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汽车涂料:工艺、成本、环保正在悄悄改变中

http://www.chem.hc360.com2018年02月12日07:57 来源:率捷咨询T|T

    慧聪化工网讯:近年来,汽车行业经历了翻天覆地的变化。SUV的走红、新能源车时代的降临、轻量化的趋势……其实,许多企业对新能源车、轻量化上的投入,还有很长的一段路要走,涉及了材料选择、生产效率、价格等诸多问题。然而,车用涂料方面已经有了明显的转变。

    从市场的反馈中得知,消费者在购买涂料产品时,对环保的要求十分严格,不仅会详细了解产品的有害物质含量,还会优先选择有各种环保认证的产品。汽车涂料正朝着环保和提高整车外观装饰效果的方向发展,涂料工艺趋向于多层复合涂装。汽车工业中使用的涂料种类很多,范围也很广,包括汽车车身涂料、货箱用涂料、车架等部件用涂料和特种涂料等等。特别是应用于乘用车车身涂装的涂料,由于其极高的性能要求,代表了涂料工业的最高水平。

    现在,国内汽车涂料以溶剂体系为主,对VOC的限制成为了汽车涂料的重要指标。传统的溶剂型涂料VOC排放量约125g/㎡,水性涂料VOC排放量约27g/㎡。以目前流行的闪光涂层为例,其VOC排放量占总量的66%,若使用水性涂料,整车VOC排放量可减少一半以上。我们希望从成本、工艺、环保等视角,呈现汽车涂料行业正在发生的那些变化。

    汽车的涂装结构

汽车的涂装结构

    车身用涂料的分类

    底漆

汽车涂料底漆

    汽车底漆是直接涂装在经过表面处理的车身表面的第一道涂料。

    现状

    根据底漆在汽车上的使用部位,要求底漆与底材具有良好的附着力,与上面的中涂漆或面漆具有良好的配套性。此外,还必须具备良好的防腐性、防锈性、耐油性、耐化学品性和耐水性。

    目前,国内几乎全部乘用车生产都采用阴极电泳底漆,仅在部分客车及载货车上还采用传统的醇酸类、酚醛类或环氧类底漆。电泳漆是在水性浸涂底漆的基础上发展起来的,常用的包括环氧树脂漆、醇酸树脂漆、氨基树脂漆、酚醛树脂漆等;颜料一般选用氧化铁红、钛白、炭黑或其他颜料填料。膜厚一般为20~35微米,一般乘用车阴极电泳漆过漆面积可达120平方米左右。

    发展趋势

    未来,底漆的发展趋势大体可总结为低VOC、免中涂以及低膜厚三个方向。虽然电泳涂料是水性涂料,但仍然含有一定量的有机溶剂,目前最新的阴极电泳漆的溶剂含量已从2%~3%降低到0.4%~1.8%,大大减少了VOC的排放。为了降低涂装成本,简化涂装工艺,一些汽车生产厂家采用了免中涂的涂装工艺,但取消中涂涂层对电泳底漆的平整度提出了更高的要求,面漆的厚度也有所增加。降低膜厚主要是通过高泳透率、高耐腐蚀性的阴极电泳漆实现的,一般而言这种方法可以减少用漆量13%以上。同时保证漆膜耐腐蚀性不降低,如底漆漆膜的厚度可降低至外表面15微米、内腔9微米,其漆膜耐腐蚀性及平整度与外表面22微米、内腔12微米时相当。此外,底漆发展趋势还包括应用无铅无锡涂料、低温烘烤涂料、耐候性涂料等。

    中涂

    中涂也称二道浆,包括腻子、二道底漆和封闭漆等。

    现状

    目前新车生产已不再使用腻子,仅用于汽车修补。我国载重车、微型车等商用车一般不用中涂漆而是直接在底漆上涂覆面漆,塑料件及零部件也不需要进行中涂,如保险杠或车底盘,但无论是乘用车还是商用车的外车身,及其后期修补都需要进行中涂。中涂漆是用于汽车底漆和面漆或底色漆之间的涂料,起到连接底漆与面漆的作用,能够提供与面漆相适应的保护性,同时具有填平性,提高整个漆膜的丰满度。常用的中涂漆包括聚酯树脂漆、氨基树脂漆、环氧树脂漆、聚氨酯树脂漆等;颜料和填料选用钛白、炭黑、硫酸钡、滑石粉、二氧化硅等。中涂膜厚一般为20~30微米,目前中涂漆仍有许多为溶剂型。

