1 汽车及汽车涂料的产销
2009 年我国汽车产销量分别完成1 379.10 万辆和1 364.48 万辆，同比分别增长48% 和46%，在全球经济不景气的年头已成为全球产销量第一的国家，但是，我国汽车工业在技术开发水平方面与世界汽车强国还有不小的差距。2008 年中国汽车累计产销量分别为934.51 万辆和938.05 万辆，同比增长5.21% 和6.70%，成为自1999 年后首次跌破10% 增量的年份，表1 列出了2008年世界主要汽车生产国中前四名的产量以及世界各地区汽车OEM 涂料市场值，日本汽车产量连续3 年位居世界第一，中国首次超过了美国，居第二位。
表1 2008 年世界各国汽车产量及世界各地区汽车OEM涂料市场值
从表1 可以看出：2008 年产量第一的日本汽车产量同比变化是-0.3%，而OEM 涂料的同比是1.5% ；我国的汽车产量同比是5.2%，涂料同比是7.5% ；美国的汽车产量同比是-19.3%，但是，北美的涂料同比却是-1.3%中国机械网okmao.com。耐人寻味的是中国的汽车产量是日本的80.8%，而涂料市场值之比却只有37.3%。
2 近年来汽车涂装的新工艺
近几年，出现了多种汽车涂装新工艺，各公司都报道了自己技术的优点，笔者归纳为以下2 类。
2.1 集成工艺
在DuPont 公司称为EcoConcept Finishing System或EcoConcept Process，图1 是其涂层结构示意图，底层是水性Basecoat+ 稳定化的聚氨酯体系，中层是水性Basecoat，上层是双组分清漆。
EcoConcept 涂层结构示意图
图2 为其工艺示意图，传统工艺的中涂层及其烘房被取消，它的功能都合并到水性Basecoat 中，这必然带来了诸多好处。
EcoConcept Process 示意图
2003 年，Volkswagen（大众公司）在Wolfsburg 试涂了800 辆，2005 年在墨西哥的Puebla 和西班牙的Pamplona 启用，至报道时已经涂装了20 万辆，2008 年在俄罗斯的一个新工厂使用。
2007年4月，Volkswagen与DuPont 以其EcoConcept 工艺，被授予PACE（产品及周期优化工程）合作者奖。在BASF 公司该工艺被称为Integrated Process Ⅱ，于10 多年前就着手试验，2005 年7 月就绪。
Basecoat兼有中涂层的所有性能，包括抗石击、抗紫外线、优异的附着力等。在 BMW 的英国牛津的 MINI 生产线取得成功，生产线只要稍加改动。2007 年起，生产能力从年产18~20 万辆提高至24 万辆。
在PPG 公司该工艺被称为Compact Paint Systems或 Compact Paint Processes，Basecoat 分2 层，B1 层提供底漆、填充、抗石击和耐久性，B2 层提供颜色和附加的耐久性，B1 和B2 可以是水性或溶剂型涂料。2009 年3 月，刘继华等人报道了该工艺在奇瑞汽车公司的试涂情况。
2.2 3-Wet 工艺
Mazda 公司在2005 年宣布与Nippon Paint 合作研发了溶剂型3-Wet 工艺，即中涂、Basecoat、Clearcoat 一起湿碰湿施工，降低VOC 50%（32 t/a，VOC 达35 g/m2），能耗降低15%，降低CO2 排放（8.8 t/a），Basecoat 材料减少10%，并计划推广到日本的所有主要生产厂，后来也见到在中国工厂使用的报道。
