宋華 于澤淼（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）
摘要：本文介紹了聚脲涂料的發(fā)展歷史及各代聚脲涂料的性能，根據(jù)汽車零部件涂層的性能要求，開發(fā)了新型環(huán)保聚脲涂料。重點介紹了新型環(huán)保聚脲涂料的性能，及在汽車零部件上應(yīng)用的實例。
關(guān)鍵詞：聚脲涂料 汽車零部件 涂層性能 應(yīng)用
0 引言
國家財稅《2015、1、16》號文件、《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》及上海市《汽車制造業(yè)(涂裝)大氣污染物排放標準》的相繼出臺，促進了汽車涂料必須選擇水性涂料或高固體分溶劑型涂料等低VOC含量涂料的步伐，以此來解決目前汽車行業(yè)的痛點。目前，水性涂料已是成熟技術(shù)，并在國內(nèi)涂裝線上相繼應(yīng)用，但水性涂料帶來的一系列負面作用，如設(shè)備投資大、運行成本高、能耗高、管理嚴格等等，使業(yè)內(nèi)人士很困惑。最近在一份行業(yè)參考資料《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011版）》中寫到： “高固體分涂料”作為一類環(huán)境友好、資源節(jié)約型涂料，將是依然含有溶劑的“溶劑型涂料”特列，并將成為溶劑型涂料企業(yè)未來發(fā)展的重點，這與歐美發(fā)達國家保持了一致，體現(xiàn)出了兼顧環(huán)保和實際需求的政策導(dǎo)向 。因為高固體分溶劑型涂料的應(yīng)用，即可以滿足上述苛刻的環(huán)保法規(guī)的要求，又解決了水性涂料的負面作用。我們聯(lián)合國內(nèi)涂料廠家、樹脂廠家，將世界上最先進的第三代聚脲技術(shù)進行二次創(chuàng)新，研發(fā)成功新型聚脲涂料，就屬于溶劑型高固體分涂料范疇，并將其成功應(yīng)用到汽車涂裝生產(chǎn)線。本文是我們研究成果的總結(jié)，供同行參考、選用。
1 聚脲涂料簡介
噴涂聚脲彈性體技術(shù)是早在20世紀（60～70）年代發(fā)明的， 它實際上是一種噴涂聚氨酯彈性體（第一代聚脲技術(shù)），當時受沒有合適的設(shè)備技術(shù)影響，該技術(shù)并沒有大規(guī)模應(yīng)用。80年代以后，隨著撞擊混合式高壓噴涂設(shè)備的出現(xiàn)，噴涂聚氨酯（脲）彈性體技術(shù)開始發(fā)展，即行業(yè)內(nèi)稱為的第二代聚脲技術(shù)。但由于第一、二代聚脲產(chǎn)品反應(yīng)速度快、瞬間固化，必需采用大型專用噴涂設(shè)備施工；另外漆膜外觀差，漆膜一次噴涂太厚，層間附著力差，在我國從2002年開始在汽車行業(yè)應(yīng)用，主要應(yīng)用在卡車和皮卡車的車廂內(nèi)表面、礦山拉煤車車箱內(nèi)表面、消防車行李箱內(nèi)部等。聚天門冬氨酸酯聚脲簡稱天冬聚脲，是近年來聚氨酯工業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新型脂肪族、慢反應(yīng)、高性能環(huán)保涂料，被稱為第三代聚脲涂料。它是一種全新的聚脲涂料，這種涂料在國外開發(fā)不足10年，應(yīng)用不足4~5年。目前在歐美市場主要應(yīng)用于重防腐、防水、耐磨地坪等高端領(lǐng)域。我們聯(lián)合國內(nèi)涂料廠家、樹脂廠家，根據(jù)汽車零部件涂層的性能要求及特點，經(jīng)過多次配方改進及試驗研究，將第三代聚脲技術(shù)進行二次創(chuàng)新，研發(fā)成功新型聚脲涂料，其性能達到汽車零部件涂層標準要求，并在汽車生產(chǎn)線得到應(yīng)用。
各代聚脲涂料與通用的聚氨酯涂料比較見表1。
