。

北美和歐洲的法律法規(guī)限制使用溶劑型涂料，并且肯定會變得越來越嚴苛。美國環(huán)保署頒發(fā)了一系列控制污染的MACT（最大排放控制技術(shù)）標準。工廠必須在三年時間里面達標，這嚴格限制了涂料工業(yè)VOCs（可揮發(fā)有機物）和HAPs（危險空氣污染物）的排放。

在歐洲，ELV法規(guī)（汽車壽命指導(dǎo)）正要投入實施。這項法規(guī)要求汽車制造商在汽車壽命終結(jié)時，為汽車棄置以及再次循環(huán)利用負責(zé)。那些危險污染物，比如鉛、鎘還有六價鉻，這些汽車經(jīng)常使用的材料，都被嚴格限制。

另一個變化就是車身配件和門窗，越來越多的使用塑料材料。比如從1968年到2001年，在一輛時尚的德國汽車里面，估計金屬化表面（比如在鍍鉻保險杠以及各種門窗部件上）減少了65%。同時，門窗配件的色彩被要求和汽車車身相統(tǒng)一。

防腐蝕

經(jīng)過最初的表面處理，比如磷酸化之后，車身經(jīng)過一個水性涂裝槽，用電泳給金屬“鍍”上一層涂料。沒有成膜的涂料被清洗下去，然后把涂料烘干固化。開始使用陽極系統(tǒng)，（就是把車身作為電流回路的正極），但是這種系統(tǒng)可能會破壞鋼材和預(yù)處理層之間的結(jié)合，同時涂料要依靠乳化作用才能使用。到了1970年代后期，陰極電沉積技術(shù)開始使用在環(huán)氧/氨基樹脂體系中，這消除了以上問題，并迅速的被市場接受。

電泳涂裝只需要在使用很少的溶劑，并且很少浪費涂料的情況下，就能涂裝厚度均勻、涂裝可控的涂層，不管是在部件的可見部分，還是看不到的部分。這種工藝的改進，主要集中在提高防腐性能，和相對其他涂料，降低表面粗糙度方面。

2001年，寶馬汽車的慕尼黑工廠提出了一種改進工藝，稱為RoDip3工藝。車體材料在通過電泳涂裝時，完全轉(zhuǎn)了一圈，提高了涂料對于不可見區(qū)域的流動和滲透能力。

如果能制造出更光滑、更均勻的表面，我們很可能簡化整個工藝，節(jié)省很多時間和原材料。然而，PPG公司則開發(fā)出了另一種粉末底漆涂裝工藝，取代了原來先進行底漆噴涂，然后用電泳配方二次涂裝來實現(xiàn)更好表面的方法。這部分是因為整個行業(yè)正向彩色底漆進步，用這種方法來減少涂裝次數(shù)，提供更多色彩。

另一種方式被稱為“逆序涂裝”，就是在外觀需要特別美觀的區(qū)域只進行底涂和面涂，等固化之后，再進行一次電泳涂裝。這有效保護了最容易損傷的區(qū)域，但是在兩層涂層結(jié)合的部分，也可能發(fā)生問題。據(jù)研究宣布，如果能成功控制底涂和面涂烘干后的電阻，那么電泳就能有效粘合在這些首次涂裝比較薄的邊緣區(qū)域，而不會涂裝到厚度已經(jīng)達標的區(qū)域。1

還有一種改進電涂性能的方法，是使用“復(fù)合固化”涂料，一部分涂料在烘干之前就經(jīng)過紫外固化。紫外可以防止涂料在烘干的初期變軟流動，所以避免了在金屬邊緣留下薄層區(qū)域的危險。2

底漆

電涂之后，通常進行底漆涂裝，這種底漆將會被打磨掉，以便為面漆提供一個更光滑的表面。常用聚氨酯改性、或者蜜胺樹脂交聯(lián)，或者異氰酸酯類改性的聚酯樹脂體系。涂裝之前，車身的通常還會先涂裝一種彈性的抗片落涂層。

提高鋼材表面的光滑程度，并且提高電泳質(zhì)量，意味著使用高固含量涂料（超過30%），這才能保證上一層底漆打磨之后容易損失的部分控制在15-20%，同時整體光澤控制在原來的80%。這種高光底漆可以著色，這對于面涂至關(guān)重要。

這不僅降低了面涂需要的顏料數(shù)量，而且可以在那些不重要的部位，把所謂的“底漆”，當成最終面漆來使用，比如在發(fā)動機隔離部分，以及看不到的保護罩部分。

進一步的發(fā)展趨勢包括，巴斯夫公司希望盡快在歐洲的幾個工廠，推出它的“整合工藝二代”。這個工藝使用彩色水性底漆，并且底涂是濕涂裝在電泳涂層上面，整個厚度大約15-30m，然后一起烘干，完全省去了勞動密集型的打磨工藝。

