聚氨酯在汽車保險杠涂料的應用進展
來源：涂料工業
汽車保險杠是吸收和減緩外界沖擊力、防護車身前后部的安全裝置。在汽車保險杠應用領域，聚烯烴塑料占有非常重要的地位。隨著汽車工業的發展和工程塑料在汽車工業的大量應用，聚烯烴塑料成為保險杠的一種重要基材，其不僅具有保護功能，還以塑料本身輕質的特點促進汽車行業的輕量化發展。由于聚烯烴本身具有強度、剛性/韌性的良好平衡，從安全角度上看，汽車發生碰撞事故時能起到非常重要的緩沖作用，保護前后車體，從外觀上看，涂裝好的聚烯烴塑料可以很自然地與車體結合在一起，具有很好的裝飾性，成為裝飾汽車外型的重要部件。
眾所周知，由于聚烯烴材料本身非極性，而且具有非常低的表面張力，一般的涂料均無法附著于其表面，要達到良好的附著能力，則需要特殊的預處理或者選用特殊的涂料。當涂裝聚烯烴基材時，涂料的配制以及施工技術必須與基材相匹配，因此，聚烯烴基材的預處理、涂料配方設計和原料的選用都非常重要。
1 保險杠涂料涂裝工藝的現狀
塑料表面在制成工藝過程中常被脫模劑、油污或臟物污染，涂裝前必須進行清潔處理，例如在強力洗滌裝置中采用酸性或堿性介質進行清洗，如圖1所示。
圖1塑料表面強力洗滌過程示意
聚烯烴材料（如PP基材）的表面預處理/活化可采用火焰、電暈、等離子或者氟化。最為常見的火焰預處理是使火焰短暫地掃過部件表面，通過氧化使PP表面生成極性基團，以使后續涂裝的涂料容易附著。以上的表面活化方法都需要特定的設備來完成。除此之外，還可以采用基于氯化聚烯烴的底漆或附著力促進劑，這些經改性過的物質可以確保涂料在非極性的聚丙烯基材上獲得良好的附著力。然而有機含鹵素化合物的應用已成為人們爭議的話題。在德國，大部分的涂裝工藝是采用雙組分聚氨酯底漆結合活化預處理的方式來提高PP保險杠的涂裝總體的可靠性。同時，德國保險杠用的涂裝工藝緊隨汽車OEM涂裝的進展，在底漆和色漆層已大部分采用水性涂料涂裝。其工藝流程如圖2所示。
圖2德國保險杠涂裝工藝示意圖
在日本，保險杠采用的涂裝工藝，底漆大部分采用氯化聚烯烴（簡稱CPO）或無氯聚烯烴（PO）來提高附著力。其工藝流程如圖3所示。
圖3日本保險杠涂裝工藝示意圖
隨著CPO和PO技術的發展，逐漸出現水性CPO和水性PO的底漆，可降低VOC的排放，其工藝流程如圖4所示。
圖4日本保險杠水性CPO涂裝工藝示意圖
在中國，目前大部分的保險杠涂裝工藝還是以傳統的溶劑型涂料為主。其工藝流程如圖5所示。
圖5中國保險杠涂裝工藝示意圖
近年來，隨著國內環保法規的日益嚴格，以及民眾環保意識普遍提高，傳統的溶劑型正快速向環保涂料體系轉變，尤其轉向水性涂料的方向。此外，汽車OEM主機廠也逐漸提出塑料部件水性化的要求，使得汽車塑料用的底漆和色漆向水性化的轉變越來越迫切。
2 保險杠用低VOC涂料涂裝體系示例
2.1保險杠用底漆
底漆通常有淺灰色和深灰色，也有采用與色漆顏色類似或相同的顏色。底漆的主要功能在于有效覆蓋塑料底材缺陷，并能提高基材附著力。對于保險杠底漆來說，還要具備優良的重涂性、耐水性、以及低溫耐沖擊能力等。對于汽車而言，保險杠還要求具有良好的安全功能。所以保險杠涂料還必須具備一定的外力緩沖作用，從而起到對駕駛員和乘車者的防護。聚氨酯底漆的韌性正能滿足這一要求，水性聚氨酯底漆性能尤佳。圖6是不同涂層對塑料基材的保護效果實驗。
