提高汽车制造商效率的新涂层化学-新树脂技术改善了汽车底漆和面漆的固化温度和回流性能

作者 Susana Porzio，技术专家；Tony Neely博士，技术专家，巴斯夫公司，北卡罗来纳州，夏洛特市

无论是轿车、卡车、SUV还是掀背车，我们的车辆都需要耐用的涂层，以承受日常驾驶的严酷考验，同时保持理想的内外部的美观。

尽管这些液态的面漆和底漆是看不见的，但它们需要惊人的能量来涂覆和固化——涂装和涂覆是汽车装配厂最大的能耗单元，消耗了总能耗的60%。

这些能源的大部分被用于喷漆室和用于固化油漆和涂料的烤箱，这就强调了开发更有效的汽车底漆和面漆的重要性。

涂层技术的进步，包括自交联聚氨酯分散体（PUD）和超支化脂肪族聚酯多元醇，已被证明在实验室测试中的表现异常出色，并为涂层提供了重要性能，包括更低的固化温度和更好的柔韧性和适用期。

通过降低所需的固化温度或改善耐刮擦性和回流性能，汽车制造商和车身修理厂可以获得工艺效率的提高，节省成本，改善颜色的协调和均匀性，并减少对环境的影响。

自交联聚氨酯：下一步

传统的溶剂型涂料，即使是2K体系，都需要在高温下进行交联固化，并且在使用前进行混合，从而限制了其适用期的有效时间。

自交联PUD的工作原理不同。与类似的2K体系中在混合后立即反应不同，交联剂是在引入热量或水蒸发等驱动因素后，附着到官能聚合物基团上。这激活了交联剂，交联剂被激活并与聚合物上的不同官能团反应，形成交联膜。

与2K交联体系相比，自交联树脂具有许多优点，包括优异的耐化学性和耐沾污性、更高的硬度和柔韧性范围，以及降低VOC的能力等。由于自交联PUD可以在环境温度下进行自交联，因此可以将所用涂层的固化温度降低至80°C（176°F），这也延长了适用期，使它们更容易储存和运输。

巴斯夫技术专家Tony Neely说道：“一般来说，PUD和聚氨酯可以在更广的温度范围内提供这些独特的机械性能。它们可以提供无粘的柔韧性和无脆性的硬度。”

来自巴斯夫的JONCRYL ® U 4501是一种新型自交联脂肪族聚氨酯分散体，可用于汽车和木器涂料市场，以制造不含三乙胺和NMPs的涂料。

2K体系中的主要交联剂是异氰酸酯和氮丙啶，这两种敏化交联剂除了会对周围环境造成影响外，还可能对操作者和施用者产生安全危害。

暴露于异氰酸酯已被发现是化学诱发的职业性哮喘的主要原因，而氮丙啶被一些政府列为危险致癌物。

水性PUD避免了这一问题，它依靠其化学性质来改进聚合过程，从而在不使用敏化交联剂的情况下有效地将聚合物链连接在一起，也减少了引入环境中的VOC的数量。

自交联PUD的测试

为了评估其相对于传统体系的性能和最终涂层配方的有效性，我们对JONCRYL U 4501进行了一系列行业标准测试，测试了一些关键性能，包括附着力、柔韧性、耐磨性和耐化学性等。

巴斯夫公司生产的自交联PUD与几种类似的产品进行了比较，包括自交联PUD/丙烯酸混合物、用于金属涂料的自交联PUD，以及具有较低溶剂组成的自交联PUD。

测试涂料是用PUD制成的白漆，所有涂料都在冷轧钢板上进行涂覆，所有样品的干膜厚度（DFT）约为1.6-1.9密耳，并在25°C和50%湿度下固化7天。

附着力测试是根据ASTM D3359使用X划线法进行的，在该方法中，使用锋利的刀片以特定的模式将涂层划破到基材。接下来，使用压敏胶带，然后快速从表面拉出。涂层的得分为0到5，其中0表示脱离，5表示完全附着。完成四个单独的试验，包括1天和7天后的干和湿附着力测试。

巴斯夫自交联PUD整体性能最好，每个测试段的得分都为“4”。所有其他PUD在第1天湿附着力测试中得分为“0”，只有具有竞争力的PUD B在其他测试中得分为4或更高。

根据ASTM D1308-02方法，也对冷轧钢板进行了耐化学性测试，以确定表面是否产生任何不良变化，如变色、光泽度变化、起泡、软化、鼓胀、失去附着力或因暴露而产生的特殊现象。

BASF PUD表现较好，在对九种不同的化学物质进行测试后，得分为“31”，每种化学品的评级为0-5，其中0表示不合格，5表示无影响。PUD B也得到了31分，其他几种PUD的得分为30。

柔韧性、抗冲击性和耐磨性也是这些涂层的重要特性。根据ASTM D522，使用¼英寸锥形芯轴弯曲试验机进行测试，所有测试的PUD均通过测试，没有断裂，除了PUD/丙烯酸混合物，它在正向和反向冲击试验中也表现不佳。

附着力优势

能够有效地附着在各种各样的基材上，是自交联PUD的一个重要特性。它在固化温度不发生剧烈变化的情况下，可以粘附到更多基材上，塑料和金属部件可以同时固化，而不会破坏对温度敏感的基材。