表1 新型聚脲與聚氨脂和傳統(tǒng)聚脲性能的對比
新型聚脲
傳統(tǒng)聚氨酯
傳統(tǒng)聚脲
結(jié)構(gòu)式縮寫及特點
-NCO-NH
有1個活潑氫
-NCO-OH
含有羥基
-NCO-NH2
有2個活潑氫
發(fā)展歷史
（2~3）年歷史
-
第一代：20年歷史
第二代：10年歷史
環(huán)保
性能
施工固含（55~100）%；VOC小于225g/L，遠低于消費征稅標準，遠遠超過國際先進清潔化生產(chǎn)標準
不環(huán)保，通常施工固含（30~40）%
環(huán)保性能好，施工固含100%
固化、反應(yīng)速度
反應(yīng)速度可調(diào)，在（20~120）min內(nèi)；低溫（40~100）℃固化
反應(yīng)速度慢（4~6）h，固化溫度（80~120）℃，常溫固化時間＞24h
反應(yīng)速度極快，幾秒至幾十秒，瞬間固化
耐腐蝕和耐候 性能
聚脲底漆耐鹽霧1000h以上，聚脲面漆人工老化2000h以上
耐腐蝕性能差，人工老化最高為1000h
耐腐蝕性能優(yōu)異，耐候性較差，人工老化＜200h
膜厚及外觀
一次噴涂，施工膜厚（30~50）μm，可調(diào)，外觀可滿足汽車漆要求
一次噴涂，施工膜厚（30~40）μm ，外觀可滿足汽車漆要求
一次噴涂，施工膜厚
（0.6~2）mm ，外觀差，不能滿足汽車漆要求
施工
方式
多種施工方式，采用通用噴涂設(shè)備，可擺脫專用設(shè)備限制
多種施工方式，采用通用噴涂設(shè)備
必須采用大型專用噴涂設(shè)備
應(yīng)用領(lǐng)域
汽車涂裝領(lǐng)域等
汽車涂裝領(lǐng)域 等
工業(yè)重防腐、防水、耐磨地坪等高端領(lǐng)域
2 新型環(huán)保聚脲涂料擬應(yīng)用的汽車涂裝領(lǐng)域，達到的技術(shù)及經(jīng)濟目標
根據(jù)汽車零部件、總成涂裝的特點及性能要求，及目前汽車零部件、總成涂裝存在的質(zhì)量問題，主要針對以下汽車涂裝領(lǐng)域，開發(fā)新型環(huán)保聚脲涂料：
2.1 針對具有耐候要求的汽車底盤件：如商用車車架等，通常的工藝是采用陰極電泳涂裝，原采用通用的環(huán)氧電泳漆，工件露天存放三個月左右，涂層就嚴重失光、粉化，受到了用戶的抱怨。目前采取的措施是：a將電泳涂料更換為耐候電泳涂料（環(huán)氧丙烯酸型），但效果不理想，即在提高涂層耐候性能的同時，犧牲了耐腐蝕性能，因為二者是矛盾的；b 在車架電泳涂層表面或整體底盤件表面噴涂防銹蠟，存在蠟?zāi)な褂靡欢螘r間后，從涂層上脫落、蠟?zāi)ひ渍郴?、雨淋后蠟?zāi)ぷ儼椎荣|(zhì)量問題。通過對標國外商用車及結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)情況，建議采用以下技術(shù)方案：車架采用通用的環(huán)氧電泳漆進行電泳涂裝，保證涂層的耐腐蝕性能優(yōu)異；然后在車架電泳涂層表面或汽車底盤件采取整體噴漆，噴涂低溫底面合一涂料，以提高涂層的耐候性能。所以，欲開發(fā)的底面合一聚脲涂料，低溫烘烤（45℃~60℃X20~30min），不影響后續(xù)的裝配工序；涂層具有一定的耐腐蝕性能、優(yōu)異的耐候性能；與電泳涂層、粉末涂層及其它底涂層配套性良好，可以滿足生產(chǎn)線要求。
2.2 針對耐腐蝕性能（耐鹽霧500h以上）要求較高、且不能高溫烘烤（不能高于100℃）的底盤件，如轎車鋼制燃油箱等；另外針對電泳涂層表面有磕碰傷、打磨露金屬等零部件，需要一種電泳修補漆。目前應(yīng)用的雙組份溶劑型修補漆，是環(huán)氧涂料，耐腐蝕性能差、施工固體分低、不環(huán)保、成本高。所以，欲開發(fā)一種低溫烘干、耐腐蝕性能優(yōu)異的聚脲底漆，同時要求與電泳涂層、面漆配套性良好。
