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汽車涂料行業的技術發展,水性化是必然選擇!

      近年來,汽車行業經歷了翻天覆地的變化。SUV的走紅、新能源車時代的降臨、輕量化的趨勢……其實,許多企業對新能源車、輕量化上的投入,還有很長的一段路要走,涉及了材料選擇、生產效率、價格等諸多問題。然而,車用涂料方面已經有了明顯的轉變。

      從市場的反饋中得知,消費者在購買涂料產品時,對環保的要求十分嚴格,不僅會詳細了解產品的有害物質含量,還會優先選擇有各種環保認證的產品。汽車涂料正朝著環保和提高整車外觀裝飾效果的方向發展,涂料工藝趨向于多層復合涂裝。汽車工業中使用的涂料種類很多,范圍也很廣,包括汽車車身涂料、貨箱用涂料、車架等部件用涂料和特種涂料等等。特別是應用于乘用車車身涂裝的涂料,由于其極高的性能要求,代表了涂料工業的最高水平。
      現在,國內汽車涂料以溶劑體系為主,對VOC的限制成為了汽車涂料的重要指標。傳統的溶劑型涂料VOC排放量約125g/㎡,水性涂料VOC排放量約27g/㎡。以目前流行的閃光涂層為例,其VOC排放量占總量的66%,若使用水性涂料,整車VOC排放量可減少一半以上。我們希望從成本、工藝、環保等視角,呈現汽車涂料行業正在發生的那些變化。 

汽車的涂裝結構

車身用涂料的分類
底漆

汽車底漆是直接涂裝在經過表面處理的車身表面的第一道涂料。


現狀

根據底漆在汽車上的使用部位,要求底漆與底材具有良好的附著力,與上面的中涂漆或面漆具有良好的配套性。此外,還必須具備良好的防腐性、防銹性、耐油性、耐化學品性和耐水性。

目前,國內幾乎全部乘用車生產都采用陰極電泳底漆,僅在部分客車及載貨車上還采用傳統的醇酸類、酚醛類或環氧類底漆。電泳漆是在水性浸涂底漆的基礎上發展起來的,常用的包括環氧樹脂漆、醇酸樹脂漆、氨基樹脂漆、酚醛樹脂漆等;顏料一般選用氧化鐵紅、鈦白、炭黑或其他顏料填料。膜厚一般為20~35微米,一般乘用車陰極電泳漆過漆面積可達120平方米左右。

發展趨勢

未來,底漆的發展趨勢大體可總結為低VOC、免中涂以及低膜厚三個方向。雖然電泳涂料是水性涂料,但仍然含有一定量的有機溶劑,目前最新的陰極電泳漆的溶劑含量已從2%~3%降低到0.4%~1.8%,大大減少了VOC的排放。為了降低涂裝成本,簡化涂裝工藝,一些汽車生產廠家采用了免中涂的涂裝工藝,但取消中涂涂層對電泳底漆的平整度提出了更高的要求,面漆的厚度也有所增加。降低膜厚主要是通過高泳透率、高耐腐蝕性的陰極電泳漆實現的,一般而言這種方法可以減少用漆量13%以上。同時保證漆膜耐腐蝕性不降低,如底漆漆膜的厚度可降低至外表面15微米、內腔9微米,其漆膜耐腐蝕性及平整度與外表面22微米、內腔12微米時相當。此外,底漆發展趨勢還包括應用無鉛無錫涂料、低溫烘烤涂料、耐候性涂料等。

中涂

中涂也稱二道漿,包括膩子、二道底漆和封閉漆等。

現狀

目前新車生產已不再使用膩子,僅用于汽車修補。我國載重車、微型車等商用車一般不用中涂漆而是直接在底漆上涂覆面漆,塑料件及零部件也不需要進行中涂,如保險杠或車底盤,但無論是乘用車還是商用車的外車身,及其后期修補都需要進行中涂。中涂漆是用于汽車底漆和面漆或底色漆之間的涂料,起到連接底漆與面漆的作用,能夠提供與面漆相適應的保護性,同時具有填平性,提高整個漆膜的豐滿度。常用的中涂漆包括聚酯樹脂漆、氨基樹脂漆、環氧樹脂漆、聚氨酯樹脂漆等;顏料和填料選用鈦白、炭黑、硫酸鋇、滑石粉、二氧化硅等。中涂膜厚一般為20~30微米,目前中涂漆仍有許多為溶劑型。