    发展趋势

    汽车中涂漆未来主要是向着高固体分化、水性化、粉末化的方向发展。目前美国车用涂料的主要发展方向就是高固体分化,高固体分中涂漆采用高固体分的聚酯、聚氨酯、氨基等树脂制备,其施工固体分可高于60%,甚至可达70%,比传统中涂漆提高10%~20%,VOC排放量可降低20%~30%。国内新建的汽车涂装线为了达到低VOC排放的要求,一般采用水性中涂漆,如水性聚酯氨基漆及水性聚氨酯漆等,其施工固体分一般达到50%~60%。粉末涂料虽然是VOC排放量最低的涂料之一,但由于换色困难等原因一直未采用。目前,国内除个别车用零件生产线外,整车尚无使用先例,但随着喷涂设备的改进和粉末水浆技术的成熟,未来这种涂装技术也必将成为汽车厂家的选择之一。

    面漆

    汽车面漆在汽车整个涂层中主要发挥装饰和保护作用,一般包括罩光漆和色漆。

    现状

    汽车面漆一般应具有鲜艳的色彩、良好的机械性能以及优异的耐候性。一般而言,无论是乘用车还是商用车,无论是零部件、塑料件还是后期维修都需要进行面漆涂装,只是商用车一般只喷涂底色漆,上面不再覆盖罩光漆,而零部件一般不喷涂底色漆,只喷涂罩光漆,而这层罩光漆有时也用其他防腐漆替代。

    目前高档汽车面漆主要采用氨基树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂等为基料,选用色彩鲜艳、耐候性好的有机颜料和无机颜料,添加一些助剂,如紫外光吸收剂、流平剂、防缩孔剂、电阻调节剂来达到满意的外观和性能。

    发展趋势

    未来,面漆的发展方向是水性化、粉末化、高固含量。水性面漆通常采用“底色漆+罩光清漆”的配套工艺,由于溶剂型底色漆是VOC排放的最大来源,占汽车车身涂装各道工序排放总量的50%左右,如果将底色漆改为水性涂料,VOC排放量可大大减少。但水性面漆直到目前仍未被广泛使用,主要原因是水性面漆的耐候性和装饰性较高,固体分面漆差,同时因其仍含有2%~15%的有机溶剂,对施工环境和烘干条件要求较高,综合成本太高。但从发展趋势上看,无溶剂水性涂料仍将成为未来的主要开发方向。目前,粉末罩光漆主要采用丙烯酸树脂型粉末涂料,虽然其成本较双组分聚氨酯清漆明显要高,但其在工艺上节省了废渣处理、VOC处理的运营成本,随着生产规模的扩大,原材料成本进一步降低,其直接成本会进一步接近于双组分聚氨酯清漆。

    国内主要生产企业&市场分布

国内主要汽车涂料生产企业&市场分布

汽车涂料

    中国汽车涂料市场相对封闭,一般从哪个国家引进的轿车产品,就配套采用哪个国家的汽车涂料体系。换句话说,国内高档汽车涂料市场几乎被国外品牌垄断。

    国外大型汽车涂料生产企业进入中国市场后,生产基地主要围绕国内汽车产业聚集区设立。

    艾仕得、立邦、PPG、巴斯夫、韩国KCC、关西等六大公司在中国汽车涂料市场的销售份额在80%以上,产量份额约为40%。其中,日系汽车涂料市场以关西涂料、立邦涂料为主;韩系以KCC涂料为主;欧美系以艾仕得涂料、PPG涂料、巴斯夫涂料、阿克苏诺贝尔为主;在国内自主品牌汽车涂料市场中,国际各大品牌均有不同程度的市场占有率。

汽车涂料

    国内车用涂料的消费量变化趋势

    乘用车涂料

乘用车产量

    国内乘用车涂料消费量增长的主要动力来自汽车销量的增长,而单车涂料的消费量,则受到新涂装工艺及材料的应用,呈逐渐下降趋势。其中下降最快的是德系乘用车,其次是美系车。日系、韩系和国内自主品牌因单车用漆量基数较低而下降较少。

