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光固化汽车涂料的发展及应用情况

发布时间:[2016-09-21]  查看次数:

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和风刀霜剑的侵蚀,还有酸雨、来自溶雪剂的盐水、石击等侵蚀。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要求。因此,汽车涂料被认为是涂料最高水平的体现。

  光固化涂料有种种优点,要使光固化涂料进入汽车涂料行列,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。最近北美光固化会议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。

汽车壳体大部分为钢铁,但塑料也已有广泛使用,涂料因而也有不同要求。除此之外,汽车的修补漆也是汽车涂料的重要组成部分。

  一、光固化汽车涂料主要品种发展情况

  (一)光固化修补底漆。汽车的金属部件特别是车身的金属底著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,需予修补时,其底漆不可能使用电泳漆也难予使用热固型涂料,室温固化涂料则需耗费太多时间。现在ICI发明了一种光固化底漆UVSpeedprime,它采用常用于电子器件的树脂组分,用于低能UV光的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一,彩低能手持紫外光灯可在2分钏内固化,经处理和打磨后即可涂布面漆,整个修补过程快捷易行。

  (二)汽车面漆。汽车面漆最重要的作用是装饰,除了美丽的外观外,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。现在在漆一般由两层涂料组成,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。光固化涂料难以用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,但它的耐侯性不是很好,这是它较长时间难于被接受的原因。光固化清漆不仅械性能应达到或超过二罐装聚氨酯清漆,而且耐候性也要达到一定的要求。尽管可以通过添加光稳定剂等抗老化剂改善涂膜的耐侯性能,但是光稳定剂的加入会影响光固化速度,这是一个难以解决的问题,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化剂打开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)或 Irgacure118(α-hydroxylketone),同时在配方中加入紫外光吸收剂如HPT(hydroxyphenyl-s-rriazine)及采用受阻胺HALS为自由基除去剂。实验证明通过合适的组分调节,可以达至满意的固化速度及优良的耐候性。

  (三)汽车塑料部件涂料。汽车的部件很多已采用工程塑料或者聚合物基复合材料,他们不仅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。光固化在这一方面的应用已有十余年的历史。

  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、重量轻和柔性强不易破碎等优点,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耐擦性能,并可满足长期耐侯性要求。

  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,塑料表面须经三次紫外照射处理。首先塑料要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固化后,塑料表面变得平坦而易于金属化,然后地真空沉积箱中完成金属沉积。在塑料表面金属化后还需要再涂布一层光固化涂料,它的作用是保扩金属反光层。

  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。

  (四)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石击、沾污、水泡等侵害,一般先要用电泳漆处理,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,可以彩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涂料对涂料有极高要求,传统的轮辋涂层一般由热固性粉末涂料作底漆,然后是闪光效果的中间层,最后是透明面漆。现在这三层涂料都可以用光固化涂料代替。

  二、三维光固化设备与技术

  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*和足够的能量。一般灯具由管灯和反光罩组成,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,辐照度迅速降低。使用抛物线灯罩,在较宽的范围内均可得到平等紫外光束,但是辐照度低并可在三维物体上增加阴影。

  为了得到整个表面的充分固化,需要采取一些措施:一是改善椭圆形成灯罩形状,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要以得到足够的辐射照,同时又保持了聚集和发散光的优点,减少阴影出现;二是优化配方,涂料的光谱吸收要与灯的发射光谱相匹配;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。为了达到光固化能量要求与固化速度的调节等目的,将灯原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,在以玻璃钢为车身的涂布与光固化需要有大空间的三维涂布与固化装置,这也是一个挑战。

  三、双重混杂固化的应用

  对于一些部件来说,无论如何设计固化装置和灯源,总有一些部位灯光不能达到或者光强不能满足涂装要求,因此纯粹的光固化涂料不能满足涂装要求。为了解决这一问题发展了光固化与热固化方法看来是抵消了光固化的优点,但这是不可逾越问题。尽管如此,混杂固化较纯粹热固化还是有一些优点,一般混杂固化体系固化温度低、固化时间短。由于物件大部分在光照时已实干,只有少许部位未干,因此可减少物件被沾污的可能性。



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