聚氨酯在汽车涂料中的地位

　　几乎所有可能的技术已在汽车中测试或者甚至是使用：粉末、高固体成分、水基、溶剂基、单组分或双组分。获得对聚氨酯在汽车漆中的地位的认识并不容易，原因在于有如此多的材料和工艺在该领域竞争市场份额。

　　正如许多其他供应领域那样，车辆领域发生的一切是很重要的，因为其影响会传递到其他领域中。对运输用涂料青睐程度高的一个原因在于液体油漆1-3%的年增长率无法使许多供应商兴奋，但粉末涂料5-7%的增长率却使其兴奋。

　　几位市场参与者均认为，用于汽车的油漆的产值以约1%增长，超过了车辆的生产，但以容量计的消费却落后汽车产量0.5%。由于油漆领域正在从传统的溶剂基体系向水性和非常高固体含量的配方转变，以聚氨酯为基础的材料已受益于该基本的趋势。由于欧盟的溶剂法规在从现在起的不到3年内就要实施，其要求全部现有车辆油漆生产线必须符合最大溶剂排放的具体限制，聚氨酯技术专家竭力指出尿烷技术可以满足这些法规。在不同应用中采用各种方法最有可能满足上述法规。在向低排放配方转变中，作为实例，汽车OEM已尝试了水性和其他技术作为透明涂层。在欧洲，水基体系更受青睐，而北美更倾向于高固体含量的配方，估计是因为美国关于低有机挥发含量的法规与世界上该领域的法规不同。欧洲的一些参与者在水性工艺上远远走在了前面，但高固体材料也同步发展。美国OEM在底表面漆中正使用粉末涂料替代溶剂基的涂料，同时PU也介入其中。在欧洲，底表面漆主要是水基的。

　　聚氨酯如何呢？PU体系因其出众的特性而众所周知，特别是在耐候性、耐化学药品性、耐腐蚀性和耐划性方面。因此，聚氨酯用于外用涂料，包括汽车漆。在后者的领域中，PU主要限制在高质量、头等质量的品牌，至少在欧洲是这样的。在美国驾驶高级欧洲汽车的人会注意到，与国内制造的汽车相比，欧洲的高级汽车经过很长时间仍保持着高光泽。在汽车应用中，主要的原材料是脂肪族异氰酸酯，通常用作高质量表面漆，相对于更便宜且更传统的蜜胺/丙烯酸漆，其正逐渐扩大市场份额。

　　今天，世界上制造的20%以上的汽车具有某种形式的聚氨酯涂料，而二十年前PU在该领域几乎不存在。尽管其价格更贵，但由于其优异的性能，因此聚氨酯的使用迅速增长。PU涂料不会发黄、柔韧且具有宽的配方范围，但仍面临着来自更便宜的热固性丙烯酸/蜜胺的剧烈竞争。

　　汽车的颜色是其重要的销售特征之一，因此汽车制造商为其多层涂料的性能烦恼也就不足为奇了。首先，在钢板上具有电沉积层。然后施涂底层二道漆，其后是带有颜色的底漆，然后是清漆，清漆用于保护整个涂层免受外界环境的侵蚀。在车辆行业中，美学至关重要，而且即使经过10年的使用，其涂饰也应看起来精致美观。

　　涂料类型

　　份额

　　备 注

　　底漆/二道底漆

　　20

　　全世界

　　85

　　欧洲；

　　10-20

　　亚洲；

　　5-10

　　美洲；

　　面漆

　　30-40

　　全世界

　　40-45

　　欧洲（1-/2- 组分体系）

　　30-35

　　亚洲

　　10

　　北美

　　PU在汽车涂料中的市场份额，%

　　根据原材料供应商，PU在汽车涂料中的使用在不断增长，特别是在高光泽的用途中，在高光泽的用途中绝大多数的其他广泛使用的树脂具有缺陷。尿烷基树脂中的交联产生了高分子量的骨架，其与稠密的氢键网络一起赋予了所需的性能。

　　推动汽车涂料尤其是PU发展的趋势和挑战

　　汽车领域基本的趋势包括对全球供应产能的需求以及对满足更严格的环境要求的需求。绝大多数的涂料专家一致认为汽车的确是推动力，其被认为在最高等级的应用中排在前列。主要推动者将继续是更低的成本、减少空气污染和更优异的性能。

　　但是，市场参与者仍认为让汽车公司采用大规模的改变将是缓慢的过程。与许多其他行业一样，汽车行业受到削减成本和应对性能所要求的高价格的考验―改进技术并且符合环境要求―主要是满足日益严格的VOC法规。如前面所述，销售到汽车领域的涂料的总容量停滞不前，原因在于日益高效的喷涂设备和油漆中固体含量水平的增加这两者的结合，这显然减少了需要使用的油漆的容量。在美国，在过去的五年中平均固体含量已经从40%上升到了约50%，而且这一水平在2010年很有可能接近60%。