2.3 針對裝飾性要求不高的客車車身，目前應(yīng)用的低溫雙組份溶劑型涂料，施工固體分低（40%左右），不環(huán)保、成本高。所以，欲開發(fā)一種聚脲低溫面漆，性能滿足客車涂層標準要求，環(huán)保、降成本。
針對以上汽車涂裝領(lǐng)域的技術(shù)要求，開發(fā)的新型環(huán)保聚脲涂料，主要技術(shù)和經(jīng)濟目標為：
1）開發(fā)的新型環(huán)保聚脲涂料，可以采用通用的噴涂方法和設(shè)備進行施工；
2）底面合一聚脲涂料，烘干規(guī)范（ 45~60）℃X（20~30）min；聚脲底漆，烘干規(guī)范（60~100）℃X30min；聚脲低溫面漆，烘干規(guī)范（60~80）℃X30min；
3）聚脲涂料的施工固體分≥60%（紅色面漆可≥55%）；
4）根據(jù)用途不同，漆膜具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和優(yōu)異的耐候性能；
5）漆膜的其它性能滿足企業(yè)標準要求；
6）經(jīng)濟指標：與目前應(yīng)用涂料比較，節(jié)能(10~20)%，綜合成本不提高。
3 設(shè)計的涂層結(jié)構(gòu)及開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)
根據(jù)汽車不同的零部件及涂層標準要求，設(shè)計不同的樹脂體系、不同的涂裝工藝和漆膜厚度，見表2。
表2 樹脂體系、涂裝工藝和漆膜厚度
底盤整體噴漆用聚脲底面合一涂料
商用車車架噴漆用聚脲底面合一涂料
底盤件涂裝
或電泳修補用聚脲底漆
底盤件涂裝用
高耐腐蝕要求的聚脲底漆
客車用低溫聚脲面漆
主體樹脂設(shè)計
聚脲 丙烯酸 特殊封閉劑
聚脲 丙烯酸
聚脲 環(huán)氧
聚脲 環(huán)氧
聚脲 丙烯酸
涂層配套體系
電泳、粉末、其它底漆 聚脲
電泳 聚脲
脫脂 聚脲
或電泳 聚脲 面漆
轉(zhuǎn)化膜處理 聚脲
電泳 聚脲
聚脲涂層膜厚（um）
20~30
20~30
40~60
20~30（電泳修補）
40~60
30~40
烘干規(guī)范
45℃X20min
60℃X30min
（60~80）℃X30min
（80~100）℃X30min
（60~80）℃X30min
主要性能
耐腐蝕：500h
耐老化：500h
耐腐蝕：500h
耐老化：500h
耐腐蝕：500h
耐腐蝕:840h
耐腐蝕：240h
耐老化：1500h
涂層特點
快速干燥、耐腐蝕、耐候性能良好
低溫烘干，耐腐蝕、耐候性能良好
低溫烘干，耐腐蝕性能良好
低溫烘干，耐腐蝕性能優(yōu)異
低溫烘干，外觀裝飾性和耐候性能優(yōu)異
綜合成本
高于噴蠟
低于通用的溶劑型涂料
低于通用的溶劑型涂料
低于通用的溶劑型涂料
低于通用的溶劑型涂料
4 新型環(huán)保聚脲涂料的性能
一汽技術(shù)中心與國內(nèi)涂料公司和樹脂廠通過多次試驗改進配方，聯(lián)合開發(fā)出新型環(huán)保聚脲涂料，克服了第一、二代聚脲涂料的缺點，即新型環(huán)保聚脲涂料可以控制反應(yīng)速度、采用普通設(shè)備噴涂，漆膜厚度根據(jù)性能要求控制。新型環(huán)保聚脲涂料的原漆性能及施工性能見表3，涂層性能見表4。
表3新型環(huán)保聚脲涂料的原漆性能及施工性能
項目
檢測結(jié)果
檢測方法
聚脲底漆
聚脲底面合一涂料
聚脲低溫面漆
原漆固體分（%）
主劑：84.8，
固化劑：89
主劑：83.5，
固化劑：87
紅色，主劑：60.4，固化劑：75；
白色，主劑：71.2，固化劑：75；
灰色，主劑：59.7，固化劑：75
GB/T 1725
細度（mm）
30
25
紅、白色：15；
灰色：30
GB/T 1724
施工固體分（%）
80~81
60.6
紅色：57.3
白色：64.3