發展趨勢

汽車中涂漆未來主要是向著高固體分化、水性化、粉末化的方向發展。目前美國車用涂料的主要發展方向就是高固體分化,高固體分中涂漆采用高固體分的聚酯、聚氨酯、氨基等樹脂制備,其施工固體分可高于60%,甚至可達70%,比傳統中涂漆提高10%~20%,VOC排放量可降低20%~30%。國內新建的汽車涂裝線為了達到低VOC排放的要求,一般采用水性中涂漆,如水性聚酯氨基漆及水性聚氨酯漆等,其施工固體分一般達到50%~60%。粉末涂料雖然是VOC排放量最低的涂料之一,但由于換色困難等原因一直未采用。目前,國內除個別車用零件生產線外,整車尚無使用先例,但隨著噴涂設備的改進和粉末水漿技術的成熟,未來這種涂裝技術也必將成為汽車廠家的選擇之一。

面漆

汽車面漆在汽車整個涂層中主要發揮裝飾和保護作用,一般包括罩光漆和色漆。

現狀

汽車面漆一般應具有鮮艷的色彩、良好的機械性能以及優異的耐候性。一般而言,無論是乘用車還是商用車,無論是零部件、塑料件還是后期維修都需要進行面漆涂裝,只是商用車一般只噴涂底色漆,上面不再覆蓋罩光漆,而零部件一般不噴涂底色漆,只噴涂罩光漆,而這層罩光漆有時也用其他防腐漆替代。

目前高檔汽車面漆主要采用氨基樹脂、醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂等為基料,選用色彩鮮艷、耐候性好的有機顏料和無機顏料,添加一些助劑,如紫外光吸收劑、流平劑、防縮孔劑、電阻調節劑來達到滿意的外觀和性能。

發展趨勢

未來,面漆的發展方向是水性化、粉末化、高固含量。水性面漆通常采用“底色漆+罩光清漆”的配套工藝,由于溶劑型底色漆是VOC排放的最大來源,占汽車車身涂裝各道工序排放總量的50%左右,如果將底色漆改為水性涂料,VOC排放量可大大減少。但水性面漆直到目前仍未被廣泛使用,主要原因是水性面漆的耐候性和裝飾性較高,固體分面漆差,同時因其仍含有2%~15%的有機溶劑,對施工環境和烘干條件要求較高,綜合成本太高。但從發展趨勢上看,無溶劑水性涂料仍將成為未來的主要開發方向。目前,粉末罩光漆主要采用丙烯酸樹脂型粉末涂料,雖然其成本較雙組分聚氨酯清漆明顯要高,但其在工藝上節省了廢渣處理、VOC處理的運營成本,隨著生產規模的擴大,原材料成本進一步降低,其直接成本會進一步接近于雙組分聚氨酯清漆。

國內車用涂料的消費量變化趨勢
乘用車涂料

國內乘用車涂料消費量增長的主要動力來自汽車銷量的增長,而單車涂料的消費量,則受到新涂裝工藝及材料的應用,呈逐漸下降趨勢。其中下降最快的是德系乘用車,其次是美系車。日系、韓系和國內自主品牌因單車用漆量基數較低而下降較少。

未來消費增長最快的乘用車涂料是面漆,主要是由于近年來免中涂工藝的推廣,要求面漆兼具中涂漆和面漆的性能,加上各種金屬色漆和珠光漆等需要多遍底色漆噴涂漆面的流行,面漆的膜厚有不斷增長的趨勢。中涂漆受到了免中涂工藝的影響,單車消費量出現下降。

客車用涂料




由于國內客車產量開始下滑,客車涂料的消費增長將放緩。而從單車涂料的消費量來看,與乘用車不同,仍在穩步提升,尤其是中涂漆增速較快。這主要與大型客車的比重升高有關。


國內汽車原廠涂料是一個相對封閉的市場,原廠涂料一般都是通過直銷的方式從汽車涂料制造企業銷售到整車企業,這導致每一個汽車涂料企業的各個涂層涂料銷售到不同整車企業的價格是不同的。同一種品牌、規格的汽車漆銷售到國產車和進口車價格可能會相差50%。近幾年,國內汽車原廠漆市場出現了價格惡性競爭的情況,即使是國外品牌,為了爭奪市場份額,價格也不得不做出大幅讓步。

