全球汽车聚氨酯涂料的开发与应用情况分析

2018-02-06 17:23:32·  来源:化工新材料
   
2018年,环保话题依旧是涂料终端的一大主角,汽车工业中使用的涂料种类很多,范围也很广泛,包括汽车车身涂料、货箱用涂料、车架等部件用耐腐蚀涂料,发动机部件、底盘、铸锻件、毛坯和冲压件半成品用涂料、车内装饰件用涂料和特种涂料等等。
一、前言

2018年,环保话题依旧是涂料终端的一大主角,汽车工业中使用的涂料种类很多,范围也很广泛,包括汽车车身涂料、货箱用涂料、车架等部件用耐腐蚀涂料,发动机部件、底盘、铸锻件、毛坯和冲压件半成品用涂料、车内装饰件用涂料和特种涂料等等。

传统的溶剂型涂料VOC排放量约125g/㎡。为了达到环保要求,汽车涂料正在向水性化、高固体分及粉末涂料方向发展,其中水性化技术是最有效的途经之一,尤其是目前最流行的金属闪光涂层,其VOC排放量占总量的66%,该层涂料水性化后,整车VOC排放量可减少一半以上。如果车身涂装全部采用水性涂料,则VOC排放量可降低至27g/㎡,完全达到最严格的环保要求。

二、聚氨酯(PU)涂料2015-2020年简况与应用分类

1. 聚氨酯(PU)涂料简况
聚氨酯(PU)涂料,有时候也称作PU漆,作为重要的涂料品种,以其优越的性能,在涂料市场上占据了很大的份额,广泛使用于木器、防腐、车辆、建筑、航空以及皮革等等多个领域。与在其他领域的广泛应用类似,因其涂膜具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点,在汽车涂料领域也具有广泛应用及良好的发展前景。

2. 聚氨酯(PU)涂料应用分类

聚氨酯涂料按终端应用领域可分为汽车涂料、航空航天涂料、家用电器涂料、建筑涂料、电子产品涂料等,此外还包括交通运输涂料、纺织涂料等等。而汽车涂料应用在所有领域中占据主导地位,聚氨酯涂料可以为汽车商品的外观提供耐久性、耐刮擦性、高光泽度和耐腐蚀性等一系列功能。

三、聚氨酯(PU)涂料2015-2020年发展前景方向等分析

1、聚氨酯(PU)涂料发展前景概述
近日,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。

2015-2020年期间,聚氨酯涂料市场的驱动因素还是有很多的,例如聚氨酯涂料市场的主要驱动因素是亚太地区以及北美、欧洲和中东等地区汽车行业的需求增长;近几年来,聚氨酯涂料产品品种、应用领域以及产业规模迅速扩大,已成为发展最快的高分子合成材料工业之一。而中国已逐渐成为世界上聚氨酯涂料发展最快的市场中心,同时生产、应用、研究开发的技术进展也突飞猛进。

2. 聚氨酯涂料的重点发展方向

由于聚氨酯涂料在人体健康危害方面的潜在问题,预计日趋严格的环境安全法规将对这一产业的增长形成制约。未来,我国水性聚氨酯技术的发展方向应集中在以下几个方面:

1、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;

2、在进一步降低VOC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;

3、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;

4、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;

5、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;

6、加强对水性聚氨酯专用设备的研究和开发。

3. 聚氨酯涂料消费情况分析

根据估计,聚氨酯涂料的市场规模为3.4至3.7百万吨左右,其中亚太地区消耗大约60%,欧洲大约20%,其次是北美(占15%),其余的5%主要被中美洲和南美洲消费。 预计到2020年,产量将达到近400万吨或者以上水平。聚氨酯涂料最大的消费对象是木材和家具行业,近30%。 汽车OEM部门占25%。 这两个终端产业的份额因地区而异。而五大主导市场的聚氨酯涂料生产商是阿克苏诺贝尔,PPG工业公司,宣威 - 威廉姆斯,艾仕得和亚洲涂料。 这五家公司共同占有50%的市场份额。