Mazda 和 Ford 公司在2007 年宣布在泰国合资建造工厂，初期投资5 亿美元，使用Mazda 的3-Wet 工艺，已于2009 年投产。Mazda 公司在2009 年6 月又宣布一项新技术：水性的Aqua-tech Paint System，已用于它的日本工厂Ujina Plant No.1，据称已达到VOC 排放标准和能耗产生CO2 的现时世界最高标准：CO2 产生水平与Mazda已在日本广泛使用的3-Wet 工艺相同，而VOC 又进一步降低57%，达到车身面积计15 g/m2，涂装质量还有所改善。
一般水性涂料降低了VOC，但是，烘干时耗能增加，产生较多的CO2，Mazda 解决了这一难题。Aqua-tech 工艺包括了涂装车间空调系统改进、新的高效水蒸发系统和涂膜的光泽、耐久性、耐石击性等的提高。
Toyota、Daihatsu 和Kansai Paint 合作开发了一种新的水性漆和新的涂装方法：水性中涂- 预热- 水性Basecoat- 预热- 溶剂型高固体分清漆- 烘烤，VOC 降低70%，同时CO2 减少15%，2004 年12 月开始在大发分工厂采用。
2007 年，DuPont 公司在墨西哥Toluca 的通用汽车公司试行3-Wet 工艺，用于卡车和皮卡，缩短工艺步骤，用电量减少14%~21%，CO2 年减少量12~18 t。Ford 公司也开始采用3-Wet 工艺涂装U-Haul（一种旅游用车），涂装时间缩短20%，涂装车间空间缩小15%。他们还认为高固体工艺优于现行的水性－中固体的混合工艺，抗石击性和抗划伤性良好，还可省下赶走水分的能量。
如此之多的涂装新工艺未免有点令人眼花缭乱，在2008 年的一个重要进展是DuPont 将EcoConceptProcess 技术转让给了欧洲的一个重要生产者Bollig &Kemper，宣称的好处是：
生产过程能耗和溶剂排放降低约25%，物耗降低32%~25%，CO2 排放量每辆车减少约45~50 kg。诚然，我们不应该拘泥于这个选择，但可作为参考。集成工艺比3-Wet 工艺少了一道中涂漆，好处不言而喻，物耗、能耗都降低了，流水线缩短，但“填平”功能能否与中涂一样，仍是令人有所悬念，这会影响整个涂层的外观。3-Wet 工艺能否调整好每一层的固化速度和涂层的物理机械性能亦非易事。究竟孰优孰劣，只能拭目以待。
3 聚氨酯涂料化学的认识深化
2K（双组分）聚氨酯涂料在汽车涂料业界已为世人熟知并已广泛应用，图3 中的3 个反应已见诸教科书中，其中最重要的反应是-OH 与-NCO 生成了聚氨基甲酸酯（聚氨酯），往往还教会读者如何计算这两个组分的比例。2004 年美国的Douglas Wicks 教授来华演讲时指出：水分和潮气的固化作用无处不在，两个组分的比例不应该由计算而得，应该由试验来决定。
聚氨酯化学的主要反应
2008年，Bayer Material Science的E.P. Squiller等人发表了各种聚氨酯及其它面漆的加速老化（QUV A 2 000 h和5 000 h）比较数据，见表2。正如蓝线勾出的2 组数据可见：-NCO/-OH=1.7 的涂料比-NCO/-OH=1.05 的要好许多，失光率分别是0/15% 和4%/48%。
表2 各种聚氨酯及其它面漆的加速老化比较1
各种聚氨酯及其它面漆的加速老化比较
注：1—ASTM D 4587-05 程序B UVA 340 ；曝露2 000 h，保光率由60°光泽读数测量。2—白色双组分溶剂型涂料（2.6 lbs/gal.）以六亚甲基二异氰酸酯三聚体加成物为基料；NCO/OH=1.05 ；PVC=18.9。3—市售涂料。4—配方中多异氰酸酯与多元醇配比为1.7∶1。
