汽车工业中的聚氨酯涂料

聚氨酯涂料在汽车工业中的应用

高分子学院 吴海军 0443002088

摘 要:聚氨酯涂料作为重要涂料品种，在涂料市场占据较大份额。因其涂膜具

有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点，在汽车涂料领域也具有广泛应用及良好的发展前景。

关键词: 聚氨酯涂料；汽车工业；底漆；中涂漆；面漆；修补漆，多异氰酸酯

汽车工业中使用的涂料种类很多，范围也很广，包括汽车车身涂料、货厢用涂料、车架等部件用耐腐蚀涂料，发动机部件、底盘、铸锻件、毛坯和冲压件半成品用涂料、车内装饰件用涂料和特种涂料等，其中最具代表性且变化最大的是汽车车身涂料。特别是应用于轿车车身涂装的涂料，由于其极高的性能要求与表观要求，代表了涂料工业的最高水平。目前，汽车涂料正朝更加注重环境保护、减少污染和提高整车外观装饰效果的方向发展。涂装工艺趋向于多层复合涂装。聚氨酯(PU)涂料，有时也称作PU 漆，作为重要的涂料品种，以其优越的性能，在涂料市场占据较大份额，广泛使用于木器、防腐、车辆、建筑、航空及皮革等多个领域。与在其他领域的广泛应用类似，因其涂膜具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点，在汽车涂料领域也具有广泛应用及良好的发展前景。PU 材料在汽车中的应用已有很多论述，但大多关注于汽车内饰件与外装件，如坐垫、仪表板、脚踏板等，多为PU 泡沫、RIM 等制品。将PU 汽车涂料单独作为车用涂料品种的论述较少，其主要原因可能在于汽车涂料的品种很多，而且汽车工业对涂料提出的主要是应用要求，并不关心其材料品种。根据部位、用途，大体分为塑料件涂料、电泳涂料、修补涂料等。

1 汽车涂料简况

汽车涂料是随汽车的出现而出现的，最初使用天然植物油、天然树脂，后来逐渐出现了硝基漆、醇酸磁漆、丙烯酸树脂漆及PU 漆等，其涂装工艺亦发生了巨大变化。在汽车工业发达国家，汽车涂料产量占涂料总产量的20% 左右。我国汽车涂料工业伴随汽车产业的发展也在不断壮大，2005 年全国涂料总产量约为380 万t，同比增长10.42%，其中汽车涂料占6.3%，产量约为24 万t。

PU 涂料在汽车工业中的应用

汽车制造中使用的涂料根据使用部位不同可分为3 种类型：一类为车体零部件、内外饰件，特别是各种塑料件使用的涂料；另一类为车身表面涂装使用的涂料，即通常所谓汽车漆；此外还有一类用于汽车车身修补的修补漆。PU 涂料在这三者中均占有重要地位。

2.1 车体零部件、内外饰件使用的PU 涂料

车体零部件、内外饰件种类较多，对涂料的要求各不相同。涂料的应用与通用涂料相似，与非汽车领域应用无显著区别。如保险杠使用丙烯酸PU 涂料；挡泥板、侧护板和保险杠下护板使用的P U 底漆；车轮罩、扰流板、车门把手采用的P U涂料；奥地利Vianova Resins公司用于汽车内部装饰的双组分PU 涂料等。

如图一车体零部件、内外饰件大多为各种塑料，其品种很多，并有不断增加的趋势，目前总量已达到整车质量的20%~25%。如由于塑料品种不同，在基材与涂料的适应性方面要求也不同，需要选择合适的涂料品种进行塑料件涂装。应用最多的是以PU 和丙烯酸树脂为基料的涂料，部分塑料适用的涂料。

PU 涂料有很好的材料适应范围，这也使采用PU 涂料涂饰的汽车塑料件在材料选择上更为自由。特别是随着汽车塑料用量增加，PU 涂料用于汽车零部件、内外饰件的前景十分广阔。

聚氨酯涂料在汽车上的应用

。

2.2 汽车车身用PU 涂料

用于车身表面涂装的涂料具有特殊的应用要求，主要有2 点：一是极高的表观要求，整个涂膜必须光洁、丰满、鲜艳；二是很高的防腐蚀要求和防损伤要求，以适应长时间的户外使用环境。但耐用、美观、环保是其共同的发展方向，特别是近年来世界各国对环保要求愈来愈严格，对汽车涂料的VOC 提出了苛刻要求，新型PU 涂料正是符合这一要求的涂料品种。用于车身表面涂装的涂料通常分为底漆、中涂漆、面漆3 层，均可使用PU涂料或各种改性PU 涂料。