灰色：60.5
GB/T 1725
施工粘度（s）
24~25 （23 ℃）
22~23 （23 ℃）
19~22 （23 ℃）
GB/T 1723
施工配比
固化劑∶原漆：溶劑=（16~18）：100：（10~14）
固化劑∶原漆：溶劑=18：100：7
固化劑∶原漆：溶劑=（20~35）：100：7
-
烘干規(guī)范
（60~100）℃X30min
45℃X20min；（60~80）℃X30min
（60~80）℃X30min
-
凝膠時間（h）
1
1
1
-
表4 新型環(huán)保聚脲涂料的漆膜性能
項目
檢測結(jié)果
檢測方法
聚脲底漆
聚脲底面合一涂料
聚脲低溫面漆
顏色與外觀
黑色，平整光滑、無漆膜弊病
黑色，平整光滑、無漆膜弊病
紅、白、灰色，平整光滑、無漆膜弊病
目視
膜厚（μm）
45～56（23~27）
25~30
33~38（面漆層）
GB/T 13452.2
桔皮
-
-
紅色：L/S=7.6/15
白色：L/S=6.4/13
Q/CAM-64.12
沖擊強度（N·cm）
490
490
392
GB/T 1732
劃格試驗（級）
1
1
1
GB/T 9286
光澤（60°）（GU）
30
85
92~93（200紅、白色）
10（850灰色）
GB/T 9754
鉛筆硬度
2H
2H
HB
GB/T 6739
柔韌性（mm）
1
1
1
GB/T 1731
杯突（mm）
4.0
4.5
5.5
GB/T 9753
耐酸性（h）
Rac2
Rac1
Rac1
Q/CAM-64.5
耐堿性（h）
Ral1
Ral1
Ral1
Q/CAM-64.6
耐濕性（h）
240，漆膜無變化
240，漆膜無變化
240，漆膜無變化
GB/T 13893
耐鹽霧性（h）
840（磷化處理）
504（無磷化）
504（單涂層）
＞1008( 電泳)
240 h后，
劃格試驗：1級；
抗石擊：4，C
GB/T 1771
GB/T 9286
Q/CAM-64.3
續(xù) 表4
交變腐蝕試驗 (循環(huán))
30（磷化處理）
20（無磷化）
20（單涂層）
＞30( 電泳)
-
Q/CAM-62.2
耐老化（h）
-
500，失光率12.5%
1500，失光率：3%（紅色）、1.9%（白色）、8.9%（灰色）
GB/T 1865
涂層配套性
與上涂層配套后：劃格試驗：1級；
抗石擊：3，C
與電泳、粉末及其它涂層：
劃格試驗：1級；
抗石擊：3，C
與底涂層配套后：劃格試驗：1級；
抗石擊：4，C
GB/T 9286
Q/CAM-64.3
5 新型環(huán)保聚脲涂料在汽車上的應(yīng)用
5．1 在汽車底盤整體噴漆生產(chǎn)線上的應(yīng)用
2014年12月在某公司汽車底盤整體噴漆生產(chǎn)線上應(yīng)用了新型環(huán)保聚脲底面合一涂料，涂裝工藝為：遮蔽-打麼-擦拭-噴漆-卸遮蔽-烘干。聚脲底面合一涂料施工參數(shù)：施工粘度（20~30）s（25℃，涂-4杯）；施工固體分60.6%；膜厚（25~30）μm；采用集中輸調(diào)漆供漆方式，并配備精密配比系統(tǒng)，實現(xiàn)涂料主劑、固化劑精密配比，均勻分散。漆膜固化可實現(xiàn)45℃X20min表干，漆膜不粘手，不影響后續(xù)裝配工序，這也是本生產(chǎn)線采用聚脲涂料的靚點。噴涂聚脲涂料后涂層達到性能：耐鹽霧1008h； 耐老化720h。該涂裝線是國內(nèi)第一條實現(xiàn)汽車底盤整體噴漆的生產(chǎn)線，提升了底盤件的防銹質(zhì)量和耐候質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的競爭力，達到了國際領(lǐng)先水平。
5．2 在某轎車燃油箱總成外壁涂裝上的應(yīng)用