新體系的流變性能提高了在電泳涂裝粗糙表面的流動性，使用彩色底漆來配合底涂，并含有紫外吸收劑，從而可以降低這些涂層的厚度，同時并不犧牲最終外觀，也不減少抗紫外性能。這種性能可以保護底層的電泳涂層（如下圖）。他的競爭對手，PPG也宣稱正在開發(fā)類似工藝。

圖一：巴斯夫整合工藝二代降低了涂層厚度，節(jié)省了材料

面涂

在很多年里，標準的汽車涂裝就是在底涂體系上面簡單地涂裝一層高光色漆?，F(xiàn)在，閃光金屬顏料和其他特效涂料占據(jù)了主要市場，其中銀色（準確地說，是各種變化的銀色）已經(jīng)成為最流行的色彩，不過在不同市場，不同地區(qū)，色彩需求仍有不同。

這些特效涂料（如上節(jié)所述）需要一層透明的清漆涂裝在色彩涂層（底涂）上面，一方面起到保護作用，一方面提供更好光澤。各個不同的市場，以及不同的法律法規(guī)造成選擇技術(shù)的不同。歐洲公司比較傾向于使用聚酯/三聚氰胺涂料，美國更喜歡丙烯酸/三聚氰胺體系，不過這些趨勢總是不斷變化。底涂必須是低固含量的，以便降低粘度，使得金屬閃光涂料在干燥過程中能很好的展開。由于環(huán)保方面的壓力，在歐洲50%的底涂現(xiàn)在都是水性的。

為了使用溶劑型底涂，同時又能降低揮發(fā)性有機物（VOCs），已經(jīng)發(fā)明了各種各樣的方法。例如，加入低分子量的羥基聚醚據(jù)說可以提高不揮發(fā)成份含量，同時保持低粘度3；更令人吃驚的方法有，有人宣布在某些混合的溶劑體系中加水形成膠體乳液，可以降低粘度，而不是像往常理解的那樣提高粘度。4

清漆不受這些問題影響，所以可以使用水性、高固含量或者粉末涂料。甚至還有第四種選擇，把普通粉末涂料進行水性漿料涂裝，這避免了安裝新的噴涂設(shè)備。

在美國，杜邦公司憑借2002年推出的超固含量Supersolids品牌清漆，贏得了美國環(huán)保署的最佳空氣清潔大獎。這種產(chǎn)品使用了非常微細顆粒的溶劑型分散劑，這提高了施工涂料的固含量，從普通的50%直到65%。

杜邦的老對手PPG最近也推出了兩種新型清漆，同樣大大提高了抗損傷、抗刮擦能力。

Optech品牌產(chǎn)品是一種單組分高固含量清漆。除了很好的耐刮擦性能之外，還具有一個特殊的優(yōu)勢，那就是窗玻璃可以直接粘合在這種涂層上，不需要像往常那樣再涂裝一層提高粘合力的聚氨酯底漆。

CeramiClear品牌產(chǎn)品使用了納米顆粒，交聯(lián)在涂料上，提供了超乎一般的牢固程度和耐刮擦性能。這種涂料已經(jīng)用在德國戴姆勒克萊斯勒和奔馳的生產(chǎn)線上。但是將來是不是還會廣泛使用這種高固含量涂料呢？根據(jù)目前看到的情形，一些主要用戶已經(jīng)轉(zhuǎn)向了粉末涂料。水性雙組分聚氨酯清漆同樣也可使用。這種產(chǎn)品在的噴槍噴嘴，在最后一刻才把兩種組分混合起來，這大大減少了清潔和浪費的問題。

所有技術(shù)面臨的共同問題，就是紫外吸收劑和位阻胺光穩(wěn)定劑（HALS），清漆目前需要這兩種產(chǎn)品來提供很長的使用壽命。然而，經(jīng)過很長時間之后，這兩種成分可能會揮發(fā)光，或者從涂層消失，轉(zhuǎn)移到底涂，或者基材當中去了（使用熱塑性材料的時候）。解決這個問題的方法包括開發(fā)低揮發(fā)度的紫外吸收劑，這樣能提高效率5，以及開發(fā)含有一位或者二位羥基的HALS，這樣它們就與異氰酸或者三聚氰胺交聯(lián)涂料，形成穩(wěn)定結(jié)合。

粉末涂料

涂裝底漆時，不管使用干的粉末涂料，還是漿料粉末涂料，都能在電泳涂層形成平滑涂層，也可作為最后涂裝的清漆。在北美，粉末底漆使用的比歐洲更廣泛――也許是因為（據(jù)說）美國顧客對于“桔皮”癥狀更寬容一點，而這一點是粉末涂裝很難避免的。在兩個大洲，戴姆勒克萊斯勒公司都是領(lǐng)先企業(yè)，該公司已經(jīng)使用了6500噸粉末涂料。