2.2.1 PU 底漆

汽车底漆即直接涂装于车身的第一道涂料。世界各国汽车底漆绝大部分使用阴极电泳漆。用封闭型PU、聚酯树脂、环氧树脂等一起，可制备阴极电泳PU 涂料。PU 电泳涂料主要包括以下3 类：水性PU 树脂电泳漆、PU 改性水性树脂电泳漆和水性封闭多异氰酸酯。其中，水性封闭多异氰酸酯作为各种电泳漆的交联剂使用最为普遍。近年阴极电泳PU 涂料在汽车涂装中使用极为成功，发展迅速。适应环保节能要求的新型电泳涂料也不断出现，如德国研制的一种低温固化阴极电泳PU 涂料，需2 次烘干，固化条件为：160℃、10min；130℃、30 min[17]。国内对阴极电泳PU 涂料的报道也很多，并已成为研究热点之一。沈阳、天津灯塔、重庆三峡和湖南造漆厂先后从日本关西涂料公司引进厚膜化的HB2000 型阴极电泳PU漆用于汽车底漆，主要成分为环氧聚酰胺/PU 双组分电泳漆，其特点是涂膜厚，表面高度平整，耐碎落，对防锈钢板的适用性很强，主要用于国产汽车如一汽奥迪、天津夏利、重庆五十铃等。阴极电泳PU 涂料的防护性能非常优良，据报道，在不加防腐颜料的情况下仍有很好的耐烟雾性能，能满足汽车车身10 年无穿孔腐蚀的防护要求，且涂膜平整而丰满；此外，在电泳涂层与中涂之间，有时还有1 层抗石击涂层，也属于底漆系统，主要是为保护汽车行驶时易受到碎石冲击的部位，P U 涂料抗石击性能最佳，只是价格稍贵。

四川大学高分子学院 吴海军 0443002088

2

聚氨酯涂料在汽车上的应用

2.2.2 PU 中涂漆

汽车中涂漆也称“二道浆”，位于底漆与面漆之间，其主要作用是改善平整度，为面漆提供良好基底，其基料一般与底漆和面漆保持一致。P U中涂漆(包括各种改性PU)品种很多，应用也十分广泛。目前应用的PU 中涂漆既有溶剂型的也有水性的，如国内中鄂长颈鹿牌、郑州拓立制漆公司的双组分高填充性PU 漆，国外Du Pont 公司1020R 双组分PU 中涂。Hoechest 公司VTW1240 等。适应环保要求的水性PU 中涂漆也具有很好的性能，特别是柔韧性和耐冲击性优于目前溶剂型涂料。一种双组分PU 中涂漆的性能指标见表3。抗石击和耐寒性能优良的PU 中涂漆是汽车中涂漆的发展方向之一。即使在涂料中使用少量PU，其抗石击性能也有很大提高。有人在聚酯- 氨基树脂体系中涂漆中加入一定量PU，发现能显著 提高漆膜弹性、附着力和抗石击性。

2.2.3 PU 面漆

面漆包括底色漆与罩光清漆，均可使用PU 涂料。目前使用的面漆主要为溶剂型，但从发展角度看，水性化、高固体份、粉末化是其发展方向。现有的2 种主要水性底色漆就包括水性PU 底色漆，如Bayer公司商品名为Bayhydrol的水性PU分散体等(产品说明书)；罩光漆基本为溶剂型双组分PU，主要是在多水性涂层的基础上，采用双组分溶剂型P U 罩光漆后，V O C 排放已达到欧洲标准。因此，现有涂装线上使用水性罩光漆的情况极少，仅在新建涂装线上使用。当然，使用双组分水性PU 罩光漆也能获得与溶剂型PU 罩光漆相当的性能。面漆的耐候性是其重要指标之一。很明显，面漆将直接暴露于大气和阳光之中，必须有满足使用要求的耐候能力。PU 面漆的耐候性要优于另一类广泛使用的面漆品种——丙烯酸磁漆。朱永华等人曾采用人工加速老化试验(氙灯老化法)对丙烯酸磁漆和PU 面漆分6 个周期(1 周期为200h UV 照射和50h盐雾)进行老化，用傅立叶红外光谱、扫描电子显微镜和光泽仪对老化的涂层进行分析表征，用交流阻抗(EIS)法测试2 种涂层的抗渗水性能。结果表明，PU 面漆抗UV 能力和抗渗水性能均强于丙烯酸磁漆，其综合性能强于丙烯酸磁漆。另外，近来还开发了由双组分水性PU制成的可直接附着在金属上面，不需要底漆的水性面漆，它可用于室内外 车辆上，且防腐蚀性能有重大改进。

