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光固化在汽車涂料方面的應用

摘 要：介紹了光固化在汽車修補漆、面漆、汽車塑料部件涂料及粉末涂料方面的應用，對光固化設備及技術也進行了討論。 關鍵詞：汽車涂料 光固化 汽車修補漆 粉末涂料 輻射固化技術由于具有環(huán)保、節(jié)能、高速、高質量等優(yōu)點，如何在汽車工業(yè)上推廣使用成為輻射固化及汽車工業(yè)界共同關注的問題，其中光固化涂料經(jīng)過幾年的努力業(yè)已取得了重要成果。 汽車包括轎車和卡車所用的涂料統(tǒng)稱汽車涂料，由于汽車部件很多，它們對涂料的要求各不相同，大多數(shù)內部器材所用涂料與通用涂料類似，光固化涂料已有很多應用，特點不是很明顯。但外部使用的則有特殊要求，概括起來有兩點，一是極高的表觀要求；二是很高的防腐蝕要求和防損傷要求。顯而易見，汽車表觀的好壞是購車者所首先關注的，如果汽車涂料不好，即使汽引購車者，汽車車身的涂料實際是一種藝術品，生產(chǎn)者力求做到令人賞心悅目，美玉無暇。另一方面汽車年復一年地要經(jīng)受日曬雨淋、風刀霜劍的侵蝕，還有酸雨、來自溶雪劑的鹽水、石擊等的侵蝕，在此情況下，保持美麗外觀和防止銹蝕是對涂料提出的嚴格的要求。因此汽車涂料被認為是涂料最高水平的體現(xiàn)。汽車殼體大部分為鋼鐵，但塑料也已有廣泛使用，因而對涂料也有不同要求，除此之外，汽車的修補漆也是汽車涂料的重要組成部分。光固化涂料有種種優(yōu)點，要使光固化涂料進人汽車涂料行列，除了涂料本身要達到要求外，還需要有合適的涂裝和固化設備，通常光固化涂料一般用于平面和簡單形狀器物的涂裝，由于汽車部件形狀各不相同，因此要求有符合三維(3D)涂裝和固化的設備，兩者結合才有可能完全進入汽車領域。去年的北美光固化會議上展出了一輛由多家公司合作研制的示范性輻射固化賽車，該車采用了最先進的各種輻射固化技術，它的殼體由電子束固化的復合材料制備，涂料幾乎全部采用光固化涂料，充分展示了光固化技術的巨大潛力。本文結合該示范賽車及其他廠資料，就部分光固化汽車涂料的進展作簡要介紹。 l 光固化修補底漆 汽車的金屬部件特別是車身的金屬底材一般采用陰極電泳漆或其他防銹漆，含有大量顏料和填加劑，光固化涂料難以代替，但是當車身損壞須修補時，其底漆不可能使用電泳漆也難以使用熱固性涂料，室溫固化涂料則需耗費太多時間。現(xiàn)在ICI發(fā)展了一種光固化底漆——UV Speed Prime，它采用常用于電子器件的樹脂組分，新的用于低能UV光的活性引發(fā)劑及特殊顏料組成，填加的顏料可滿足抗腐蝕、硬度、消光及填孔等要求，但不影響光固化速度。和一般不透明的底漆不同，該產(chǎn)品是透明的。該涂料易于涂布、容易打磨并且使用安全，采用低能手持紫外光燈可在2 min內固化，經(jīng)處理和打磨后即可涂布面漆，整個修補過程快捷易行。 2 汽車面漆 汽車面漆最重要的作用是裝飾，除了要求有美麗的外觀外，還同時要求抗光氧化、抗水解、抗劃傷、抗酸雨和汽油、抗撞擊、抗雷雨及曝曬等性能。現(xiàn)在面漆一般由2層涂料組成，下層(第一道)涂料加有各種顏料如彩色顏料、閃光顏料等(二道漿)，上層涂料為清漆，它能賦予涂層高的光澤并滿足面漆的各種要求，因此是至關重要的。光固化涂料難用于在面漆的第一道漆但可用于透明清漆。光固化透明清漆具有無溶劑、快速固化、耐刻劃、耐擦傷、高光澤、高硬度等固有的優(yōu)點，但它的耐候性不是很好，這是它較長時間難于被接受的原因。光固化清漆不僅機械性能應達到或超過雙組分聚氨酯清漆而且耐候性也要達到滿意的要求。盡管可以通過添加光穩(wěn)定劑等抗老化劑改善涂膜的耐候性，但是光穩(wěn)定劑的加人會影響光固化速度，這是一個矛盾，是阻礙光固化清漆在汽車上使用的關鍵問題之一。