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光固化在汽车涂料方面的应用

摘 要：介绍了光固化在汽车修补漆、面漆、汽车塑料部件涂料及粉末涂料方面的应用，对光固化设备及技术也进行了讨论。 关键词：汽车涂料 光固化 汽车修补漆 粉末涂料 辐射固化技术由于具有环保、节能、高速、高质量等优点，如何在汽车工业上推广使用成为辐射固化及汽车工业界共同关注的问题，其中光固化涂料经过几年的努力业已取得了重要成果。 汽车包括轿车和卡车所用的涂料统称汽车涂料，由于汽车部件很多，它们对涂料的要求各不相同，大多数内部器材所用涂料与通用涂料类似，光固化涂料已有很多应用，特点不是很明显。但外部使用的则有特殊要求，概括起来有两点，一是极高的表观要求；二是很高的防腐蚀要求和防损伤要求。显而易见，汽车表观的好坏是购车者所首先关注的，如果汽车涂料不好，即使汽引购车者，汽车车身的涂料实际是一种艺术品，生产者力求做到令人赏心悦目，美玉无暇。另一方面汽车年复一年地要经受日晒雨淋、风刀霜剑的侵蚀，还有酸雨、来自溶雪剂的盐水、石击等的侵蚀，在此情况下，保持美丽外观和防止锈蚀是对涂料提出的严格的要求。因此汽车涂料被认为是涂料最高水平的体现。汽车壳体大部分为钢铁，但塑料也已有广泛使用，因而对涂料也有不同要求，除此之外，汽车的修补漆也是汽车涂料的重要组成部分。光固化涂料有种种优点，要使光固化涂料进人汽车涂料行列，除了涂料本身要达到要求外，还需要有合适的涂装和固化设备，通常光固化涂料一般用于平面和简单形状器物的涂装，由于汽车部件形状各不相同，因此要求有符合三维(3D)涂装和固化的设备，两者结合才有可能完全进入汽车领域。去年的北美光固化会议上展出了一辆由多家公司合作研制的示范性辐射固化赛车，该车采用了最先进的各种辐射固化技术，它的壳体由电子束固化的复合材料制备，涂料几乎全部采用光固化涂料，充分展示了光固化技术的巨大潜力。本文结合该示范赛车及其他厂资料，就部分光固化汽车涂料的进展作简要介绍。 l 光固化修补底漆 汽车的金属部件特别是车身的金属底材一般采用阴极电泳漆或其他防锈漆，含有大量颜料和填加剂，光固化涂料难以代替，但是当车身损坏须修补时，其底漆不可能使用电泳漆也难以使用热固性涂料，室温固化涂料则需耗费太多时间。现在ICI发展了一种光固化底漆——UV Speed Prime，它采用常用于电子器件的树脂组分，新的用于低能UV光的活性引发剂及特殊颜料组成，填加的颜料可满足抗腐蚀、硬度、消光及填孔等要求，但不影响光固化速度。和一般不透明的底漆不同，该产品是透明的。该涂料易于涂布、容易打磨并且使用安全，采用低能手持紫外光灯可在2 min内固化，经处理和打磨后即可涂布面漆，整个修补过程快捷易行。 2 汽车面漆 汽车面漆最重要的作用是装饰，除了要求有美丽的外观外，还同时要求抗光氧化、抗水解、抗划伤、抗酸雨和汽油、抗撞击、抗雷雨及曝晒等性能。现在面漆一般由2层涂料组成，下层(第一道)涂料加有各种颜料如彩色颜料、闪光颜料等(二道浆)，上层涂料为清漆，它能赋予涂层高的光泽并满足面漆的各种要求，因此是至关重要的。光固化涂料难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无溶剂、快速固化、耐刻划、耐擦伤、高光泽、高硬度等固有的优点，但它的耐候性不是很好，这是它较长时间难于被接受的原因。光固化清漆不仅机械性能应达到或超过双组分聚氨酯清漆而且耐候性也要达到满意的要求。尽管可以通过添加光稳定剂等抗老化剂改善涂膜的耐候性，但是光稳定剂的加人会影响光固化速度，这是一个矛盾，是阻碍光固化清漆在汽车上使用的关键问题之一。