2.3 汽车修补漆

汽车修补漆最初使用天然树脂漆，后来逐步发展到使用硝基漆、醇酸树脂漆。20 世纪70 年代，溶剂型双组分PU 涂料进入汽车修补漆市场，并逐步成为汽车修补漆市场的主导产品。90 年代，开发了高固含量的双组分PU 修补漆。据报道，1994年仅西欧就售出了13.8 万t 双组分PU 汽车修补漆。目前在西欧，溶剂型双组分PU 涂料占据了85% 的市场份额。用于汽车修补的水性双组分PU 涂料已经商品化，其VOC 很低，可满足任何严格的溶剂排放法规的要求。汽车原车漆要求漆膜有较好的光泽、快干、良好的耐水性、耐溶剂性和耐老化性。汽车修补漆除了要达到这些性能外，还必须能低温固化，而双组分PU 涂料正好能满足这些要求。由丙烯酸酯多元醇和多异氰酸酯组成的双组分PU 涂料，能室温或低温烘烤固化，可用在汽车的金属、塑料、木材及其他底材上。这类涂料由于使用了较多挥发性有机化合物作为溶剂，因此对环境造成了严重危害。随着各国限制挥发性有机化合物标准的出台，对传统的溶剂型PU 涂料提出了挑战。最近几年又开发了水性双组分PU 涂料，并获得成功，其主要是采用了水分散的多元醇组分，通过在该多元醇组分中引入羧酸基团，将其用胺中和后分散于水中；而作为固化剂的多异氰酸酯组分，可采用低、中黏度的传统固化剂或使用亲水改性的多异氰酸酯。

3.聚氨酯涂料介绍

聚氨酯涂料即聚氨基甲酸酯涂料，是分子结构中含有—NHCOO—单元的高分子化合物，该单元由异氰酸基和羟基反应而成，反应式如下：

—N=C=O + HOˉ → —NH-COOˉ

四川大学高分子学院 吴海军 0443002088

3

聚氨酯涂料在汽车上的应用

聚氨酯涂料中含有相当数量的氨基甲酸酯键，还含有酯键，醚键，脲键，脲基甲酸酯键等，综合性能优良，是一种用途广泛的高级涂料。

3.1聚氨酯涂料的加工

聚氨酯树脂的基本原料：

合成聚氨酯的基本原料为多异氰酸酯，含活性氢的化合物与树脂，溶剂，催化剂和其他助剂扩展链等。 A）多异氰酸酯

异氰酸酯是制备聚氨酯涂料的原料，有很高的活性，可以和活泼的化合物反应。涂料中所涉及的反应和简单的单官能度的异氰酸酯的反应类似。异氰酸酯的电荷分布为R—N=C=O，其中碳原子是正电子，易受到亲核试剂的进攻。异氰酸酯容易与羟基反应生成氨基甲酸酯，与胺类反应生成取代脲，与羧酸反应生成酰胺基团，与脲反应生成缩二脲，与氨基甲酸酯反应生成脲基甲酸酯。

? 芳香族二异氰酸酯

甲苯二异氰酸酯（TDI） TDI在常温下是一种有刺激气味的低黏度的无色或者微黄色液体。TDI在涂料中的应用形式，主要是通过与多元醇反应制成多异氰酸酯基加成或预聚物，自聚成为具有异氰尿酸酯环状结构的多异氰酸酯基聚合物。

4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI） MDI在常温下是一种结晶固体，特点是挥发性低，是低毒的二异氰酸酯。用它制备的涂料膜强度高，耐磨性好，但是容易泛黄。 ? 脂肪族二异氰酸酯

六亚甲基二异氰酸酯(HDI) HDI是一种水白到微黄色的此进行气味的液体，为典型的脂肪族二异氰酸酯。特点是可以制得高耐候，保光性良好的外用聚氨酯涂料。缺点是挥发性强，有明显的刺激性和毒性，价格比TDI高。

异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）IPDI是一种水白色到淡黄色的液体。特点是涂料膜不泛黄，耐候性好，预聚物可溶性好。

B）含活性氢的化合物和树脂

含活性氢的物质汇总，最重要的是多元醇和多羟基树脂，它们可用于与二异氰酸酯反应以制造多异氰酸酯预聚物，也可以在NCO/OH型的双组分涂料中作为羟基组分，胺类也是重要的活性氢物质，常用来作催化剂 扩链剂或者兼任催化剂和交联剂。

? 多元醇 直接用于制造预聚物的多元醇，最常用的是三羟甲基丙烷（TMP），也可

以用于制造聚酯树脂。

? 多羟基树脂

蓖麻油及其醇解物；

醇酸树脂 醇酸树脂作为羟基组分，赋予漆膜良好的综合性能。

聚酯树脂 根据所用的多元酸 多元醇的不同，可以制造性能，规格，用途不同的各种聚酯树脂。

聚醚树脂 聚醚树脂的主链结构为醚键，耐碱，耐水解，适宜做防腐漆，底漆，黏度低适宜制高固体与无溶剂涂料，柔性好，低温性能好，但是不耐紫外线，不宜外用。

羟基丙烯酸树脂

环氧树脂

? 胺类 胺类是重要的含活性氢物质，它有催化，扩链，交联等作用。

C）溶剂 溶剂选择溶解基料，调节黏度与性能，同时在涂料配置中溶剂要接触高活性的异氰酸酯单体与多异氰酸酯预聚物，因此要求溶剂不能消耗-NCO基团的活性氢物质，还要要求溶剂不影响-NCO反应行为。

四川大学高分子学院 吴海军 0443002088

4