面漆的QUV A 加速老化研究见图4。合理的推论是双重固化机理共存，即异氰酸酯/ 多元醇固化；过量聚异氰酸酯的潮气固化。目前为止，Bayer 仅报道了加速老化数据，众所周知，加速老化与天然曝晒是有区别的，让我们期待日后天然曝晒数据的发表，但对涂料制造者来说，现在就应该开始做更多的试验来决定配方，而不是依靠计算。
面漆的QUV A 加速老化研究
4 清凉的深色汽车涂料
夏天人们懂得穿白色或浅色的衣服以求凉快，黑色或深色的汽车涂料也同样会给车厢里带来高温，我们不得不耗能去降温。日光光谱中紫外光和可见光分别约占5% 和45%，而近红外光几乎占50%，普通黑漆几乎全部吸收，只能反射掉5%，其它色漆取决于不同颜色，约可反射掉入射光中的30%~45%。
图5 显示出钛白的热量积聚约达42℃，而炭黑高达约62℃。在美国加州甚至有人提出立法，要求所有的汽车应该是白色或浅色，但是最近的信息是法案并未获得通过。
不同颜料的热积聚
现在人们已经找到一种“清凉颜料”，它们可以反射掉较多的光能，但是仍然显现出黑色或深色，例如：Paliogen Black、Lumogen Black、Sicopal Black、Heucodur 系列颜料等。
直接用“清凉颜料”制成的面漆反射掉光能是一种方法，另一方法是应用“茄子效应”，在阳光下，手握茄子你仍然会感到是凉的，图6 示意出它的原理，表层是深色并吸收可见光，但是对红外光是透明的，由它的下层白色将红外光反射出去，也就是说，让光穿过Basecoat，由底漆（中涂- 下同）将它反射出去，清凉涂料有诸多优点，但是至少有3 个缺点：第一，由于透明黑颜料遮盖力差，成本提高60%，价格的提高与配方中用多少颜料有关，可能会翻倍。第二，假如被喷涂在浅色或白色底漆上，要达到必需的遮盖力，要使用更多的涂料，进一步提高了价格。
第三，清凉涂料有可能冲击集成工艺，理论上应该是可用的，但还要做更多研究，以便不要抵消集成工艺所带来的好处。清凉深色汽车涂料不仅是汽车色谱问题，降低热积聚，既降低能耗，又延长了涂膜寿命。聚合物热降解少，热变形少，有关它们的研究还在进行，有关立法听证有待进行，汽车协会也正在做进一步的比较。
茄子效应
5 汽车涂料面临新挑战——预膜工艺
笔者于2005 年曾经报道过“汽车涂料之否定？”“薄膜代替涂料”即“Paint Film”。近年来，这个“预膜工艺”进展很快，2007 年6 月，其制造商称：10 年内，主要的汽车制造者将不再使用涂装——塑料预膜的整车是很有可能的。
2009 年5 月，世界首辆100％预膜外表面汽车问世。早期用于飞机的小件贴膜，防腐、抗磨，比涂料轻，价廉，容易更换，后来，法国的Yamaha Motorcycles选中 XPEL Technologies Corp. 制成8 μm 的薄膜，用于法国国民警卫队的巡逻摩托——2006 YamahaFJR-1300 的油箱和侧盖。
随之，自然的设想是“既然能用在小件上，为什么不能用在大件上呢？”逐渐地，在汽车、重卡、家电、电脑、手机、家具、日用电子品和船舶零部件，建筑和标牌上已经大量使用，从2002~2007 年的5 年中，已有超过4 000 万件制品使用了预膜工艺，汽车工业是最大用户，由于它也能制成像镀铬的外观，正在取代传统的镀铬工艺。预膜工艺的主要制造者Soliant 经过20 年的发展，已经在OEM部件上广泛使用，Honda、Toyota、GM、Audi、Volvo 和Mercedes 都已使用，有140 种颜色。