近年來通過選用合適的引發(fā)劑及紫外光吸收劑等防老劑打通了用于汽車面漆的道路。汽車透明清漆一般采用丙烯酸化聚氨酯光固化樹脂，選用的光引發(fā)劑一般為BAPO(bisacylphosphinoxide)和(或)Irgacure118(α—hydroxylketone)，同時在配方中加入紫外光吸收劑如HPT(hydroxyphenyl—s—triazine)及采用受阻胺HALS為自由基除去劑，試驗證明通過合適的組分調節(jié)，可以達到滿意的固化速度及優(yōu)良的耐候性。 3 塑料部件涂料 汽車的部件很多已經(jīng)采用工程塑料或者聚合物基復合材料，它們不僅需要涂料來改善其表觀而且需要涂料改善其表面性質，光固化涂料在這方面具有十分突出的優(yōu)勢。光固化在這方面的應用已有10余年的歷史。 3．1 車燈燈罩 聚碳酸酯燈罩早已代替了玻璃燈罩，聚碳酸酯具有易加工成型、質量輕和柔性不易破碎等優(yōu)點，但它的表面強度不夠，不耐刻劃和刮擦而且耐候性差，易變黃，采用光固化涂料可以改善表面性質，因而得到了應用，不僅大大節(jié)約了涂裝時間而且涂層有很好的光學和耐擦性能，并可滿足長期耐候性要求。 3．2 反光鏡 汽車反光鏡也是用塑料制備的，但它的表面必須有很高的反光性能。為了達到這一目的，塑料表面須經(jīng)3次紫外照射處理。首先塑料要經(jīng)紫外照射使表面產(chǎn)生光化學反應增加表面張力，以利于光固化涂料的流平與附著，經(jīng)過涂布光固化清漆并固化后，塑料表面變得平坦而易于金屬化，然后在真空沉積箱中完成金屬沉積。塑料表面金屬化后還需要再涂布一層光固化涂料，它的作用是保護金屬反光層。 3．3 玻璃纖維增強復合材料部件 復合材料已大量應用于汽車的各種部件，為了保護表面及美觀，要求使用涂料進行涂裝。例如前述的示范賽車車身部分采用了電子束固化的復合材料，同時采用了光固化涂料予以修飾。在體積很大的部件上使用光固化涂料的一個關鍵問題是設計便于車身整體涂裝的涂裝固化室。 4 光固化粉末涂料 光固化粉末涂料綜合了粉末涂料及光固化涂料的優(yōu)點，它不僅可在金屬上使用，也可用于塑料和木制品及其他對熱敏感的部件，大大擴大了粉末涂料的使用范圍，因此，它在汽車上使用潛力很大，受到重視。汽車上的框架、輪輞等都可用粉末涂料來取代原有涂料。汽車上的金屬框架需承受嚴格的石擊、沾污、水泡等侵害，一般先要用電泳底漆處理，但電泳漆顏色選擇受限制而且通常有條紋等漆病，為了提高其裝飾性，可以采用光固化粉末涂料進行彌補，兩者的結合可以取得滿意效果。粉末涂料可賦予極好的裝飾性，由鋁合金制造的車輪輪輞對涂料有極高要來，傳統(tǒng)的輪輞涂層一般由熱固性粉末涂料作底漆，然后是具閃光效果的中間層，最后是透明面漆。現(xiàn)在這3層涂料都可以用光固化涂料代替。 5 3D光固化設備與技術 不同形狀和大小、角度、彎曲、邊緣、凹凸情況的三維(3D)部件光固化時，需要有光投射到所有的表面上，且應有可靠和足夠的能量。一般燈具由燈管和反光罩組成，反光罩用于聚集光束定向投射到器物上，反光罩一般為橢圓形或拋物線狀的。使用橢圓形燈罩。燈管置于橢圓的第一焦點上，燈光則在第二焦點上聚焦形成狹窄的高輻照度的光束。但由于光的發(fā)散，偏離此點后，輻照度迅速減低。使用拋物線燈罩，在較寬的范圍內均可得到平行紫外光束，但是輻照度低并可在三維物體上增加陰影。為了使整個表面充分固化，需要采取一些措施：一是改善橢圓形燈罩形狀，變化光的焦點，使它離燈面更遠，使聚焦面更寬，雖然這樣會減少高輻照的峰值，但可以使光的強度比較均勻，在離燈較遠的地方也可以得到足夠的輻照，同時又保持了聚集和發(fā)散光的優(yōu)點，減少陰影出現(xiàn)；第二項措施是優(yōu)化配方：涂料的光譜吸收要與燈的發(fā)射光譜相匹配；第三是優(yōu)化工藝條件，紫外光投射到物體的能量要與加工速度相匹配；涂料光敏性及涂層的厚度要優(yōu)化，在較大光強度變化范圍內都能使表面涂料徹底固化。