圖6塑料涂層高速沖擊穿透試驗下的照片
PP材質的保險杠本身具有一定的強度和韌性，選用的涂層體系也需要與基材的韌性相匹配，才能提高整體的涂裝性能和最終的保護功能。因此，聚氨酯涂料作為底漆，其韌性能很好地滿足保險杠的需求。這一層聚氨酯底漆通常使用聚酯或丙烯酸為主樹脂，搭配基于HDI類的多異氰酸酯作為固化劑的2K聚氨酯體系。在火焰預處理后，可直接涂裝雙組分聚氨酯底漆。這一技術體系在歐洲已經獲得成功應用。如果沒有火焰預處理，則必須結合一定量的CPO（氯化聚烯烴）或PO（聚烯烴）成分來獲得對PP基材足夠的附著力，這通常是日系車采用的技術體系。近幾年，國內日系車的生產，已經開始沿用日本的水性保險杠底漆技術。
針對某些主機廠有特別的性能要求，例如保險杠配套的整體涂料體系要能通過熱蒸汽沖測試（Hotsteamjet），則一般配套的底漆會選用雙組分體系才能滿足要求。圖7為在火焰預處理的前提條件下，雙組分底漆和單組分底漆的熱蒸汽沖的測試結果，結果顯示左邊雙組分的測試結果優于右邊單組分底漆。
圖7單組分和雙組分底漆熱蒸汽沖對比實驗
科思創研發的水性底漆樹脂是基于聚烯烴改性的聚氨酯分散體（不含氯），對沒有任何預處理的PP塑料具有優良的附著能力，并且耐水性能良好。與市售的產品對比詳見圖8。對比市售底漆1，科思創的水性底漆具有更優異的附著性能。與市售水性底漆2對比，常溫自來水浸泡24h后，表面不發白，附著依然能達到5B。為了提高塑料水性色漆的噴涂效率（上漆率），減少過噴涂帶來的涂料浪費，會采用靜電噴涂，這就需要底漆配制成導電底漆，即在底漆中添加導電顏料。其中最重要或最常見的為導電炭黑。水性導電底漆比較關注的則是導電性以及長期貯存后的穩定性，包括底漆的黏度、顏色以及導電性等方面的穩定性。新研發的聚烯烴改性的聚氨酯分散體在這幾個方面均表現了優異的應用可靠性，并得到下游涂料企業的認可。
圖8不同保險杠底漆附著力和耐水對比
2.2保險杠用色漆
保險杠色漆的主要功能在于優良的顏色效果、耐水耐候性能、層間結合力優異、潤濕施工性能良好。傳統的溶劑型色漆配方中含有大量的有機溶劑（60%~70%以上），是噴漆體系中VOC排放最大的一層涂料。特別是含有一些特殊效果顏料（鋁銀粉或珠光粉）的色漆，其有機溶劑含量超過80%。目前，保險杠用水性聚氨酯色漆源于德系車。水性聚氨酯具有良好的物理機械性能，特別是耐高低溫沖擊性能，具有柔韌（軟段）和硬度（硬段）的平衡性能，含有大量的氫鍵結構，非常適合用于保險杠底色漆的成膜物。由于水性涂料具有較大的收縮性，因此能更好地幫助金屬顏料薄片的平行排列，能提供較好的效果顏料外觀。
采用脂肪族異氰酸酯為原料的水性聚氨酯具有優異的耐光耐候性。其中典型的脂肪族二異氰酸酯有HDI、IPDI、H12MDI。保險杠的色漆配方可以采用基于HDI的水性聚氨酯為成膜物來制備，可達到PP保險杠優良的韌性以及耐沖擊性能。
基于脂肪族異氰酸酯為原料的聚氨酯分散體非常適合用于保險杠底色漆的成膜物。外飾塑料件的色漆配方可以采用PUD作為成膜物，也可以與一定量的丙烯酸乳液混拼以達到平衡成本的目的。