    未来消费增长最快的乘用车涂料是面漆,主要是由于近年来免中涂工艺的推广,要求面漆兼具中涂漆和面漆的性能,加上各种金属色漆和珠光漆等需要多遍底色漆喷涂漆面的流行,面漆的膜厚有不断增长的趋势。中涂漆受到了免中涂工艺的影响,单车消费量出现下降。

    客车用涂料

客车用涂料

客车用涂料

    由于国内客车产量开始下滑,客车涂料的消费增长将放缓。而从单车涂料的消费量来看,与乘用车不同,仍在稳步提升,尤其是中涂漆增速较快。这主要与大型客车的比重升高有关。

    国内汽车原厂涂料是一个相对封闭的市场,原厂涂料一般都是通过直销的方式从汽车涂料制造企业销售到整车企业,这导致每一个汽车涂料企业的各个涂层涂料销售到不同整车企业的价格是不同的。同一种品牌、规格的汽车漆销售到国产车和进口车价格可能会相差50%。近几年,国内汽车原厂漆市场出现了价格恶性竞争的情况,即使是国外品牌,为了争夺市场份额,价格也不得不做出大幅让步。

    车用聚氨酯涂料的市场需求

车用聚氨酯涂料的市场需求

    消费量预测

    聚氨酯涂料具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点,在汽车涂料领域具有广泛应用及良好的发展前景。据市场研究公司Market Research Future最新发布的一份研究报告显示:全球聚氨酯涂料市场消费量预计到2023年将达到378.12万吨,2016-2023年间年均复合增长率为7.3%,同时按市场价值计算也将显著增长。聚氨酯涂料可分为双组分聚氨酯涂料、单组分水性聚氨酯涂料、光固化水性聚氨酯涂料、室温固化水性聚氨酯涂料、第三代水性聚氨酯涂料(PUA)、环保型低芳烃聚氨酯涂料等。

    发展趋势

    未来,我国水性聚氨酯技术的发展方向集中在以下几个方面:努力提高水性聚氨酯材料的力学性能、固含量和粘接强度,特别是初始粘接强度;在进一步降低V0C的基础上,开展水性聚氨酯交联机理研究和新型交联剂的开发,提高水性聚氨酯室温固化的性能;尽量减少有机溶剂用量,最终达到无溶剂;解决水性聚氨酯涂料涂膜的丰满度差、光泽度低的问题,开发高性能涂料,积极开拓新的应用领域;通过进一步降低水性聚氨酯成本,解决好水性聚氨酯技术应用问题;强化与水性聚氨酯材料有关的基础理论研究;开展施工工艺研究,降低环境温度和湿度对水性聚氨酯涂膜外观的影响;加强对水性聚氨酯专用设备的研究和开发。 

    汽车涂料的发展历史

    我国汽车工业的64年历史中,我国汽车涂料已实现了四次大的更新换代。

    现用的第四代汽车涂料是以第4、5代阴极电泳涂料,耐酸雨、抗划伤性的优质丙烯酸树脂涂料,丙烯酸聚氨酯涂料,面漆颜色为金属色和本色,适应轿车三层涂装体系的涂料等为代表。是近年随轿车产品和轿车车身涂装线的引进,世界著名的汽车涂料公司在华设厂,达到国际轿车涂层标准而形成的。基于轿车产品引进的国别不同,这一代汽车涂料尚可分为日本体系和欧美体系。

    从20世纪90年代开始,欧美汽车厂为环保达标采用环保型汽车涂料替代传统的有机溶剂型汽车涂料。到2001年已采用水性中涂、底色漆的轿车分别已占总产量的份额为:北美7%和43%;欧洲32.5%和36%。其中德国已基本实现水性化,中涂占80%,底色漆占93%。而在亚洲采用水性底色漆的轿车只占1.5%。