四、汽车涂料的发展历史回顾与现状分析

1. 汽车涂料的发展历史回顾

汽车涂料是随汽车的出现而出现的,最初使用的是天然植物油、天然树脂,后来逐渐出现了硝基漆、醇酸磁漆、丙烯酸树脂漆以及聚氨酯(PU)漆等等。
中国汽车涂料市场份额如下,在中国原厂漆市场,75%~80%的市场份额是被国际品牌占领;
修补漆市场,75%左右的市场份额被国内品牌所占领,但是,它们大部分占领的是修补漆中低端市场;
塑料件漆市场,大部分的市场份额还是国际品牌的。以单车涂料用量来看,由于汽车涂料性能的提高和涂装技术的不断改进,如以前需厚膜才能达到的性能现在在薄膜状态就可满足,汽车单台涂料用量逐渐减少,目前一台新车的涂料用量仅为10年前的60%。
目前主要的汽车原产漆生产商有:关西(湖南、天津、重庆、沈阳)、巴斯夫、杜邦、PPG、立邦、KCC;
主要的修补漆生厂商有:广州实创、广州邦尼、常州普兰纳、PPG、广州联合、常州福莱姆、广州福田、广州雅图、杜邦、阿克苏诺贝尔、宣威、Valspar、巴斯夫、立邦、KCC等。

2. 中国2013-2020年汽车涂料现状分析

进入二十一世纪前后,全球汽车制造行业受到金融危机影响,生产数量出现了大幅度下滑,而中国汽车制造业进入高速发展时期。

目前,已经进入2018年了,中国随着汽车行业的快速发展及消费升级,车身色彩日趋多样化,凸显时尚个性化潮流,而这些色彩的变幻背后呈现的则是涂料科技的升级和创新。如果说发动机、变速器等核心部件事关汽车性能、操控体验,那么汽车涂料则可直接影响汽车的“颜值”和形象,乃至车体视觉外形,机械性能、耐久性能以及环保特性,其蕴藏的功能及发展潜力不可小觑。

回顾2013-2014年期间,中国汽车年产销数量就突破了2200万辆,而2014年中国十大汽车销售公司排名榜也出台了,见表1。

中国十大汽车销售公司排名

表1 中国十大汽车销售公司排名

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。各类漆产能比例大致如表2。



表2 中国汽车涂料生产能力比例图

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。巴斯夫大部分的业务来自于欧美系车,包括戴乐姆克莱斯勒、上海大众、沈阳华晨宝马和烟台通用汽车等等,其中又以上海大众的市场份额最大;除此之外,由于巴斯夫公司与尼桑汽车在日本的合作关系,巴斯夫上海涂料有限公司分享到了来自于日产尼桑的部分业务,也占了巴斯夫上海涂料有限公司业务量不小的份额。

五、聚氨酯(PU)涂料在汽车工业中的应用
在过去20多年中,中国已经发展成为全球第一大涂料生产国。据统计,2016年涂料行业工业企业产量达1899.78万吨,占全球总产量约29.42%,稳居全球第一。而汽车产业的快速发展,更是带动了相关涂料产业和产品的升级,并带来了市场格局的改变。

汽车制造中使用的涂料根据使用部位不同可分为三种类型:一类为车体零部件、内外饰件,特别是各种塑料件使用的涂料;另一类为车身表面涂装使用的涂料,即通常所谓汽车漆;此外还有一类用于汽车车身修补的修补漆。聚氨酯(PU)涂料在这三者中均占有重要的地位。

1. 车体零部件、内外饰件使用的聚氨酯(PU)涂料

车体零部件、内外饰件种类比较多,对涂料的要求各自不相同。涂料的应用与通用涂料相似,与非汽车领域应用无显著区别。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vianova resins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,其品种繁多,并且有不断增加的趋势,回顾二十世纪中期总量已经达到了整车质量的20-25%之间,由于塑料品种不同,在基材与涂料的适应性方面要求也不同,需要选择合适的涂料品种进行塑料件涂装。而聚氨酯(PU)涂料有很好的材料适应范围,这也使采用聚氨酯(PU)涂料涂饰的汽车塑料件在材料选择上更为自由,特别是随着汽车塑料用量的增加,聚氨酯(PU)涂料用于汽车零部件、内外饰件的前景十分广阔。