相反，粉末清漆在歐洲比美國使用的更多。這也許同樣是客戶習(xí)慣造成的。因為白色涂裝在美國非常流行，但是在歐洲就差一點。要知道白色涂裝很難避免局部黃變問題。

德國拉塞特（Rastatt）的梅塞德斯汽車廠從1996年就開始使用漿狀粉末涂裝。在1997年，寶馬汽車廠在德國丁格芬（Dingolfing）工廠推出了丙烯酸粉末清漆?，F(xiàn)在，大約已經(jīng)涂裝了一百萬輛汽車，公司正在把全部清漆都逐步改為粉末涂裝。

雪鐵龍公司在法國瑪豪斯（Mulhouse）工廠安裝了新的涂裝生產(chǎn)線，這是歐洲第一條使用彩色粉末底漆的涂裝線。新技術(shù)降低了把原來10-15分鐘的變色時間，減少到只要幾秒鐘，使用極為方便，經(jīng)濟。

特效涂裝

盡管銀色仍然將保持市場的領(lǐng)先地位，客戶在具體細分的市場里面，仍然希望他們的汽車能看上去更突出一點。原材料供應(yīng)商對此的反應(yīng)是增加特效涂裝的使用范圍。首先，通過控制顆粒尺寸，以及鋁粉鱗片的形狀來增加特效，其次，他們開發(fā)了更多的干涉效果技術(shù)。

有色的金屬閃光顏料和珠光顏料，本身就能形成很多種色彩變化。與其他有機顏料共同使用在底涂當中時，能形成多種不同的色調(diào)。例如，如果藍色的金屬閃光顏料和標準的紅色像混合，當觀察者直視，顯示出來的色彩就是紫色，但是從不同角度觀看時，它能顯示出淡紅色調(diào)的藍色。

不過，除了這些，客戶在高端市場，喜歡為他們的新車，自定一種個性化的色彩。最理想的方式，就是客戶能控制裝飾涂料的色彩，指定一種色調(diào)，而不是從一些標準色當中挑選。PPG公司最近研發(fā)的“動態(tài)調(diào)色”Dynamic FlexColor系統(tǒng)，實際上把這種愿望變成了現(xiàn)實。他們在施工時，涂料中加入彩色顏料。據(jù)稱，只要五天就能完成訂單，不過，對于這種系統(tǒng)能在多大范圍內(nèi)推廣，我們?nèi)孕栌^望。

誰需要涂料

最終，并沒有一個人僅僅需要涂料本身，他們需要的是防腐性能、裝飾性能、耐久性能。未來的汽車還需用目前的方式進行涂裝嗎？或者，到底需要不需要涂漆呢？

一系列試驗已經(jīng)在卷材涂裝領(lǐng)域中展開了。主要問題，正如我們預(yù)見的那樣，就是在金屬板的切割邊緣發(fā)生腐蝕。不過，看起來卷材涂裝生產(chǎn)線可能會消除電沉積涂裝這一工序?？蛻魧τ谏实男枨笤絹碓蕉?，底漆涂裝的卷材看來不能完全滿足這種要求。

至于裝飾性涂料，高粘合性能干貼膜已經(jīng)在航空領(lǐng)域使用了很多年，可以用來保護容易受損的部位。很多汽車公司正在試圖把這項技術(shù)移植到汽車部件上去，其中在Smart品牌汽車的塑料頂部，已經(jīng)使用了共擠卷板涂裝技術(shù)。

至少有一項專利涉及使用保護性貼膜，這種貼膜直接粘合在部分固化的涂料上7。在其他的應(yīng)用中，涂料應(yīng)該在保護貼膜固定在最終表面上之前，就涂裝在涂膜下層。這項工藝的潛在優(yōu)勢有如下幾點：

讓塑料部件的色彩正確地匹配到車身涂料的顏色上去；

在施工中沒有任何VOCs排放；

涂膜厚度沒有限制（厚膜也可以實現(xiàn)基本正確的色彩）；

用氟聚合物提高保護性能（耐灰塵）；

由于直接印刷在平面貼膜上，新的裝飾效果可能比直接涂裝汽車更容易實現(xiàn)

從長遠來說，客戶指定設(shè)計可通過噴墨打印來涂裝到汽車上，這已經(jīng)在部分汽車上實現(xiàn)了商業(yè)化

這項開發(fā)對于細分市場針對性更強，或者更適合特定的涂裝組分，而不是目前我們熟知的汽車涂裝市場。從大規(guī)模生產(chǎn)的角度，粉末和水性涂料對于未來市場更有前景。漿狀粉末涂裝和超固含量技術(shù)在短期內(nèi)優(yōu)勢明顯，因為這兩項技術(shù)只需要使用現(xiàn)有設(shè)備即可，避免了大規(guī)模投資，也不會影響生產(chǎn)。

（轉(zhuǎn)載）