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粉末涂料在汽车涂装领域的广泛应用

2006/1/17/09:24 来源:中国环氧树脂行业在线

随着汽车工业的发展和粉末涂料技术的提高,以环氧树脂为主要基材的粉末涂料在汽车业得到了充分应用,并将因其功能性、美观性、环保性方面的突出优点而进一步获得广阔发展。

20世纪的1973年、1972次石油危机,2005年的石油价格飚升给世人敲响了节能的警钟;同时酸雨、臭氧空洞和温室效应等一系列环境危害,使人类进一步认识到环境保护的迫切性和重要性。节约能源、保护环境已成为当今世界各国经济发展备受重视的两大课题,各国纷纷致力于发展节能产品,同时严格环保法规。世界涂料工业顺应时代要求,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。粉末涂料特别是环氧树脂粉末涂料就是节能、低污染型涂料中极为重要的一类。中国环氧树脂行业协会专家介绍说,早在1952年德国Kriesheine公司的Erwin Gemmer就发明了流化床浸涂法,热塑性粉末涂料由此得到发展;1962年法国Sames公司开发了静电粉末涂装设备,1964年热固性粉末涂料开发成功;进入80年代,工业废气、废水、废渣对环境造成了严重污染,欧美各国对挥发性有机化合物(VOC)的限制法规相继出台,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。由于粉末涂料具有无溶剂无公害,一次涂装厚涂层,过喷粉末可回收再利用等特点而备受重视,其发展速度很快。

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行业的重视,使得粉末涂料及其涂装技术市场十分活跃。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目标,其低VOC涂料(水性涂料和粉末涂料)保持较高的增长率。我国粉末涂料行业是随着家电行业的发展而迅速发展起来的,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下降但仍然保持2位数的增长:2000年9.6万吨、2001年15万吨、2002年27万吨、2003年34万吨、2003年45万吨。从粉末涂料品种来看,环氧/聚酯型粉末涂料占65%,聚酯/Primid占3%,环氧粉末涂料占12%,聚氨酯粉末涂料占1%,环氧树脂成为主要基材。

汽车制造业是涂料最大的用户之一,自20世纪80年代以来发达国家对汽车生产中有机溶剂的排放制定了严格的控制指标。从20世纪70年代末的VOC排放量15.5磅/车下降到21世纪的1.5磅/车。20多年来每次排放量的大幅度下降都与采用新型涂料有关,如20世纪80年代初引进高固体分涂料,80年代末采用水性涂料,90年代开始应用粉末涂料。粉末涂料用于汽车涂装的研究已有20多年,但由于汽车涂料要求高耐候性、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。中国环氧树脂行业协会专家介绍说,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90年代末才批量用于轿车面漆和罩光面漆,成为真正意义上的汽车用粉末涂料。目前世界5大汽车涂料公司DuPont、BASF、Kasai、Nippon、PPG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用粉末涂料。汽车用粉末涂料有环氧聚酯混合型、聚酯型、聚氯酯型和丙烯酸型等,1990年部分汽车零部件用粉末涂料喷涂获得成功后,随着技术的日趋完善和粉末涂料性能的提高,现已经完全能满足轿车涂装各项性能要求,如外观装饰性、耐候性、耐化学品性、抗划伤性、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粉末涂料制造商的关注,需求也不断提升,如:粉末清漆必须在涂膜厚度、光泽和亮度方面有杰出的表现,必须有很好的机械性能如耐冲击性、耐划痕性及优异的附着性,必须耐酸雨腐蚀、耐温度波动、耐紫外线,不太需要维护保养,与修补漆配套也是重要因素,同时要符合环保及安全要求。20世纪90年代初,宝马开始对普遍使用的清漆体系进行分析、评价和筛选,最终选用环氧丙烯酸粉末清漆,原因在于它的经久耐用和粉末涂料的诸多优点。选择环氧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,该产品用于汽车涂装已有近30年的历史,已证实具有汽车OEM所需的优异性能。1994年第1辆粉末涂装的汽车下线,1998年初第2条汽车粉末涂装生产线投产,随即欧洲的宝马和“Smart”车全部采用粉末涂装。宝马是欧洲第1家将粉末清漆用于标准产品的汽车制造商,宝马公司在1996年7月决定采用粉末清漆技术,1997年5月在Dingolfing开始生产系列汽车产品。宝马公司采用粉末罩光清漆后,每辆轿车涂装可节省溶剂1.5kg,其间合作伙伴有Eisenmanm(喷房、烘干室和输送系统)、杜尔(水性涂料涂装技术)、金马(粉末喷涂技术及设备)、Gerick(输粉技术)、Fanuc(喷涂机器人)和AGE(控制技术)等。北美主要使用粉末中涂。环保压力是北美市场采用粉末涂料的主要动力。美国已经有11家汽车厂采用粉末涂装汽车的生产线,通用汽车(GM)和克莱斯勒(Chrysler)的生产厂已经工业化采用粉末涂料作为二道合一底漆。美国通用汽车公司于1992~1993年间曾在3个工厂采用丙烯酸粉末涂料涂装。