汽车涂料的发展历史

    随着21世纪汽车市场的不断发展,消费者对汽车消费需求越来越成熟,个性化、多元化将成为新的增长点。汽车经销商则在高度竞争环境下必须开拓更多的汽车服务项目以及深度挖掘汽车文化内涵,来满足消费者的需求,以形成个体的竞争优势。而综合型的汽车贸易服务园区,通过资源有效整合,再导入全新的规划理念和强大的服务功能,实现汽车销售市场多元化,因此具有较强的生命力。

    尽管中国汽车行业正在发展壮大之中,但是在汽车涂料和涂装技术方面与工业发达国家相比较,仍然有着比较大的差距。近几年来,中国汽车制造业已经建起将近20条水性涂料涂装线,尚有多条水性涂料涂装线将相继投建,汽车行业率先开创涂料水性化,可为其他行业推广应用起到示范效应。涂料水性化的开展,有益于节约资源、改善环境污染、实施清洁生产,取得有效的社会和经济效益。可以预见,随着涂料和涂装技术的不断进步,创新,在水性涂料的价格、性能、施工工艺,降低设备投资等方面,将有新的突破,在推动和拓展水性涂料应用领域方面有着更大的发展空间。

    聚氨酯涂料在汽车工业中的应用

    汽车零部件、内外饰用聚氨酯涂料

    汽车的零部件、内外饰件多种多样,对涂料的性能需求也有区别。如保险杠使用丙烯酸聚氨酯(PU)涂料;挡泥板、侧护板和保险杠下护板使用的聚氨酯(PU)底漆;车轮罩、扰流板、车门把手采用的聚氨酯(PU)涂料;奥地利vianovaresins公司用于汽车内部装饰的双组分聚氨酯(PU)涂料等等。

    车体零部件、内外饰件大多为各种塑料,种类繁多,且又不断增长的趋势。由于塑料的品种不同,基材与涂料的适应性要求也不同,需要选择合适的涂料进行塑料件涂装。聚氨酯涂料则拥有良好的材料适应范围,随着车用塑料的更新换代,聚氨酯在大多数情况下都能适应,应用前景广阔。

    车身用聚氨酯涂料

    底漆

    世界各国汽车底漆绝大部分使用阴极电泳漆。用封闭型聚氨酯(PU)、聚酯树脂、环氧树脂等一起,可制备阴极电泳聚氨酯(PU)涂料。如今,在走向水性化的过程中,首先将底色漆水性化,能大大降低VOC的排放。Nissan就在2010最先开始使用水性底色漆的3C1B工艺,并且使用双组分聚氨酯作为清漆满足外观的要求。而Honda则在水性化底色漆的3C1B工艺中,使用溶剂型双组分聚氨酯中涂底漆,以提高体系的抗石击性。据悉,中涂底漆也开始了水性化,丰田(Toyota)和通用(GM)都开始使用水性3C1B工艺。在通用的未来全球工艺规划中,使用双组分聚氨酯清漆的水性3C1B工艺已经成为标准。

    聚氨酯(PU)电泳涂料主要包括以下3类:水性聚氨酯(PU)树脂电泳漆、聚氨酯(PU)改性水性树脂电泳漆和水性封闭多异氰酸酯。其中,水性封闭多异氰酸酯作为各种电泳漆的交联剂使用最为普遍。

    前些年阴极电泳聚氨酯(PU)涂料在汽车涂装中使用极为成功,发展也是特别迅速。适应了环保节能要求的新型电泳涂料也不断出现。如德国研制的一种低温固化阴极电泳聚氨酯(PU),需2次烘干,固化条件为:160℃、10min、130℃、30min。国内地区对阴极电泳聚氨酯(PU)涂料的报道也有很多,并且早已经成为研究热点之一。如沈阳、天津灯塔、重庆三峡和湖南造漆厂先后从日本关西涂料公司引进了厚膜化的HB2000型阴极电泳聚氨酯(PU)漆用于汽车底漆,其特点是涂膜厚,表面高度平整,耐碎落,对防锈钢板的适用性很强。要知道,当时关西在中国的汽车涂料布局本意是对应中国主要的汽车生产厂的所在方位,以便能就地供应涂料产品,这样关西的汽车涂料赢得了在中国东北、京津、湖北、广东和重庆等地主要生产厂的不少市场份额。其中,湖南关西汽车涂料有限公司是1995年2月和日本关西涂料株式会社合资成立的,是国内最齐全的汽车原厂漆(OEM)供应商,为国产汽车如一汽奥迪、二汽、天津夏利、上海大众、上汽通用、广州本田、长安汽车、重庆五十铃、重庆福特和东南汽车等国内27大汽车厂商提供服务,拥有汽车底漆,中涂,面漆涂装线55条。