2. 汽车车身用聚氨酯(PU)涂料

用于车身表面涂装的涂料具有特殊的应用要求,主要有2点:一是极高的表观要求,整个涂膜必须光洁、丰满、鲜艳;二是很高的防腐蚀要求和防止损伤的要求,以适应长时间的户外使用环境。但耐用、美观、环保是其共同的发展方向,特别是近年来世界各国对环保要求越来越严格,对汽车涂料的VOC提出了更加苛刻的要求,新型聚氨酯(PU)涂料正是符合这一要求的涂料品种。用于车身表面涂装的涂料通常分为底漆、中涂漆、面漆3层,均可使用聚氨酯(PU)涂料或者各种改性聚氨酯(PU)涂料。

2.1 聚氨酯(PU)底漆

汽车底漆即直接涂装于车身的第一道涂料。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。

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

2.2 聚氨酯(PU)中涂漆

汽车中涂漆也称“二道浆”、“二道底漆”、“喷涂腻子”,位于底漆与面漆之间,中涂漆必须有以下几方面性能:如良好的填平性机械强度高,其主要作用是改善平整度,为面漆提供良好的基底,其基料一般与底漆和面漆保持一致。尤其是柔韧性和抗冲击性卓越;抗石击性;打磨修复性好;与底、面漆结合力强;闪光漆做面漆时候,应耐紫外线;适宜的烘烤固化温度。中涂漆一定要有良好的柔韧性和弹性以及与底、面漆有良好的结合力,在轿车复合涂层中承担起缓冲石击破坏 作用,防腐涂料事实上也起着决定性作用,此时又叫做抗石击中涂。

2.3 聚氨酯(PU)面漆

面漆包括底色漆与罩光清漆,均可使用涂料。目前使用的面漆主要为溶剂型,但从发展角度看,水性化、高固体份、粉末化是其发展方向。

现在有的2种主要水性底色漆就包括水性聚氨酯底色漆,如Baye公司商品名字为Bayhydro的水性聚氨酯分散体等等;罩光漆基本为溶剂型双组分聚氨酯,主要是在多水性涂层的基础上,采用双组分溶剂型聚氨酯罩光漆后,VOC排放已经达到欧洲标准。

2.4. 聚氨酯汽车修补漆

近年来,修补漆是汽车漆里面获利最厚的部分,PPG、杜邦、立邦分别在中国设立了修补漆的技术服务和技术研发部,但核心技术和大批量生产几乎都是在海外完成。

国产汽车修补漆有自己的优势,其品质接近进口的产品,售价只有进口1/2~2/3;此外,国产汽车修补漆根据国内汽车市场需求开发,在中国汽车修补漆市场上越来越占主导地位。但是,国产汽车修补漆市场很乱,目前有上百个品牌,大部分是民营企业,个别厂以劣质产品冲击市场。

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。

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。但是由于其组分中仍然含有乳化剂或有较高的酸值,因此漆膜的耐水性和耐溶剂性等性能仍需继续改进,另外难以制成较厚而不起泡的涂膜。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。

结束语
聚氨酯涂料因其优异的性能,在汽车工业中得到了广泛应用,而汽车工业作为中国的支柱产业,其高速发展必将同时带动车用聚氨酯涂料的研究和发展。特别是环境友好型的水性、高固体、粉末化聚氨酯涂料,是聚氨酯涂料未来的发展方向之一。

国外正逐步取代溶剂型双组分聚氨酯涂料,广泛用作汽车面漆和汽车修补漆 。但是中国车用聚氨酯涂料的发展同时也面临一些问题,如低VOC涂料品种少、使用的异氰酸酯品种单一、涂料价格比较高等等。

总之,使用无铅、环保、低VOC排量的新涂料产品,不但能提前满足国家环保法规的要求,且能与国际同步,提升产品的国际竞争力。