我国将粉末涂料用于汽车零部件的涂装起步较早,第一汽车制造厂早在20世纪90年代就已建成粉末喷涂流水线,其他汽车公司也在同一时期通过外协进行零部件粉末喷涂加工,但目前仍未有进一步发展。我国目前汽车涂装中粉末涂料的应用还不多,这受粉末涂料品种、质量、技术等因素的制约,我国粉末涂料的品种结构不利于汽车涂装,汽车涂装对耐候性要求高,而我国粉末涂料产品结构中占多数的是环氧/聚酯混合型粉末和环氧型粉末,适用于室外的改进型环氧粉末、聚氨酯粉末、TGIC聚酯粉末、丙烯酸粉末的产品并不多,而且在质量上还存在不少问题。但在美国适用于室外的粉末产品产量占总产量的50%以上,显然我国的粉末涂料品种结构与西方发达国家相比存在较大差距,另外在喷涂设备和烘烤设备方面也存在质量与规模上的差距。我国粉末涂料在汽车工业中的应用大多在汽车零部件方面,包括汽车发动机、汽车底盘、车轮、滤清器、操纵杆、反光镜、雨刮器和喇叭等零部件的涂装,基本上都为黑色。在该领域已经可以用粉末涂料替代液体涂料。

汽车粉末涂料制备技术进展越来越快。传统的粉末涂料包括环氧树脂粉末涂料制备方法分为干法和湿法,干法又分为干混合法和熔融混合法:湿法分为蒸发法、喷雾干燥法和沉淀法。近年Ferro公司开发了超临界流体法,即VAMP(Vedoc Advanced Manufacturing Process)。目前粉末涂料的生产大多使用熔融混合法,缺点是换品种和换颜色比较困难、粒径分布较宽,难以生产低温固化及超细粒径的粉末涂料。为此人们对粉末涂料制备工艺进行改进,取得了一定进展。超临界流体法的开发利用被称为粉末涂料制备方法的革命,对21世纪汽车粉末涂料的发展将起重要作用。超临界流体法的工作原理为:二氧化碳在达到临界点时被液化,液态二氧化碳与气态二氧化碳两者之间界面清晰,倘若压力略降或温度稍高就会超过临界点,这一界面即刻消失成为一片混沌,称为超临界点。继续升高温度或降低压力,二氧化碳变成气体。利用此原理,将粉末原材料加入到带有搅拌装置的超临界液体加工设备中,超临界二氧化碳使涂料的各成分流体化,这样在低温下就达到熔融挤出效果。物料经喷雾并在分级釜中造粒,制得产品。整个生产过程可以用计算机控制。美国Ferro公司开发的VAMP新工艺适用于加工汽车粉末涂料。它的优点是:全封闭的VAMP体系避免了周围环境中粉尘和纤维的污染而影响粉末涂料的洁净度;粒子的形状可以控制,制得的粉末涂料具有优良的摩擦带电性能,使粉末在喷涂过程中能够渗透到难以到达的部位,涂膜厚度均匀,能获得较薄的涂膜;加工温度低,防止GMA丙烯酸树脂的氧化进而防止涂膜黄变;可以使预反应减到最小,有利于粉末的流动和流平,重现性好;有利于低温固化粉末涂料的加工,采用结晶聚合物配制粉末涂料,提高贮存稳定性,降低?