車用聚氨酯涂料的市場需求

消費量預測

聚氨酯涂料具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐化學品性、硬度大、高彈性等優點,在汽車涂料領域具有廣泛應用及良好的發展前景。據市場研究公司Market Research Future最新發布的一份研究報告顯示:全球聚氨酯涂料市場消費量預計到2023年將達到378.12萬噸,2016-2023年間年均復合增長率為7.3%,同時按市場價值計算也將顯著增長。聚氨酯涂料可分為雙組分聚氨酯涂料、單組分水性聚氨酯涂料、光固化水性聚氨酯涂料、室溫固化水性聚氨酯涂料、第三代水性聚氨酯涂料(PUA)、環保型低芳烴聚氨酯涂料等。

發展趨勢

未來,我國水性聚氨酯技術的發展方向集中在以下幾個方面:努力提高水性聚氨酯材料的力學性能、固含量和粘接強度,特別是初始粘接強度;在進一步降低V0C的基礎上,開展水性聚氨酯交聯機理研究和新型交聯劑的開發,提高水性聚氨酯室溫固化的性能;盡量減少有機溶劑用量,最終達到無溶劑;解決水性聚氨酯涂料涂膜的豐滿度差、光澤度低的問題,開發高性能涂料,積極開拓新的應用領域;通過進一步降低水性聚氨酯成本,解決好水性聚氨酯技術應用問題;強化與水性聚氨酯材料有關的基礎理論研究;開展施工工藝研究,降低環境溫度和濕度對水性聚氨酯涂膜外觀的影響;加強對水性聚氨酯專用設備的研究和開發。

汽車涂料的發展歷史

我國汽車工業的64年歷史中,我國汽車涂料已實現了四次大的更新換代。

現用的第四代汽車涂料是以第4、5代陰極電泳涂料,耐酸雨、抗劃傷性的優質丙烯酸樹脂涂料,丙烯酸聚氨酯涂料,面漆顏色為金屬色和本色,適應轎車三層涂裝體系的涂料等為代表。是近年隨轎車產品和轎車車身涂裝線的引進,世界著名的汽車涂料公司在華設廠,達到國際轎車涂層標準而形成的?;谵I車產品引進的國別不同,這一代汽車涂料尚可分為日本體系和歐美體系。

從20世紀90 年代開始,歐美汽車廠為環保達標采用環保型汽車涂料替代傳統的有機溶劑型汽車涂料。到 2001年已采用水性中涂、底色漆的轎車分別已占總產量的份額為:北美 7% 和 43% ;歐洲 32.5% 和 36% 。其中德國已基本實現水性化,中涂占 80%,底色漆占 93% 。而在亞洲采用水性底色漆的轎車只占 1.5% 。


隨著21世紀汽車市場的不斷發展,消費者對汽車消費需求越來越成熟,個性化、多元化將成為新的增長點。汽車經銷商則在高度競爭環境下必須開拓更多的汽車服務項目以及深度挖掘汽車文化內涵,來滿足消費者的需求,以形成個體的競爭優勢。而綜合型的汽車貿易服務園區,通過資源有效整合,再導入全新的規劃理念和強大的服務功能,實現汽車銷售市場多元化,因此具有較強的生命力。

盡管中國汽車行業正在發展壯大之中,但是在汽車涂料和涂裝技術方面與工業發達國家相比較,仍然有著比較大的差距。近幾年來,中國汽車制造業已經建起將近20條水性涂料涂裝線,尚有多條水性涂料涂裝線將相繼投建,汽車行業率先開創涂料水性化,可為其他行業推廣應用起到示范效應。涂料水性化的開展,有益于節約資源、改善環境污染、實施清潔生產,取得有效的社會和經濟效益??梢灶A見,隨著涂料和涂裝技術的不斷進步,創新,在水性涂料的價格、性能、施工工藝,降低設備投資等方面,將有新的突破,在推動和拓展水性涂料應用領域方面有著更大的發展空間。

聚氨酯涂料在汽車工業中的應用
汽車零部件、內外飾用聚氨酯涂料

汽車的零部件、內外飾件多種多樣,對涂料的性能需求也有區別。如保險杠使用丙烯酸聚氨酯(PU)涂料;擋泥板、側護板和保險杠下護板使用的聚氨酯(PU)底漆;車輪罩、擾流板、車門把手采用的聚氨酯(PU)涂料;奧地利vianova resins公司用于汽車內部裝飾的雙組分聚氨酯(PU)涂料等等。

車體零部件、內外飾件大多為各種塑料,種類繁多,且又不斷增長的趨勢。由于塑料的品種不同,基材與涂料的適應性要求也不同,需要選擇合適的涂料進行塑料件涂裝。聚氨酯涂料則擁有良好的材料適應范圍,隨著車用塑料的更新換代,聚氨酯在大多數情況下都能適應,應用前景廣闊。

