google07bf3b7a763e236e.html 258443185

Рождение автомобильных покрытий

Сегодняшнее часто цитируемое заявление Генри Форда выглядит юмористическим, но Форд был серьезен, когда сказал это. В 1908 году Форд считал, что черная автомобильная краска была единственной практичной автомобильной краской для Model T, поскольку она обеспечила ему долговечное и дешевое покрытие. Конечно, черная автомобильная краска, которую Форд наложил на свою модель T, на самом деле была вовсе не «автомобильной» краской, а просто существующей технологией окраски, доступной в начале 20 века: краской на основе натуральной смолы льняного масла в качестве связующего . Масляные смолы отверждаются за счет окислительной сшивки, что означает, что краска долго сохнет. Черная краска Ford была нанесена на Model T вручную кистью в несколько слоев, процесс, который, в конце концов, занял около недели. Это создало ужасное препятствие для инновационного процесса массового производства Ford. хотя черная краска высыхала быстрее всех остальных доступных цветов. Покрашенная модель Ц в конце конвейера забила складские полы автомобильного завода.

lamb_fig1

Это узкое место процесса послужило стимулом для создания первой краски, специально разработанной как автомобильное покрытие: краски Duco компании DuPont Эта новая технология нанесения покрытия резко изменила производительность за счет сокращения времени окраски и высыхания с многих дней до нескольких часов. Химики DuPont, которые использовали химию нитроцеллюлозы (рис. 1) для разработки взрывчатых веществ и кинофильмов, обнаружили, что если они изменили молярное соотношение NO 2групп в целлюлозной основе, они получили лаковую смолу с низкой вязкостью при примерно 15% твердых веществ смолы, которую можно было наносить распылением в качестве покрытия. Это покрытие, являющееся лаком, высыхает (просто за счет испарения растворителя) примерно за два часа. Некоторая работа химиков по разработке рецептур показала, что эта новая синтетическая лаковая смола обеспечивает отличную основу для краски, которая имеет улучшенный внешний вид, прочность и долговечность по сравнению с красками на основе натуральных масляных смол, а также может быть легко окрашена широким спектром цветных пигментов. к тому же просто черный! После нескольких лет испытаний в 1924 году General Motors представила использование отделки Duco почти на всей своей автомобильной линейке.

Это был первый пример того, как потребности отрасли стимулировали развитие технологий автомобильных покрытий. В данном случае потребность в повышении производительности автомобильного завода подтолкнула к изобретению и разработке нового химического состава покрытия. С тех пор, как в 1920-х годах был достигнут первый новый технологический прогресс, инновации в технологии автомобильных покрытий не ослабевали. Фактически, многие из новых технологий и химии в науке о покрытиях возникли в результате достижений в области автомобильных покрытий. Эта статья представляет собой краткий исторический обзор эволюции технологии автомобильных покрытий.

Химия ранних автомобильных покрытий: от алкидных до акриловых лаков

Нитроцеллюлозная краска была высокопроизводительной, но финальное покрытие требовало полировки для достижения высокого блеска. Химики красок в 1930-х годах задавались вопросом, смогут ли они каким-то образом найти систему связующего для краски, которая обеспечила бы как производительность, так и лучший внешний вид натуральной масляной смолы. В результате этой работы была разработана первая система алкидных красок. Это был первый «полимер» для покрытий, поскольку он был синтезирован с использованием трех мономеров: фталевого ангидрида, глицерина и линолевой кислоты (рис. 2).Таким образом, химия объединила как синтетические мономеры, так и натуральные продукты, создав систему смол для покрытия, которая обеспечила промежуточные характеристики между синтетическими лаками и натуральными маслами. Учитывая, что эта технология обеспечивает превосходные пленочные свойства, эта новая алкидная краска впервые была коммерциализирована в качестве автомобильной грунтовки. Для науки о покрытиях важно отметить, что в данном случае технология смолы была выбрана для конкретного слоя покрытия всей системы покрытия, что является фундаментальной концепцией, используемой в покрытиях сегодня. Кроме того, химия алкидных покрытий остается основой современной технологии нанесения покрытий.

lamb_figure2web

Лишь в 1950-х годах произошел следующий крупный прорыв в области автомобильных покрытий: использование термопластичных акриловых лаков. К этому времени в американском обществе автомобиль уже не был просто средством передвижения; автомобили стали личным экспонатом, которым владельцы хотели похвастаться перед своими друзьями. Это означало, что покрытия должны были выглядеть лучше и подчеркивать новый изогнутый дизайн кузова того времени. Компания Rohm and Haas Co. разработала новый синтетический полимер на основе полиметилметакрилата в качестве замены стекла, и производители покрытий исследовали, можно ли использовать эту технологию в покрытиях. Эта химия, конечно же, основана на контролируемой полимеризации различных акриловых мономеров для получения полимерной смолы с желаемой молекулярной массой и температурой стеклования.