某轎車燃油箱總成底材為單面鍍鋅鋼板（即燃油箱內(nèi)壁為鍍鋅鋼板、外壁為普通鋼板），涂層標準要求耐腐蝕達到840h。由于該燃油箱總成已預(yù)裝橡膠件需和總成一起涂裝，所選涂料的烘干溫度不能超過110℃。因此，不能采用通常的耐腐蝕性能優(yōu)異的陰極電泳涂裝和粉末涂裝 。選用了新型聚脲底漆， 涂裝工藝為：燃油箱外壁進行鋅鹽磷化處理（將油箱孔封住，避免前處理液體進入油箱內(nèi)壁）→手工噴涂新型聚脲底漆→烘干(100 ℃×30 min)。聚脲底漆施工參數(shù)：施工粘度（22~24）s（23℃，涂-4杯）；施工固體分81%；聚脲涂料:固化劑:稀釋劑=100:16:14，膜厚（45~56）μm，涂層耐腐蝕性能及其它性能達到涂層標準要求。
5．3 在某客車車身蒙皮表面做為電泳修補漆應(yīng)用
某客車車身目前的涂裝工藝為：蒙皮（冷軋鋼板）電泳 、側(cè)圍骨架電泳，再與前后圍骨架（帶玻璃鋼）焊接在一起。用砂輪打磨焊點，導(dǎo)致焊點周圍的電泳涂層脫落、露出底材（圖4），影響涂層防腐性能，因此需要噴涂修補涂料。修補涂料要求低溫快干，耐腐蝕性能優(yōu)異、與電泳漆、膩子和中涂具有良好的配套性。原采用環(huán)氧雙組份修補涂料，存在漆膜干燥慢、耐腐蝕性能差的質(zhì)量問題。采用新型聚脲底漆，涂裝工藝為：砂輪打磨焊點→手工擦凈→手工噴涂聚脲底漆→烘干。聚脲底漆施工參數(shù)：施工配比：聚脲底漆∶固化劑：稀釋劑=100∶18：10；施工固體分：80.5%；施工粘度：23s（23℃，涂-4杯）；烘干規(guī)范：80 ℃×30 min。漆膜厚度為（23～30 ）μm，漆膜外觀平整、光滑，無漆膜弊?。▓D5），與電泳漆、膩子和中涂具有良好配套性。
6 成本分析
采用新型環(huán)保聚脲涂料后，與目前應(yīng)用的溶劑型涂料、防銹蠟比較，成本分析見表5。
表5 成本分析
涂料消耗kg/輛
涂料價格（含稅）元/kg
輛/元
底盤整體噴漆
防護蠟
-
-
80
聚脲底面合一涂料
2.3
50
115
材料成本
提高35元/輛
電泳修補
環(huán)氧底漆
2.0
76.92
153.84
聚脲底漆
1.5
32
48
材料成本
降低105.84元/輛
客車車身
極地白溶劑型面漆
0.6
67.69
40.614
聚脲面漆
0.5
52
36
材料成本
降低4.614元/輛
續(xù)表5
燃油箱外壁
溶劑型涂料
5.9元/m2
聚脲底漆
5.7元/m2
綜合成本
降低0.2元/m2
7 結(jié)語
與國內(nèi)涂料公司及樹脂生產(chǎn)廠聯(lián)合開發(fā)出的新型環(huán)保聚脲涂料，克服了第一、二代聚脲涂料存在的不足。新型環(huán)保聚脲涂料具有節(jié)能（固化溫度低）、環(huán)保（施工固體分高）、施工工藝簡單、漆膜兼并耐腐性能和耐候性能等優(yōu)點，可以根據(jù)汽車零部件涂層性能的要求選擇使用不同種類的聚脲涂料。尤其是汽車底盤整體噴漆應(yīng)用聚脲底面合一涂料，全面提升了整車底盤件的耐候質(zhì)量和耐腐蝕質(zhì)量，建議推廣應(yīng)用。在環(huán)保政策日趨嚴格的環(huán)境下，高固體分溶劑型涂料的應(yīng)用具有廣闊的市場前景，而新型環(huán)保聚脲涂料在汽車上的應(yīng)用，是一場汽車涂裝的綠色革命。
8 下一步應(yīng)開展的工作
1）針對聚脲涂料的凝膠時間建議提高到2h以上，方便生產(chǎn)線使用，涂料廠家和樹脂廠正在調(diào)整配方，改進此項性能；
2） 針對聚脲底漆耐酸性能稍差，建議改進；
3） 針對低溫聚脲面漆的自然曝曬性能還在進行，目前已接近一年，檢測數(shù)據(jù)滿足標準要求。兩年實驗結(jié)束后，再決定生產(chǎn)線上是否應(yīng)用。
（詳情見《現(xiàn)代涂料與涂裝》2016-9）
現(xiàn)代涂料與涂裝
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