車身用聚氨酯涂料

底漆

世界各國汽車底漆絕大部分使用陰極電泳漆。用封閉型聚氨酯(PU)、聚酯樹脂、環氧樹脂等一起,可制備陰極電泳聚氨酯(PU)涂料。如今,在走向水性化的過程中,首先將底色漆水性化,能大大降低VOC的排放。Nissan就在2010最先開始使用水性底色漆的3C1B工藝,并且使用雙組分聚氨酯作為清漆滿足外觀的要求。而Honda則在水性化底色漆的3C1B工藝中,使用溶劑型雙組分聚氨酯中涂底漆,以提高體系的抗石擊性。據悉,中涂底漆也開始了水性化,豐田(Toyota)和通用(GM)都開始使用水性3C1B工藝。在通用的未來全球工藝規劃中,使用雙組分聚氨酯清漆的水性3C1B工藝已經成為標準。

聚氨酯(PU)電泳涂料主要包括以下3類:水性聚氨酯(PU)樹脂電泳漆、聚氨酯(PU)改性水性樹脂電泳漆和水性封閉多異氰酸酯。其中,水性封閉多異氰酸酯作為各種電泳漆的交聯劑使用最為普遍。

陰極電泳聚氨酯(PU)涂料的防護性能非常優良,根據報道,在不加防腐顏料的情況下仍然有很好的耐煙霧性能,能滿足汽車車身10年無穿孔腐蝕的防護要求,且涂膜平整而豐滿。此外,在電泳涂層與中涂之間,有時候還有1層抗石擊涂層,也屬于底漆系統,主要為保護汽車行駛時候容易受到碎石沖擊的部位,聚氨酯(PU)涂料抗石擊性能最佳,只是價格稍微昂貴一些。

中涂漆

聚氨酯(PU)中涂漆(包括各種改性聚氨酯中涂漆)品種很多,應用也十分廣泛,適應環保要求的水性聚氨酯(PU)中涂漆也具有很好的性能,特別是柔韌性和耐沖擊性優于溶劑型涂料??故瘬艉湍秃阅軆灹嫉木郯滨?PU)中涂漆是汽車中涂漆的發展方向之一。即使在涂料中使用少量聚氨酯(PU),其抗石擊性能也有很大的提高。有人在聚酯-氨基樹脂體系中涂漆中加入一定數量的聚氨酯,發現能顯著提高漆膜彈性、附著力和抗石擊性。

面漆

聚氨酯面漆的耐候性要優于另外一類廣泛使用的面漆品種丙烯酸磁漆。聚氨酯面漆抗UV能力和抗滲水性能均強于丙烯酸磁漆,其綜合性能也是強于丙烯酸磁漆。另外,前些年還開發了由雙組分水性聚氨酯制成的可直接附著在金屬上面,不需要底漆的水性面漆,它可用于室內外車輛上,且防腐蝕性能有重大改進?;仡?008年,拜耳創新聚氨酯涂料技術應用現代概念車中,現代汽車公司(Hyundai)推出了運動感十足的“i-mode”轎車。新車一經問世,就吸引了消費者的關注。最值得欣賞的是,創新的聚氨酯涂料具有自我愈合的能力,可以自我修復汽車劃痕,并具有極強的耐磨抗性。通過聚氨酯涂料對塑料表面進行保護,并賦予材料表面豪華的外觀和細膩的手感。

聚氨酯修補漆

修補漆利潤相對于其他車用涂料是最高的。大部分修補漆的銷售在4S店,一次銷售和二次銷售的價格不同。國外品牌修補漆的一次銷售價格平均在70-85元/公斤左右。顏色的差異會導致價格的差別。

黑色、白色→紅色、黃色→珠光閃粉



國產修補漆在價格上有著一定優勢,品質接近進口產品,售價只有進口的1/2-2/3,同樣競爭十分激烈。

最初,汽車修補漆使用天然樹脂漆,后來逐步發展到使用硝基漆、醇酸樹脂漆。20世紀70年代,溶劑型雙組分聚氨酯涂料進入汽車修補漆市場,并逐步成為汽車修補漆市場的主導產品。90年代,開發了高固含量的雙組分聚氨酯修補漆。據報道,1994年僅僅在西歐就銷售出去了13.8萬噸的聚氨酯汽車修補漆。到了2006年前后,在西歐,溶劑型雙組分聚氨酯涂料占據了86%左右的市場份額。用于汽車修補的水性雙組分聚氨酯涂料已經商品化,其VOC很低,可滿足任何嚴格的溶劑排放法規的要求。

