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汽车用粉末涂料与涂装技术研究现状及进展

作者:中天涂装发表时间:2019-12-09浏览量:103


20世纪70年代以来,石油危机给世人敲响了节能粉末涂料将成为汽车涂装的首选材料的警钟,而酸雨、臭氧洞和温室效应等一系列环境危害,使人类进一步认识到保护环境的迫切性和重要性,节约能源、保护环境已成为当今世界各国经济发展倍受重视的两大主题。各国纷纷致力于发展节能产品,同时严格环保法规。






汽车制造业是涂料最大的用户之一,世界涂料工业粉末涂装设备顺应时代要求,提出了省资源、省能源、低污染的发展目标,各大涂料公司不惜付出巨大代价,竞相开发节能、低污染型涂料,以保持、巩固和发展自身在未来涂料市场中强有力的竞争地位。



粉末涂料就是节能、低污染型涂料中极为重要的一类。自20世纪80年代开始,工业废气、废水、废渣对环境造成了严重的污染,欧美国家对挥发性有机物(VOC)的限制法规不断发布,尤其是1992年联合国环境与发展大会以后,环境保护成为世界性的重要问题,发达国家对汽车生产中有机溶剂的排放制定了越来越严格的控制指标。粉末涂料作为无溶剂涂料的代表,与水性涂料一样,受到涂料涂装产业界的重视,使得粉末涂料及其涂装技术的市场十分活跃。粉末涂料具有无溶剂、无公害,一次涂装厚涂层,喷溢涂料可回收再利用等特点备受重视,相应的发展速度也在加快。全世界粉末涂料的产量近10年增长了3倍。在欧洲和美国,一些涂料制造厂把环保产品作为优先开发的主要目标,其低VOC的涂料(水性涂料和粉末涂料)保持较高的增长率。我国的粉末涂料是随着国内家电行业的发展而迅速发展起来的,资料显示,20世纪80年代,我国粉末涂料以70%以上的年增长率上升,进入90年代,年均增长率虽有一定下降,但仍保持2位数的增长。我国粉末涂料行业发展迅速。目前产量已跃居世界首位,成为世界粉末涂料的龙头国家。从粉末涂料品种来看,环氧/聚酯型粉末涂料占65%,聚酯一异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)占19%,聚酯B 羟烷基酰胺占3%,环氧粉末涂料占12%,聚氨酯粉末涂料占1%。



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粉末涂料将成为汽车涂装的首选材料


粉末涂料自20世纪70年代初期开始应用于汽车领域以来,已经取得了很大的成功,特别是近年来获得了飞快的发展。它一方面大大减少了VOC排放量,另一方面又大大提高了涂料的利用率。由于技术的限制,目前汽车用粉末漆只是单色漆系列,如中涂漆和清漆,这是由于粉末漆不能象液态漆那样可以迅速换色。目前汽车粉末涂料的应用主要在欧洲和北美,而在我国,汽车用粉末涂料水平还远远落后,实际应用也很少,绝大部分限于铝轮毂的涂料,但发展前景看好。今后,汽车用粉末涂料的发展,将在进一步提高耐候性、抗紫外线性、低温化、薄膜化和提高装饰性方面努力。随着环保要求越来越严和粉末涂料技术的不断提高,粉末涂料的应用将越来越广泛。粉末涂料自20世纪60年代开发以来,由于其卓越的环境效应和节能、高效、低成本等原因成为一般金属表面涂装的首选材料,通过半个世纪的发展,已经应用到许多领域,包括各种建筑材料、家用电器、家具、各种箱体外壳、金属支架、管道等等,在冰箱、洗衣机等行业应用十分广泛。但由于粉末涂料的抗紫外线能力和耐候性较差,在汽车涂装,尤其是整车涂装方面的应用较晚。起初粉末涂料多用于涂装汽车零部件,但随着人们对粉末涂料研究的不断深入,解决了粉末涂料在实际应用中存在的许多问题,使其应用范围不断扩展,现在汽车工业越来越多选择中间层色漆/透明面漆的涂装采用粉末涂料。



随着工业的发展,“三废”对环境的污染已成为世界性的严重问题。其中溶剂型涂料的涂装对大气的污染也是各国非常关注的问题,特别是汽车涂装中VOC的限制越来越严格,低污染涂料的发展是2l世纪的重要方向之一,其中,粉末涂料将处于重要的位置。随着粉末涂料新产品及新技术的开发,粉末涂料的应用领域将不断扩大,粉末涂料在工业涂料中所占比例也会增加,同时粉末涂料仍将是产量增长速度最快的涂料品种之一。