    阴极电泳聚氨酯(PU)涂料的防护性能非常优良,根据报道,在不加防腐颜料的情况下仍然有很好的耐烟雾性能,能满足汽车车身10年无穿孔腐蚀的防护要求,且涂膜平整而丰满。此外,在电泳涂层与中涂之间,有时候还有1层抗石击涂层,也属于底漆系统,主要为保护汽车行驶时候容易受到碎石冲击的部位,聚氨酯(PU)涂料抗石击性能最佳,只是价格稍微昂贵一些。

    中涂漆

    聚氨酯(PU)中涂漆(包括各种改性聚氨酯中涂漆)品种很多,应用也十分广泛,如国内地区的鄂长颈鹿牌、郑州拓立制漆公司的双组分高填充性聚氨酯(PU)漆,国外公司的Dupont公司1020R双组分聚氨酯(PU)中涂漆,Hoechest公司VIW1240等等。适应环保要求的水性聚氨酯(PU)中涂漆也具有很好的性能,特别是柔韧性和耐冲击性优于溶剂型涂料。抗石击和耐寒性能优良的聚氨酯(PU)中涂漆是汽车中涂漆的发展方向之一。即使在涂料中使用少量聚氨酯(PU),其抗石击性能也有很大的提高。有人在聚酯-氨基树脂体系中涂漆中加入一定数量的聚氨酯,发现能显著提高漆膜弹性、附着力和抗石击性。

    面漆

    聚氨酯面漆的耐候性要优于另外一类广泛使用的面漆品种丙烯酸磁漆。聚氨酯面漆抗UV能力和抗渗水性能均强于丙烯酸磁漆,其综合性能也是强于丙烯酸磁漆。另外,前些年还开发了由双组分水性聚氨酯制成的可直接附着在金属上面,不需要底漆的水性面漆,它可用于室内外车辆上,且防腐蚀性能有重大改进。回顾2008年,拜耳创新聚氨酯涂料技术应用现代概念车中,现代汽车公司(Hyundai)推出了运动感十足的“i-mode”轿车。新车一经问世,就吸引了消费者的关注。最值得欣赏的是,创新的聚氨酯涂料具有自我愈合的能力,可以自我修复汽车划痕,并具有极强的耐磨抗性。通过聚氨酯涂料对塑料表面进行保护,并赋予材料表面豪华的外观和细腻的手感。

    聚氨酯修补漆

    修补漆利润相对于其他车用涂料是最高的。PPG、杜邦、立邦分别在中国设立了修补漆的技术服务和研发部,但核心技术和大批量生产几乎都是海外完成的。巴斯夫亚太区首个汽车修补漆生产基地2016年底在广东江门开业,以满足不断增长的市场需求。巴斯夫上海涂料有限公司是巴斯夫在中国唯一的生产汽车涂料的公司。

    大部分修补漆的销售在4S店,一次销售和二次销售的价格不同。国外品牌修补漆的一次销售价格平均在70-85元/公斤左右。颜色的差异会导致价格的差别。

    黑色、白色→红色、黄色→珠光闪粉

汽车修补漆

    国产修补漆在价格上有着一定优势,品质接近进口产品,售价只有进口的1/2-2/3,同样竞争十分激烈。

    最初,汽车修补漆使用天然树脂漆,后来逐步发展到使用硝基漆、醇酸树脂漆。20世纪70年代,溶剂型双组分聚氨酯涂料进入汽车修补漆市场,并逐步成为汽车修补漆市场的主导产品。90年代,开发了高固含量的双组分聚氨酯修补漆。据报道,1994年仅仅在西欧就销售出去了13.8万吨的聚氨酯汽车修补漆。到了2006年前后,在西欧,溶剂型双组分聚氨酯涂料占据了86%左右的市场份额。用于汽车修补的水性双组分聚氨酯涂料已经商品化,其VOC很低,可满足任何严格的溶剂排放法规的要求。