2006 年7 月，Durakon Industries 完成设备，向GMBuick Lucerne 供货，年产25 万件 Rocker Panels，12种颜色。2007 年12 月，预膜工艺开始应用于08 JeepWrangler Sahara 二门和四门车的前后保险杠。
表3 分别列出了溶剂型、水性和预膜工艺的每辆车的VOC 平均排放量和如果以每辆240 ft2 计的单位平方英尺的VOC 排放量，从表中可见：预膜工艺VOC 排放量几乎为0。
预膜工艺与汽车外用漆的VOC比较
显然，预膜工艺优点很多：
● 环境污染小；
● 设备投资少；
● 改型快；
● 材料使用率高；
● 没有桔皮；
● 废料少，不需要处理废漆；
● 比金属质量轻，降低汽车的油耗。
Soliant 公司在2006.2.28.~3.2 于亚特兰大召开的GPEC 2006（全球塑料环境会议）上，由于发明预膜工艺已商业化获环境奖，新工艺比传统的涂料工艺降低98％的VOC 排放。在2008 年全球塑料环境会议上又获成就奖。
图7 是预膜的结构示意图，上面的透明层是PMMA、PVDF 和PU 的共混物，下一层可以是照相凹版印制花纹，如木纹、大理石纹等，也可以是珠光、金属色、“铬色”等各种颜色层，基底层是ABS、TPO、PC等材料，某些情况还需要黏合层。
预膜的结构
预膜的成型加工工艺有压敏贴纸、汽车贴膜、热成型、注塑、挤塑、挤出层压片、In-Mold Decorating（IMD）、In-Mold Foil（IMF）、热成型（真空、压力）、插入注模等等。
图8是预膜的制造过程示意图，辊涂是主要的方法。
预膜的制造
图8 预膜的制造
正如本节一开始所言，世界首辆100% 预膜外表面汽车已于2009 年5 月问世，通常涂装线投资占总成本40%，占地面积也要占30%~40%，采用预膜工艺可节省百万美元的成本，三废排放大大降低，工厂每年可节约用电1.5 亿度，相当于17 000 户美国家庭的用电量。另一个预膜工艺用户估算可节省2 300 万度电，相当于13 200 桶石油，节水115 000 t。它的工艺过程未见详细报道，引人注意的是BASF 是它的合作者，提供了耐磨擦、耐刮伤的UV 固化膜技术。除了BASF 以外，另一动态是AkzoNobel 将投资5 000 万欧元购并Soliant LLC 和Lord 公司的某些业务，原来预计2008 年9 月底可获批，但至今还未见正式完成的报道。预膜工艺的缺点是制作有花纹的部件时不能过度延伸；必须大批量生产才能达到经济性；对现有的汽车流水线要改成预膜工艺是个“艰难和痛苦”的问题。预膜工艺要取代汽车涂料，可以设想还有以下诸难点值得探讨：
（1） 汽车制造中有这么多金属件和金属结构大件，塑料是一时难以取代的，尽管预膜也可用于金属，但是，表面处理和电泳涂装是不可或缺的，它们的防腐等综合性能以及特有的泳涂优点是无法取代的。
（2） 从现有资料来看，预膜是热塑性含氟共混体，这就回到汽车涂料发展史上热固性取代热塑性的问题上，为了保证热塑性膜的高性能，也许这是Soliant 不得不引入昂贵的含氟聚合体之故。如果注意到合作者BASF 提供了耐磨擦、耐刮伤的UV 固化膜技术，也许就是为了解决这个问题。
（3） 预膜工艺消除了桔皮，但是，光泽应当就依赖于滚筒或模具的表面状态，能否胜过涂料呢？
（4） 如果汽车部件改变形状，涂料和涂装是没有关系的，但预膜恐怕就难以适应。
（5） 预膜的制造还是要使用涂料和辊涂。
（6） 施涂黏合剂也等于辊涂一层涂料。
Soliant 开发预膜工艺已经许多年，近来的进展也极快，毕竟这是一项值得涂料、涂装业界重视的新挑战，国外大公司的动态也显示了它们的意图。