當然對于3D固化裝置也有特殊要求，要根據(jù)物體大小和形狀，物體是垂直的還是水平的，能否通過旋轉使?jié)撛诘年幱安课坏玫秸丈涞葘嶋H情況設計生產(chǎn)線。為了進行光固化，能量要求與固化速度的調節(jié)等目的，將燈源裝在機器人上是一個重要的方法。采用機器人有很多優(yōu)點，許多固定燈源不能照射到的部分都可得到有效的照射。如前所述，以玻璃鋼為車身的涂料的耐候性高出許多年。 在日本，東陶機器(株)與掌握光催化涂料技術的合并組成，專門進行商品化生產(chǎn)超親水性建筑物外墻用的光催化涂料。超親水性彩色涂料專門用于商務樓、旅館、醫(yī)院、公寓等建筑物外墻涂料。經(jīng)過最近幾年實用結果來看，可以每年節(jié)約不少對大樓外表的洗凈費用，稱為環(huán)境保護涂料。這種涂料在涂裝時，最表面的一層涂膜的厚度可達20μm，因此涂膜對紫外線有極好的遮蔽效果。經(jīng)該公司實測，每隔2μm厚度時陽光中紫外線可急速衰減，其透過率為10％以下，如上述設定膜厚為20μm時，紫外線透過率已下降到0.5％以下，市場上銷售的相類似的光催化涂料，其涂膜厚度在lμm以下。該公司認為厚膜化涂裝可以確保耐久性，經(jīng)耐候性試驗，此種涂料具有相當15年以上的壽命。涂膜的基本性能按照JIS A6909標準進行評價，完全合格。在2000年年末經(jīng)日本建設大臣(現(xiàn)國土交通大臣)的認定機構、(財)建筑保全中心嚴格審查，保全技術審查證明書”，允許在市場上銷售。 6 光催化水性無機涂料的發(fā)展 光催化水性無機涂料今后研發(fā)的方向應緊緊抓住對TiO2 光催化的氧化、還原、超親水性等多種作用機理的研究應用和市場開發(fā)。特別是利用對其還原作用的應用研究來開發(fā)防銹涂料，尚處于實驗室研究階段。過去用鍍鋅的方法來防銹，是以消耗鋅膜為代價的防銹，從長期來講，這種方法還不是穩(wěn)定可靠的防銹方法。今采用TiO2 光催化無機涂膜，當受到光的照射，同樣可維持金屬的電化學還原狀態(tài)來有效控制腐蝕。這種新的防銹方法不會像上述鍍鋅方法那樣發(fā)生消耗問題。有人稱這種防腐原理是“光負極防腐蝕”原理。 TiO2 光催化的氧化與還原作用在醫(yī)學、醫(yī)療方面的應用研究也十分值得介紹。如TOTO(株)已開發(fā)的超親水性瓷磚，在此瓷磚上涂上抗菌性的金屬離子與鈦的烷氧基硅烷溶液，在光照射下，由光催化反應的還原作用而析出抗菌的金屬離子，起到滅菌效果。即使在室內的燈光照射下這種滅菌效果也是十分顯著的。這種瓷磚用于手術室的內壁或手術床面上，對大腸菌、綠膿菌、MRSA等的滅菌率可達99．9％。對浮游在空氣中的這些菌類也有被殺滅的效果，浮游菌含量銳減。 最近橫濱市立大學的龜田吉信用TiO2 光催化涂料涂在用硅橡膠或天然橡膠制成的，具有高彈性的導尿管(醫(yī)用)上，成為殺菌性或防污性能極好的醫(yī)療器具。經(jīng)用紫外線燈(1mW／cm2 )照射1h后，導尿管上的大腸菌便全部被殺死。現(xiàn)已成為眾所期盼的一種新型醫(yī)療用材料。 TiO2 受到日光中所含3％左右的紫外線的激勵起光催化的氧化、還原和親水性作用。但人們還是感覺到它的應用范圍受到限制。當前用可見光來激勵起光催化反應的研究課題，已獲得成功并有公開報道，估計今后將成為一個研發(fā)的方向。 此外對提高TiO2 光催化劑的光催化效率以及新型高效催化劑的探索研究也將成為一個研究方向。光催化劑的固定和再生是光催化技術的關鍵。在光催化水性無機涂料的研發(fā)中，TiO2 光催化劑已尋找到的合適的載體和固定方法是否已經(jīng)充分利用催化劑和載體的復合功能，將在今后的實用中進行觀察。