粉末涂料用于汽车的研究已进行了20多年,但由于汽车用涂料要求高耐候性、高耐腐蚀性、高耐磨性,以及耐热、保光、保色等高性能,并需要卓越的装饰性,开发研究有相当的难度,难以在短时期内取得突破性进展。粉末涂料开始仅用于汽车零部件、汽车底漆、抗石击底漆等,直到20世纪90年代末期才批量用于轿车面漆和罩光面漆,成为真正意义上的车用涂料。目前世界5大车用涂料公司都在进一步开发汽车用粉末涂料,年增长率在12%以上,其中增长最快的是车身整体用粉末涂料。汽车用粉末涂料有环氧聚酯混合型、聚酯型、聚氨酯型和丙烯酸型等。随着技术的日趋完善和粉末涂料性能的提高,现已完全能满足轿车涂装的各项要求,如外观装饰性、耐候性、耐化学品性、抗刮伤性、耐紫外光性等。目前汽车车身采用干粉态或浆液态粉末涂料涂装已获成功。它们或作为底漆、单层涂料,或作为罩光面漆。



近10年来,用于汽车车身的粉末清漆引起了主要粉末制造商的关注。用于汽车的粉末清漆必须要在漆膜厚度、光泽和亮度方面有杰出的表现。必须有很好的力学性能,如耐冲击性、耐划痕性及优异的附着力。涂料必须耐酸雨腐蚀,必须耐温度波动,耐紫外线,不太需要维护,与修补漆配套也是重要因素,同时要符合环保及安全要求,在符合质量目标的同时生产更经济。20世纪90年代初期,宝马开始对普遍使用的清漆系统进行分析、评价,以便对汽车用清漆系统作出选择。最终选用甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)丙烯酸粉末清漆,这是由于其经久耐用以及使用粉末涂料更多的优点。选择GMA丙烯酸树脂作为汽车粉末清漆的另一个原因,是该技术成熟,GMA丙烯酸用于汽车已有近30年的历史, 已证实其具有汽车OEM所需的优异性能。1994年第一辆粉末涂装的汽车下线,1998年初第二条汽车粉末涂装生产线投产。



欧洲的宝马和“SMART”车全部采用了粉末涂装,宝马是欧洲第一家将粉末清漆用于标准产品的汽车制造商。宝马1996年7月决定用粉末清漆技术,采用粉末罩光清漆后,涂装每辆轿车可以节省溶剂1.5 kg。我国目前汽车涂装中粉末涂料的应用还不多,大多主要在汽车零部件方面,包括汽车发动机、车底盘、车轮、滤清器、操纵杆、反光镜、雨刮器和喇叭等零部件的涂装,但基本上都是黑色,在该领域已经可以用粉末涂料代替液体涂料。






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粉末涂料喷涂的特点


粉末涂料的烘干温度可以降低到140 ℃甚至120℃×20 min,达到节省能源的目的。通常,温度每降低10℃,可节省能源10%,如将烘干温度为180℃×30 min的传统溶剂型中涂改为粉末中涂,将大大节省能源。粉末涂料是VOC排放最低的涂料之一。世界上公认VOC排放最少的轿车涂装体系为:阴极电泳-粉末中涂-水性底色漆-粉末罩光清漆。粉末涂料在整个喷涂过程中可以循环使用,节省成本。同时不需要用化学药剂和漆雾去除系统去除过喷漆雾。粉末清漆的烘烤过程比较干净,可以长时间保持烘房的清洁度。