汽車原車漆要求漆膜有比較好的光澤、快干、良好的耐水性、耐溶劑性和耐老化性。汽車修補漆除了要達到這些性能外,還必須能夠低溫固化,而雙組分聚氨酯涂料正好能滿足這些要求,由丙烯酸酯多元醇和多異氰酸酯組成的雙組分聚氨酯涂料,能室溫或者低溫烘烤固化,可用在汽車的金屬、塑料、木材及其他底材上,這類涂料由于使用了比較多揮發性有機化合物作為溶劑,因此對環境造成了嚴重危害。

隨著各國限制揮發性有機化合物標準的出臺,對傳統的溶劑型聚氨酯涂料提出了挑戰,前些年又開發了水性雙組分聚氨酯涂料,并獲得成功。汽車修補漆用的水性雙組分聚氨酯涂料的含羥基組分中通常要加入流平劑、消泡劑、催化劑、光穩定劑、增稠劑和有機共溶劑等助劑,再與多異氰酸酯組分混合后加水調整粘度,用噴涂法施工。而用于汽車修補的水性雙組分聚氨酯涂料早已經商品化了,其VOC比溶劑型聚氨酯涂料低很多,可滿足任何嚴格的溶劑排放法規。水性雙組分聚氨酯涂料正在逐步取代傳統的溶劑型涂料,隨著環保法規的日益嚴格,它必將占據更大的市場份額。

政策:發展水性涂料是必然趨勢


2016年7月,工業和信息化部聯合財政部印發了《重點行業揮發性有機物削減行動計劃》,鼓勵相關行業協會、科研院所和咨詢機構等研究制定本行業的VOCs削減路線圖,促進重點行業揮發性有機物削減。中國汽車技術研究中心制定了《汽車行業揮發性有機物削減路線圖》,提出汽車行業VOCs削減的目標、技術路線和示范案例等。

據悉,汽車及其零部件生產環節VOCs排放濃度高、強度大、持續時間長,是引發大氣VOCs污染的重要因素之一。“十二五”以來,我國汽車行業環保涂料使用比例不斷提升,部分新建涂裝生產線VOCs排放指標已經達到世界一流水平。但是,每年仍有1000余萬臺汽車產品使用傳統溶劑型涂裝工藝生產,制造過程中散發大量VOCs。同時,汽車內飾釋放的VOCs也會對駕乘人員身體健康產生一定程度影響。

根據行動計劃,為引導行業技術進步,制定汽車行業VOCs排放目標。2018年12月31日起,單位涂裝面積VOCs排放量乘用車35g/㎡、貨車駕駛艙75g/㎡、貨車車廂90 g/㎡、客車180 g/㎡。2020年12月31日起單位涂裝面積VOCs排放量乘用車30g/m2、貨車駕駛艙65 g/㎡、貨車車廂70g/㎡、客車150 g/㎡。

據悉,各種涂料配套的汽車涂裝工藝體系只有采用水性中涂、水性底色漆的體系與雙組分高固體分罩光清漆、水性罩光清漆或粉末罩光清漆才能使有機溶劑( VOC)排放量達到環保要求(35 g/㎡ 以下)。

結語:

我國汽車涂料行業特點是:區域集中度高、差距大;技術落后、利潤低;政府和行業協會的支持力度不減。我國涂料行業的分布區域依然是長江三角洲、珠江三角洲、環渤海地區,三個地區占據了全國涂料行業80%的份額。然而,我國汽車涂料的質量、品種等還很滯后,真正國產的名牌屈指可數且控制市場的份額很小。

聚氨酯涂料在汽車工業中的應用越來越廣泛,尤其水性、高固體、粉末化聚氨酯涂料是未來的發展方向。其中,水性雙組份聚氨酯涂料已經實現了商業化,但價格依然比較高。隨著國家對汽車單位涂裝面積VOCs排放量的縮緊,必將帶動水性涂料的快速發展。而國產品牌自身的劣勢,往往利潤低于15%,在原材料價格上漲時就更加艱難了。如何把握色彩趨勢,在修補漆這個高利潤的領域獲得一定市場,是我們要去思考的。與此同時,在工藝的轉變和水性化的發展下,汽車涂料行業將迎來一場激烈的洗牌。

來源:水漆助手


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