近年来通过选用合适的引发剂及紫外光吸收剂等防老剂打通了用于汽车面漆的道路。汽车透明清漆一般采用丙烯酸化聚氨酯光固化树脂，选用的光引发剂一般为BAPO(bisacylphosphinoxide)和(或)Irgacure118(α—hydroxylketone)，同时在配方中加入紫外光吸收剂如HPT(hydroxyphenyl—s—triazine)及采用受阻胺HALS为自由基除去剂，试验证明通过合适的组分调节，可以达到满意的固化速度及优良的耐候性。 3 塑料部件涂料 汽车的部件很多已经采用工程塑料或者聚合物基复合材料，它们不仅需要涂料来改善其表观而且需要涂料改善其表面性质，光固化涂料在这方面具有十分突出的优势。光固化在这方面的应用已有10余年的历史。 3．1 车灯灯罩 聚碳酸酯灯罩早已代替了玻璃灯罩，聚碳酸酯具有易加工成型、质量轻和柔性不易破碎等优点，但它的表面强度不够，不耐刻划和刮擦而且耐候性差，易变黄，采用光固化涂料可以改善表面性质，因而得到了应用，不仅大大节约了涂装时间而且涂层有很好的光学和耐擦性能，并可满足长期耐候性要求。 3．2 反光镜 汽车反光镜也是用塑料制备的，但它的表面必须有很高的反光性能。为了达到这一目的，塑料表面须经3次紫外照射处理。首先塑料要经紫外照射使表面产生光化学反应增加表面张力，以利于光固化涂料的流平与附着，经过涂布光固化清漆并固化后，塑料表面变得平坦而易于金属化，然后在真空沉积箱中完成金属沉积。塑料表面金属化后还需要再涂布一层光固化涂料，它的作用是保护金属反光层。 3．3 玻璃纤维增强复合材料部件 复合材料已大量应用于汽车的各种部件，为了保护表面及美观，要求使用涂料进行涂装。例如前述的示范赛车车身部分采用了电子束固化的复合材料，同时采用了光固化涂料予以修饰。在体积很大的部件上使用光固化涂料的一个关键问题是设计便于车身整体涂装的涂装固化室。 4 光固化粉末涂料 光固化粉末涂料综合了粉末涂料及光固化涂料的优点，它不仅可在金属上使用，也可用于塑料和木制品及其他对热敏感的部件，大大扩大了粉末涂料的使用范围，因此，它在汽车上使用潜力很大，受到重视。汽车上的框架、轮辋等都可用粉末涂料来取代原有涂料。汽车上的金属框架需承受严格的石击、沾污、水泡等侵害，一般先要用电泳底漆处理，但电泳漆颜色选择受限制而且通常有条纹等漆病，为了提高其装饰性，可以采用光固化粉末涂料进行弥补，两者的结合可以取得满意效果。粉末涂料可赋予极好的装饰性，由铝合金制造的车轮轮辋对涂料有极高要来，传统的轮辋涂层一般由热固性粉末涂料作底漆，然后是具闪光效果的中间层，最后是透明面漆。现在这3层涂料都可以用光固化涂料代替。 5 3D光固化设备与技术 不同形状和大小、角度、弯曲、边缘、凹凸情况的三维(3D)部件光固化时，需要有光投射到所有的表面上，且应有可靠和足够的能量。一般灯具由灯管和反光罩组成，反光罩用于聚集光束定向投射到器物上，反光罩一般为椭圆形或抛物线状的。使用椭圆形灯罩。灯管置于椭圆的第一焦点上，灯光则在第二焦点上聚焦形成狭窄的高辐照度的光束。但由于光的发散，偏离此点后，辐照度迅速减低。使用抛物线灯罩，在较宽的范围内均可得到平行紫外光束，但是辐照度低并可在三维物体上增加阴影。为了使整个表面充分固化，需要采取一些措施：一是改善椭圆形灯罩形状，变化光的焦点，使它离灯面更远，使聚焦面更宽，虽然这样会减少高辐照的峰值，但可以使光的强度比较均匀，在离灯较远的地方也可以得到足够的辐照，同时又保持了聚集和发散光的优点，减少阴影出现；第二项措施是优化配方：涂料的光谱吸收要与灯的发射光谱相匹配；第三是优化工艺条件，紫外光投射到物体的能量要与加工速度相匹配；涂料光敏性及涂层的厚度要优化，在较大光强度变化范围内都能使表面涂料彻底固化。