    汽车原车漆要求漆膜有比较好的光泽、快干、良好的耐水性、耐溶剂性和耐老化性。汽车修补漆除了要达到这些性能外,还必须能够低温固化,而双组分聚氨酯涂料正好能满足这些要求,由丙烯酸酯多元醇和多异氰酸酯组成的双组分聚氨酯涂料,能室温或者低温烘烤固化,可用在汽车的金属、塑料、木材及其他底材上,这类涂料由于使用了比较多挥发性有机化合物作为溶剂,因此对环境造成了严重危害。

    随着各国限制挥发性有机化合物标准的出台,对传统的溶剂型聚氨酯涂料提出了挑战,前些年又开发了水性双组分聚氨酯涂料,并获得成功。汽车修补漆用的水性双组分聚氨酯涂料的含羟基组分中通常要加入流平剂、消泡剂、催化剂、光稳定剂、增稠剂和有机共溶剂等助剂,再与多异氰酸酯组分混合后加水调整粘度,用喷涂法施工。而用于汽车修补的水性双组分聚氨酯涂料早已经商品化了,其VOC比溶剂型聚氨酯涂料低很多,可满足任何严格的溶剂排放法规。水性双组分聚氨酯涂料正在逐步取代传统的溶剂型涂料,随着环保法规的日益严格,它必将占据更大的市场份额。

    政策:发展水性涂料是必然趋势

    2016年7月,工业和信息化部联合财政部印发了《重点行业挥发性有机物削减行动计划》,鼓励相关行业协会、科研院所和咨询机构等研究制定本行业的VOCs削减路线图,促进重点行业挥发性有机物削减。中国汽车技术研究中心制定了《汽车行业挥发性有机物削减路线图》,提出汽车行业VOCs削减的目标、技术路线和示范案例等。

    据悉,汽车及其零部件生产环节VOCs排放浓度高、强度大、持续时间长,是引发大气VOCs污染的重要因素之一。“十二五”以来,我国汽车行业环保涂料使用比例不断提升,部分新建涂装生产线VOCs排放指标已经达到世界一流水平。但是,每年仍有1000余万台汽车产品使用传统溶剂型涂装工艺生产,制造过程中散发大量VOCs。同时,汽车内饰释放的VOCs也会对驾乘人员身体健康产生一定程度影响。

    根据行动计划,为引导行业技术进步,制定汽车行业VOCs排放目标。2018年12月31日起,单位涂装面积VOCs排放量乘用车35g/㎡、货车驾驶舱75g/㎡、货车车厢90g/㎡、客车180g/㎡。2020年12月31日起单位涂装面积VOCs排放量乘用车30g/m2、货车驾驶舱65g/㎡、货车车厢70g/㎡、客车150g/㎡。

    据悉,各种涂料配套的汽车涂装工艺体系只有采用水性中涂、水性底色漆的体系与双组分高固体分罩光清漆、水性罩光清漆或粉末罩光清漆才能使有机溶剂(VOC)排放量达到环保要求(35g/㎡以下)。

    结语:

    我国汽车涂料行业特点是:区域集中度高、差距大;技术落后、利润低;政府和行业协会的支持力度不减。我国涂料行业的分布区域依然是长江三角洲、珠江三角洲、环渤海地区,三个地区占据了全国涂料行业80%的份额。然而,我国汽车涂料的质量、品种等还很滞后,真正国产的名牌屈指可数且控制市场的份额很小。

    聚氨酯涂料在汽车工业中的应用越来越广泛,尤其水性、高固体、粉末化聚氨酯涂料是未来的发展方向。其中,水性双组份聚氨酯涂料已经实现了商业化,但价格依然比较高。随着国家对汽车单位涂装面积VOCs排放量的缩紧,必将带动水性涂料的快速发展。而国产品牌自身的劣势,往往利润低于15%,在原材料价格上涨时就更加艰难了。如何把握色彩趋势,在修补漆这个高利润的领域获得一定市场,是我们要去思考的。与此同时,在工艺的转变和水性化的发展下,汽车涂料行业将迎来一场激烈的洗牌。

责任编辑:叶丹

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