　　这对于汽车初始设备制造商涂料已成为了长期趋势，在20世纪70年代，80%喷涂到汽车上的涂料飞入空气中，而30年前当以清漆为基础的涂料仍使用时，情况也是这样。从终端消费者的观点出发，汽车上的油漆越多越好。当今车辆漆市场价值的逐渐增长反映出以下事实：汽车制造商愿意购买更高固体含量的油漆和其他新技术。作为其实例：用于前灯透镜的UV固化清漆集结了60%的总利润，而用于相同用途的传统的PU涂料比其低20%。在欧洲，国与国的情况大相径庭。德国和瑞典在使用低溶剂体系上走在了前面，欧洲全部车辆生产线产能的一半以下可以使用该生态涂料。这表明汽车工业还需要更大的努力以满足即将实施的欧盟法规。

　　如何应对降低成本呢？汽车生产商不断投入更大的努力以降低整个成本链。加工成本占喷涂汽车的总成本的70%以上，而油漆材料成本远低于30%。这一观察提升了自动化以及在可能的场合广泛使用机器人。本行业对更高生产效率的需求已转变成快速干燥聚氨酯涂料的发展，通常是以脂肪族异氰酸酯为基础的。在其寻求寿命更长的车辆中―部分由更长的出租期和财政时期引起，特别是在美国―在汽车引擎罩下面和底部应用中产生了巨大进展。

　　这对于粉末涂料生产商而言看上去是个好消息，原因在于粉末涂料不仅成本有效而且提供更长时间的耐腐蚀性和耐损伤性。尽管汽车漆仍是挑战，但线圈工艺还是侵入。根据欧洲线圈漆协会，主要的工作投入到了预涂布的车身上。对于全球汽车工业而言，这些涂料可能会在生产采购方面扮演主要角色。但是，在线圈漆普遍应用在汽车上之前，还要克服多个障碍。线圈漆成功地用于钢板的底漆，从而代替电浸涂料，但是由于制品不能被焊接，因此必须使用不同的下游连接工艺。最先进的工序可能是使用预涂饰的钢材，完全取代在生产过程中通常使用的完全涂饰。考虑到向标准组件建筑的发展，该方法吸引了大量的关注，但也提出了需要密切合作的严峻的挑战。PU涂料从1995年的3.5%增长到今天线圈涂料市场的近10%，原因在于其优异的柔韧性和硬度的平衡。为了对车辆底部进行保护，也产生了聚脲的发展。

　　就挑战而言，满足即将生效的法规显然是当务之急。在降低VOC排放的第一个措施启动后10年，焦点将是确保这些法规在欧盟中一贯且稳定地实施下去。这些新法规在国家水平上起草和实施的方式特别与小和中等规模企业有关，因为遵守这些法规对于这些企业而言需要付出很高的代价。汽车重涂领域可能会面临一段混乱时期，原因在于一些国家已经引入了其自己的基于制品的法规以确保车辆修理漆也包含在溶剂排放法规中。额外成本的大部分将来自于制品的重新配制，但在营销、教育和训练上也需要投入额外的资金。

　　对日益受到欢迎的水性PU涂料简单提及一下。它们以可分散的异氰酸酯和多元醇为基础，例如可在水中乳化或溶解的聚丙烯酸酯或聚酯。主要的异氰酸酯为HDI三聚体，以及 IPDI、脲基甲酸酯改性的HDI。异氰酸酯为亲水性的，可以直接使用或通过部分使其与亲水性的多元醇反应。在接下来关于其的文章中，将主要对聚氨酯分散体进行详述。汽车OEM中的聚氨酯涂料占欧洲全部消费的聚氨酯涂料的约 10-11%，而在汽车重涂中约为16%。当用容量表示时，在世界的这个地区，这对应于在OEM中约为8万吨，在重涂中为11.5万吨。

　　汽车OEM涂料

　　全球汽车可能价值40亿欧元，并且以每年2-3%的速度增长。欧洲约50%的OEM市场使用水性技术，而北美是35%。这与立法有关。在美国，溶剂基配方的使用者可以加入热氧化和消除措施以满足排放法规，尽管如果需要可以通过改进涂料生产线来满足。不管怎样，绝大多数的参与者将OEM行业看作是以革新和技术为导向的，并且明显比重涂市场更快地向生态解决方案迈进。水基体系在欧洲之所以受到青睐，是因为在改善外观和金属效果的同时，排放更低。主要的油漆制造商也越来越与汽车制造商参与到体系合作中，其演变成为在汽车制造商的工厂中承担几项功能，目的在于通过将整个工序最优化而降低单元成本。

　　对聚氨酯有利的是对于汽车外观日益提高的要求。为了应对大量具有竞争性的压力，越来越多的汽车制造商采用高质量涂料体系。在欧洲，PU目前具有超过20%的市场份额，美国的趋势也是如此。双组分配方在日益替代传统的丙烯酸酯/蜜胺体系。