此外，用于保險杠水性色漆的聚氨酯分散體，必須具備良好的低溫成膜性能、耐水性能、層間附著力以及適當的干燥速度。
2.3保險杠用清漆
保險杠清漆需具有優異的外觀、耐化學品以及耐候性，以保護保險杠不受外界氣候、紫外傷害、化學品侵蝕以及物理或洗車時的刮蹭，此外還需與基材有良好的匹配性。目前絕大部分的保險杠清漆都是雙組分聚氨酯涂料體系。雙組分聚氨酯可以通過原材料的選擇搭配，匹配保險杠基材的韌性，并且在80℃的低溫烘烤下，依然能滿足流平均勻、高光澤、高飽滿度、以及耐候耐化學品的要求。另外，優化過的雙組分聚氨酯清漆具有明顯的自修復功能，即使被刮傷后也能自修復到原有的高光澤外觀。最通常使用的雙組分聚氨酯涂料就是通過異氰酸酯基團（—NCO）和主樹脂中的活性羥基（—OH）反應來交聯，從而達到優異的漆膜性能。使用脂肪族多異氰酸酯的聚氨酯體系，具備優異的耐候性;雙組分聚氨酯交聯后形成的氨酯鍵能夠耐多種化學品;氨酯鍵之間還能形成氫鍵，使漆膜硬且柔韌，具有抗石擊、耐刮擦甚至自修復等功能;而這些功能都是汽車涂料所要求的。圖9為聚氨酯涂膜的自修復過程示意圖。
圖9聚氨酯涂膜自修復過程
保險杠用清漆體系，目前以溶劑型雙組分聚氨酯涂料為主。2006年曾有水性高光清漆用于塑料涂裝，但是由于施工可操作性的限制，并未得到廣泛應用。在VOC法規的推動下，為進一步降低VOC排放，高固清漆成為研究熱點。采用低黏度的固化劑可使用較少溶劑即能調節涂料至施工黏度，顯著減少溶劑的使用，并達到較高的施工固含。表1為科思創推出的可用于保險杠高固清漆配方的固化劑產品。
表1保險杠清漆常用固化劑
在保險杠清漆體系中，采用低黏度固化劑，不僅能有效降低清漆中有機溶劑的含量，降低VOC排放，而且在性能方面也具有很大的改善，例如保光性、附著力和耐水性能。表2為采用相同的水性單組分底漆、水性單組分色漆以及清漆的A組分，樣品1使用的是標準三聚體的固化劑，樣品2采用的是低黏度固化劑[m（N3600）∶m（N3900）=1∶1混拼]。
從表2可以看出，40℃×10d的耐水測試后可以看出樣品2的保光率為82.3%，高于樣品1的76.6%。耐水后的附著力測試中，樣品1的涂層有輕微掉落，附著力在1~2級之間，樣品2使用低黏度固化劑后，切割邊緣無明顯脫落，附著力≤1級。這是由于低黏度的固化劑由于黏度較低更容易滲透到色漆層甚至底漆層，從而提高附著力，獲得更好的整體涂層的耐水性能。
表2不同清漆固化劑對整體涂層性能的影響
3 保險杠涂料的發展趨勢
隨著汽車產銷量的日益增長，對配套的塑料部件的需求也將日益增加，汽車保險杠涂料的需求也將日益擴大。這對于行業鏈上的各個環節都將帶來機遇。在中國日趨嚴格的環保法規的驅動下，以及人們環保意識的不斷增強，汽車主機廠要求配件與車身主體配套，不斷推進對底漆與色漆的水性化發展。而且在德國日本等發達國家，保險杠水性底漆和色漆已經成功應用多年，這將加速保險杠涂料在中國的水性化進程。
隨著新能源汽車的不斷發展，節能減排的不斷升級，減輕汽車自重會是有效的辦法之一，進而將來的汽車可能會使用更多塑料部件，特別對可實現多種塑料基材附著良好，可低溫固化并能實現一體化涂裝的聚氨酯技術提出更多的要求，以滿足對汽車生產的品質、效率及成本的控制。