粉末涂料的生产、施工和固化都没有溶剂,因此粉末涂料实际上不排放挥发性有机化合物,应用干燥室收集法收过喷粉末,可大大减少废物的排放。所以,粉末涂料的使用可以完全解决环境污染问题。常见粉末涂料喷涂的优越性在于:粉末涂料喷涂工艺不同于油漆喷涂工艺,没有毒性产生,不损害工人的身体健康;粉末涂料喷涂在当前国家严格控制的环保条例下,不存在“三废”和环境污染问题;粉末涂料喷涂工艺比油漆喷涂工艺大大节省能源的消耗,并能减少生产工作程序;粉末涂料可以一次性喷涂,完成理想的高质量的表面涂层,不需要打底漆,而油漆要视产品的不同要求,通常会进行二次甚至三次以上的喷涂;粉末涂料是百分之百的固体,实际使用率通常能达到95% 以上,而油漆固体只有35%~60%,实际使用率通常只能在30%以下;粉末涂料喷涂不存在油漆工艺的流挂现象;其绝缘性能、化学性能、耐腐蚀性能以及各种不同类型粉末涂料的装饰性能都远远超过油漆的同类指标;粉末喷涂不需要调配颜色和流平挥发工作区域,喷涂后可直接进烘道固化,如在这之前因任何理由需要改喷是极为方便的;由于粉漆的耐腐蚀和耐化学性能达到了卓越的效果,其形成表面坚实的保护层,可大幅度减轻产品在包装运输中的报废率和损坏率。粉漆不是易燃品,不论在使用上,储存上和运输上都比油漆安全方便、简单经济。因粉漆的喷室、喷枪比油漆喷涂较易于清理,在施工时对工人技术要求较低。粉末涂装设备体积小,占地面积少,比油漆设备的投资低于20%~50%。






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车用粉末涂料的制造和涂装工艺


汽车用粉末涂料有环氧聚酯混合型、聚酯、聚氨酯和丙烯酸等类型。随着技术的日趋完善和粉末涂料性能的提高,现已完全能满足轿车涂装的各项要求,如:外观装饰性、耐候性、耐化学性、抗划伤性、抗紫外线等。欧洲的宝马车和“SMART”车全部采用了粉末涂装,北美主要使用粉末中涂环保的压力是北美市场采用粉末涂料的主要动力。粉末涂料是以固体树脂和颜料、填料及助剂等组成的固体粉末状合成树脂涂料。和普通溶剂型涂料及水性涂料不同,其分散介质不是溶剂和水,而是空气。它具有无溶剂污染,100%成膜,能耗低的特点。粉末涂料有热塑性和热固性两大类。热塑性粉末涂料的涂膜外观(光泽和流平性)较差,与金属之间的附着力也差,所以在汽车涂装领域中应用极少,汽车涂装一般采用热固性粉末涂料,热固性粉末涂料是以热固性合成树脂为成膜物质,在烘干过程中树脂先熔融,在经化学交联后固化成平整坚硬的涂膜。该种涂料形成的漆膜外观和各种机械性能及耐腐蚀性均能满足汽车涂饰的要求。起初粉末涂料多用于汽车发动机、车底、车轮和车内装饰涂装,效果很好,现在汽车工业越来越多选择中间层色漆/透明面漆的涂装体系,粉末透明漆是特别适宜的选择对象,粉末透明面漆不污染环境,其物理性能可与液态涂料相媲美,且其外观比较好,粉末涂料的光泽好于液态涂料,但其涂层厚度稍高一些,粉末涂装在竖直表面上和在水平表面上几乎能够得到相同的外观。



汽车用粉末涂料的制造一般采用干法(干混法和熔融混合法),工艺流程为:干混合(树脂、固体剂、颜填料、助剂)熔融混合→冷却→粗粉碎→细粉碎→分级→成品。施工方法主要采用静电喷涂。汽车用粉末涂料一般有环氧粉末涂料、聚酯粉末涂料、丙烯酸粉末涂料、环氧/聚酯混合型粉末涂料和聚酯/聚氨酯粉末涂料等。粉末涂料目前可广泛用于汽车的各种零部件(如汽车底盘、车轮、车轴等)和汽车内、外部装饰。传统的粉末涂料制造方法工艺流程长,分散性差,调色不易控制。近年来,美国FERRO公司开发了新的粉末涂料制造方法,使用超临界液体二氧化碳的湿式制造法,制造出小粒径的粉末涂料和粉末浆罩光涂料。粉末浆罩光涂料能得到与溶剂型同等的漆膜外观,初期投资少,现有涂装设备稍做改造即可投入使用。