　　汽车OEM涂饰的操作分三步：阴极电沉积、底漆/二道底漆和面漆。过去为标准的单层面漆，现在常常用双涂层体系替代，其包括底漆和透明漆。当今OEM汽车透明漆的主要要求是超出平均水平的薄膜外观。

　　如先前所提到的，符合即将实施的REACH标准可能是需要付出很高代价的。CEPE组织最近公布了一项成本影响评估，其将欧洲汽车OEM行业作为案例进行研究。这是令人大开眼界的：

　　描述

　　生产假设

　　成本 (百万欧元)

　　由供应商提供的材料

　　购买价值的15%（2001）

　　10

　　由油漆制造商提供的材料

　　每原材料?50,000

　　60

　　临时性方案 （与现有替代品的再配制）

　　底漆

　　2

　　底层漆

　　20

　　透明漆

　　3

　　电涂漆

　　2

　　需要开发新技术（配方成本/技术）

　　底漆

　　NA

　　底层漆

　　30

　　透明漆

　　NA

　　电涂漆

　　20

　　表：REACH：成本影响评估-欧洲汽车OEM案例研究

　　来源: CEPE

　　对日益受到欢迎的水性PU涂料简单提及一下。它们以可分散的异氰酸酯和多元醇为基础，例如可在水中乳化或溶解的聚丙烯酸酯或聚酯。主要的异氰酸酯为HDI三聚体，以及 IPDI、脲基甲酸酯改性的HDI。异氰酸酯为亲水性的，可以直接使用或通过部分使其与亲水性的多元醇反应。在接下来关于其的文章中，将主要对聚氨酯分散体进行详述。

　　汽车OEM中的聚氨酯涂料占欧洲全部消费的聚氨酯涂料的约 10-11%，而在汽车重涂中约为16%。当用容量表示时，在世界的这个地区，这对应于在OEM中约为8万吨，在重涂中为11.5万吨。

　　汽车重涂涂料

　　欧洲和北美的汽车重涂漆制造商面临着下降的市场容量、合并和日益严格的环境法规。交通事故修理的速率在下降，因此所需的油漆减少。涂料生产商开发出越来越多的生态工艺、用于小市场的特种涂饰并且在新出现的领域大量投资。对聚氨酯可行的另一路径是UV和辐射固化技术，一些业内人士认为其会拥有光明的未来，原因在于其最终会将符合VOC法规与对于修理店老板最重要的速度结合起来。

　　水性技术的发展显然有助于PU在重涂市场巩固其令人羡慕的地位。溶剂基的2-K聚氨酯涂料仍主导着汽车重涂市场，其在全球范围的平均市场份额为惊人的60%。但是，关于如何符合即将实施的法规要求的争论在日益升级：是通过开发高固体含量的体系还是通过使用水溶液配方。

　　目前，尿烷涂料用作底漆、固体着色或透明的面漆。其体系以丙烯酸多元醇为基础，同时通常在底漆配方中加入三羟甲基丙烷-TDI加成物，而面漆和透明漆以脂肪族异氰酸酯例如HDI三聚体为基础。这些涂料以约60 %的固体含量施涂，异氰酸酯指数通常接近100，并且可以使用二月桂酸二丁酯催化剂加速干燥时间。此外，通常加入紫外线吸收剂以提高使用时的颜色保持性。需要将配方设计为在20°C-70°C 的温度范围内固化。使用单速喷枪将这些油漆喷涂施用，因此适当的贮存期很重要，这限制了所需要的催化剂水平。聚异氰酸酯固化剂的存在意味着在施涂过程中必须带上适当的呼吸装置以保护施涂者的健康。该缺陷对先前提到的UV和辐射固化油漆是有利的。

　　其他运输工具

　　除了汽车以外，涂料用在各种形式的运输工具上，从火车车厢、地铁、大篷车、卡车车厢到自行车的挡泥板和执照板。由于生产效率的原因，被保护的金属是预先涂布或预先喷涂的。该技术常被称为线圈涂布。铝常常是用于大篷车、流动房屋和卡车车厢外部涂布优选的基材，原因在于其轻、耐腐蚀和柔韧。冷辊压的钢材基材通常用富含锌的底漆涂布，原因在于其高耐腐蚀性。此外，预喷涂的片材金属以电镀钢材为基础，同时进行以铬酸为基础的表面处理并具有薄薄的有机保护涂层。

　　具体的涂料种类包括：

　　聚酯：对于内用和外用而言，其为最普遍使用的体系；

　　聚氨酯：其需要高性能，特别是如果与深成型结合；

　　乙烯基树脂：对于超深牵引或成型特别有价值。

　　对于PU单组分或双组分体系用于保护底部不受严重的切削需要特别提及。层厚度从0.1mm到3mm。向削减重量方向发展的趋势也日益要求包括面板的车体进行加强。喷涂绝缘涂料正在日益取代沥青垫，并且PU受到欢迎，特别是在低温隔绝噪音领域。