当然对于3D固化装置也有特殊要求，要根据物体大小和形状，物体是垂直的还是水平的，能否通过旋转使潜在的阴影部位得到照射等实际情况设计生产线。为了进行光固化，能量要求与固化速度的调节等目的，将灯源装在机器人上是一个重要的方法。采用机器人有很多优点，许多固定灯源不能照射到的部分都可得到有效的照射。如前所述，以玻璃钢为车身的涂料的耐候性高出许多年。 在日本，东陶机器(株)与掌握光催化涂料技术的合并组成，专门进行商品化生产超亲水性建筑物外墙用的光催化涂料。超亲水性彩色涂料专门用于商务楼、旅馆、医院、公寓等建筑物外墙涂料。经过最近几年实用结果来看，可以每年节约不少对大楼外表的洗净费用，称为环境保护涂料。这种涂料在涂装时，最表面的一层涂膜的厚度可达20μm，因此涂膜对紫外线有极好的遮蔽效果。经该公司实测，每隔2μm厚度时阳光中紫外线可急速衰减，其透过率为10％以下，如上述设定膜厚为20μm时，紫外线透过率已下降到0.5％以下，市场上销售的相类似的光催化涂料，其涂膜厚度在lμm以下。该公司认为厚膜化涂装可以确保耐久性，经耐候性试验，此种涂料具有相当15年以上的寿命。涂膜的基本性能按照JIS A6909标准进行评价，完全合格。在2000年年末经日本建设大臣(现国土交通大臣)的认定机构、(财)建筑保全中心严格审查，保全技术审查证明书”，允许在市场上销售。 6 光催化水性无机涂料的发展 光催化水性无机涂料今后研发的方向应紧紧抓住对TiO2 光催化的氧化、还原、超亲水性等多种作用机理的研究应用和市场开发。特别是利用对其还原作用的应用研究来开发防锈涂料，尚处于实验室研究阶段。过去用镀锌的方法来防锈，是以消耗锌膜为代价的防锈，从长期来讲，这种方法还不是稳定可靠的防锈方法。今采用TiO2 光催化无机涂膜，当受到光的照射，同样可维持金属的电化学还原状态来有效控制腐蚀。这种新的防锈方法不会像上述镀锌方法那样发生消耗问题。有人称这种防腐原理是“光负极防腐蚀”原理。 TiO2 光催化的氧化与还原作用在医学、医疗方面的应用研究也十分值得介绍。如TOTO(株)已开发的超亲水性瓷砖，在此瓷砖上涂上抗菌性的金属离子与钛的烷氧基硅烷溶液，在光照射下，由光催化反应的还原作用而析出抗菌的金属离子，起到灭菌效果。即使在室内的灯光照射下这种灭菌效果也是十分显著的。这种瓷砖用于手术室的内壁或手术床面上，对大肠菌、绿脓菌、MRSA等的灭菌率可达99．9％。对浮游在空气中的这些菌类也有被杀灭的效果，浮游菌含量锐减。 最近横滨市立大学的龟田吉信用TiO2 光催化涂料涂在用硅橡胶或天然橡胶制成的，具有高弹性的导尿管(医用)上，成为杀菌性或防污性能极好的医疗器具。经用紫外线灯(1mW／cm2 )照射1h后，导尿管上的大肠菌便全部被杀死。现已成为众所期盼的一种新型医疗用材料。 TiO2 受到日光中所含3％左右的紫外线的激励起光催化的氧化、还原和亲水性作用。但人们还是感觉到它的应用范围受到限制。当前用可见光来激励起光催化反应的研究课题，已获得成功并有公开报道，估计今后将成为一个研发的方向。 此外对提高TiO2 光催化剂的光催化效率以及新型高效催化剂的探索研究也将成为一个研究方向。光催化剂的固定和再生是光催化技术的关键。在光催化水性无机涂料的研发中，TiO2 光催化剂已寻找到的合适的载体和固定方法是否已经充分利用催化剂和载体的复合功能，将在今后的实用中进行观察。