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汽车粉末涂装技术进展


静电喷涂法对汽车粉末涂料的要求:从粉末涂料带电、喷涂、附着和涂膜情况考虑,合适的细度范围为10~80 μm之间。从粉末涂料的带电和加热时熔融流平情况考虑,接近球状的粒子效果较好。粉末涂料的体积电阻要适当,太低时粉末不易带电,太高时粉末也不易吸附在工件上。粉末涂料的表面电阻要高,低则容易使工件棱角处的电荷泄漏,使粉末涂料从工件上掉下来,这种电荷消失的速度是以一定表面电阻为界限而迅速增加的。粉末静电喷涂设备主要由带电粉末喷枪、供粉装置、供气系统及回收装置等组成。汽车粉末静电喷涂的基本原理与液态涂料的静电涂装法相同,在接地的金属工件和喷枪电极之间施加了高压直流电(30~90 kV),用压缩空气把粉末涂料从喷粉枪喷出分散到空气中,这些粉末粒子与受到喷枪电极电晕放电产生的电离空气粒子相碰撞,形成带电荷的粉末粒子,结果粉末粒子就吸附在接地的金属工件表面,由于粉末涂料的体积电阻较高,所以被吸附在工件上的粉末粒子释放电荷速度较慢,因此带电粉末粒子能不断地吸附在工件表面,直到绝缘破坏,不再增加膜层厚度。



汽车对涂层的要求高,不但要求有好的物理和化学性能,还要求外观平整、光滑,具有高光泽,对于轿车更是要求“光亮如镜”。近几年,为将粉末涂料用于汽车涂装,涂装行业进行了大量的努力和研究工作,取得了一定的进展。美国BGK公司将太空技术的“高红外”加热技术应用于粉末涂料涂装,用“高红外”的能量来辐射,使金属先发热,然后用金属底板的热量来固化涂装粉末。“高红外”加热技术的应用可以使生产效率大大提高,可以减少烘道长度,节约投资,更重要的是,工件从里面固化出来,可以把“气体”赶到表面上,减少“针孔”,改善粉末的流平性。使粉末涂层的平整度与光泽与液体涂料相比毫不逊色。



在严格要求的环保法规的推动下,粉末涂料像其他绿色涂料一样,在全球得到了迅速发展,对涂料技术的严格要求使得粉末涂料具备了许多早期认为是无法达到的性能。预测到2010年达到210万t。粉末涂料将明显地渗透到几个重要的应用领域,可以相信,粉末涂料将广泛地被汽车工业采用,同时低温固化体系将工业化,今后5年内将实现粉末涂料薄膜化。汽车用粉末涂料的发展将在进一步提高耐候性、耐紫外光性、低温固化性、薄膜化和从装饰性方面提高涂层表面的平整光亮度。



粉末涂料的原材料成本与相应的液态涂料的原材料成本没有多大差异,但是一般来说,要求高的应用场合需要比较高档的涂料,粉末涂料也是如此,所以原材料的成本还与涂料的应用场合有关系。除了粉末涂料车身的成本之外,粉末涂料原材料的成本还与粉末涂装的沉积效率以及涂层厚度有关,目前高质量粉末涂料的沉积效率可达到80%,但如果考虑回收的粉末,其材料利用率可能高于95%。目前各工业系统都采用回收的办法,但对于汽车生产线用的透明面漆还有困难,粉末涂料一般需要比较厚的涂层。使用粉末涂料时,在能耗、维修和有害废料的减少及处理方面,均可节省费用,实践证明,粉末涂装方法将是汽车组装厂现代化的趋势。在涂料工业中,粉末涂料属于发展最快的一类。由于世界上出现了严重的大气污染,环保法规对污染控制日益严格,要求开发无公害、省资源的涂料品种。因此,无溶剂/100%地转化成膜、具有保护和装饰综合性能的粉末涂料,便因其具有独有的经济效益和社会效益而获得飞速发展。



未来几年粉末涂料将向“四化”方向发展:低温固化,使粉末涂料能适应于热敏性材料的涂装,更好地与溶剂型涂料接轨;薄膜化,可用于厚度为30μm的连续涂层,以占领更多的溶剂型涂料市场;功能化,主要包括重防腐型、耐高温型、耐候型、阻燃型、导电型等对被涂物提供特殊保护和装饰功能的粉末涂料;专用化,汽车、预涂钢板等专用粉末涂料;美术型,开发无光、高光、高鲜映性、金属闪光以及遮盖粗质底材的花纹粉末涂料。



近几年,美国宣威公司、罗姆哈斯公司等开始在我国开展粉末涂料业务或设厂。内外资共同参与,外商已在我国先后建立多家粉末涂料生产厂,是中国最大的粉末涂料制造商,占中国粉末涂料市场份额的15%。显示出我国粉末涂料业的广阔发展前景。

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