Neely说：“汽车制造商可以通过固化多种基材来获得效率的大幅提升，同时可以通过在较低温度下固化来节省大量成本。它们还可以在各种基材上实现更好的外观一致性，因为涂抹器使用的是同一批涂料，从而在整个车身上达到更好的颜色协调性。”

自交联PUD的柔韧性也使其能够很容易地与水性丙烯酸树脂混合，以获得额外的抗性。巴斯夫的JONCRYL U 4501在北美可用于汽车底漆和内饰涂料。

面漆技术

除了自交联可以发挥很大作用的底漆和内饰涂料外，其他有前景的新技术也正在改变配方设计师对高光泽面漆的看法，这是购买者们对其车辆的普遍期望。

面漆配方中的线性聚酯链为涂层提供了耐刮擦性和柔韧性，但它们也会降低硬度和耐化学性，尤其是对于固体含量较高（VOC较低）的树脂。

超支化脂肪族聚酯多元醇利用超支化技术，提供了线性链提供的耐刮擦和耐磨性，同时提供了优异的耐化学性和耐候性、硬度，并延长了涂料的适用期。

这些超支化链形成球形结构，再加上它的双官能（-OH和-COOH）基团，可以防止链缠结，以及由此产生的粘度增加和适用期减少。

巴斯夫的技术专家Susana Porzio表示：“由于它们的形状，超支化聚酯分子或不同的聚合物不可能缠结，并增加粘度。这可以降低涂料的粘度，增加固体含量，从而降低最终配方的成本，并释放更少的挥发性有机化合物。”

由于超支化产生的回流能力，能在出现划痕时使涂层易于修复，因为抛光机可以重新加热涂层并进行修复，同时保持95%的原始光泽。

线性 vs 超支化

BASONOL ® HPE 1170 B是巴斯夫公司生产的一种新型超支化脂肪族聚酯多元醇，与具有竞争性的线性聚酯进行了耐刮擦和回流性能、硬度发展、适用期和干燥时间、耐候性和耐化学性的测试比较。

在耐刮擦测试中，含有25%的BASONOL HPE 1170 B与多元醇固体的配方表现出更好的耐刮擦和最佳的回流性能，在60°C（140°F）下1小时后，涂层恢复了初始光泽的95%——这是肉眼无法辨识的小变化。

在耐化学性测试中，使用725g钢球锤进行MEK双摩擦，结果表明，随着向涂层体系中添加更多的聚酯，耐化学性也显著提高，而在配方中添加更具竞争力的线性聚酯对涂层的耐化学性没有影响。在加速老化试验中，超支化聚合物树脂也提高了耐候性，含25%BASONAL HPE 1170和光稳定剂的配方，即使在暴露7000小时后，仍保持几乎100%的60°光泽。

使用超支化脂肪族聚酯多元醇的配方达到正常粘度的速度比其他2K汽车修补透明涂料慢得多，表明其干燥时间和适用期性能都得到了改善。在固化试验中，含有20%BASONALHPE 1170 B的配方在相同的固化温度下提供了更好的性能，在较低的固化温度下与纯丙烯酸配方的性能相同。

Porzio说：“这种树脂的关键特性之一就是它的回流性能。它不仅能降低1K瓷漆体系中所需的固化温度，而且还能同时提高耐刮擦性能。”

混合使用

BASONOL HPE 1170 B设计用作共粘合剂，在透明涂层和面漆应用中占总多元醇固体的5%-30%。

Porzio说：“这种超支化聚酯旨在用来作为一种共聚物，必须与其他丙烯酸多元醇、三聚氰胺或其他化学物质混合使用，因为它与其他化学物质非常相容，从而提供配方涂料所需的性能。”。

超支化聚酯共粘合剂可与多种树脂体系相容，包括高固体分2K聚氨酯、常规或中固体分2K聚氨酯和1K氨基树脂体系。

总而言之

随着汽车制造商越来越多地追寻在提高产量的同时减少对环境影响的方法，这一新的涂层技术可以提供一个宝贵的机会，来提高工艺效率，节约成本，并减少挥发性有机化合物和能源使用，同时提供消费者所需的颜色和外观。

自交联技术可以为底漆在广泛的基材上提供极好的附着力，同时降低所需的固化温度，消除对敏化剂的需求。这为汽车制造商提供了一种更安全、更简单、更高效的涂装和固化工艺，同时提高了漆膜外观的一致性。

在面漆领域，我们看到超支化聚合物链利用高官能度的-OH和-COOH基团来降低粘度和减少链缠绕，延长了适用期，同时提供了强大的耐刮擦性能，而不会牺牲硬度和耐化学性。

尽管预测汽车的销售总是很困难，但有一点是明确的：技术进步、供应链中断和不断变化的消费者行为要求汽车制造商不断改进其工艺和材料，以促进可持续性、提高质量，并在不断发展的行业中保持竞争力。

欲了解JONCRYL U 4501的更多信息，请访问https://dispersions-resins-products.basf.us/products/joncryl-u4500。
欲了解BASONAL HPE 1170 B的更多信息，请访https://dispersions-resins-products.basf.us/products/basonol-hpe-1170-b。

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年2、3月刊中