Оказалось, что технология термопластичной акриловой смолы доминировала на рынке автомобильных покрытий в течение примерно двух десятилетий, с 1950-х по 1970-е годы. Причиной тому был превосходный внешний вид верхнего покрытия, который можно было получить с помощью этих финишных покрытий. Связующее из акриловой смолы обладало высокой вязкостью, учитывая его высокую молекулярную массу (80–100k) и высокую T g.(примерно 70 ° C). Таким образом, покрытия, основанные на этой технологии, необходимо было распылять при относительно низком содержании твердых частиц около 20%. На автомобильном заводе это означало, что наносили несколько слоев верхнего покрытия для достижения желаемой толщины пленки около 2 мил. По сегодняшним меркам это звучит как недостаток, но в то время эта технология акрилового лака имела одно важное преимущество перед предыдущими автомобильными красками: она обеспечивала отличную систему связующего для новейшей технологии пигментных красителей - металлических пигментов.

Пигменты с металлическим эффектом обеспечивают яркие, блестящие цвета автомобиля, которые усиливают восприятие кривизны кузова автомобиля. Эти пигменты подняли автомобильный стиль на новый уровень. Однако для достижения максимального визуального эффекта плоских пластинчатых металлических пигментов они должны располагаться параллельно окрашенной поверхности. Реологический профиль акриловой лаковой краски идеально подходит для достижения этого эффекта: низкая начальная вязкость (с учетом низкого содержания твердых частиц), позволяющая металлическим чешуйкам ложиться ровно, а затем быстрое повышение вязкости (с учетом высокой молекулярной массы и T g  ), чтобы хлопья оставались на месте. Эта технология нанесения покрытия имела такое преимущество при создании цвета, что к 1960-м годам General Motors покрасила практически все автомобили акриловыми лаками.

Защита автомобильного кузова

Технология верхнего покрытия для систем автомобильных покрытий постоянно совершенствовалась, но у автомобилей по-прежнему была серьезная проблема - ржавчина на кузове. Основное достижение в области покрытий в 1970-х годах решило эту проблему: грунтовки для электроосаждения, широко известные как «электронные покрытия». Первое автомобильное электролитическое покрытие было анодным продуктом, разработанным доктором Джорджем Брюэром в Ford около 1957 года. Однако в технологии были недостатки, и PPG Industries представила первую систему катодного электронного покрытия для автомобильных кузовов в 1973 году. автомобильный кузов от ржавчины, эта новая технология грунтовки стала одним из самых больших достижений в технологии автомобильных покрытий.

Рисунок ягненка 3

Современные автомобильные грунтовки с электролитическим покрытием наносятся путем полного погружения собранного кузова автомобиля в большой резервуар, содержащий электронное покрытие на водной основе, а покрытие наносится путем катодного электроосаждения. Это обеспечивает почти 100% покрытие всех металлических поверхностей грунтовкой. Химический состав покрытия представляет собой водоразбавляемую эмаль на основе эпоксидной смолы, аддукта аминоспирта и блокированного изоцианата, которые все сшиваются при обжиге с образованием системы эпокси-уретановой смолы ( рис. 3) . Эта технология смолы в сочетании с превосходным покрытием, обеспечиваемым электроосаждением, обеспечивает одно из наиболее эффективных известных покрытий для защиты от коррозии. Практически все автомобили сегодня используют технологию электронного покрытия в качестве основы своей системы покрытия.

Хотя электронное покрытие обеспечивает отличную защиту от коррозии, у него есть два недостатка для автомобильной системы покрытия: неадекватный внешний вид и плохая фотостабильность. Чтобы решить эти проблемы, в 1980-х годах были разработаны новые автомобильные грунтовки для эмали. Эти грунтовки-выравниватели были разработаны для нанесения на отвержденный электронный слой для получения более гладкой поверхности и улучшения внешнего вида верхнего покрытия, а также обеспечения непрозрачности для защиты грунтовок для электронных покрытий от УФ-излучения. Грунтовочные покрытия часто обеспечивают улучшенную ударопрочность, что также снижает отслаивание камня на покрытии. Комбинация электролитического покрытия и грунтовки-выравнивателя обеспечила общую автомобильную грунтовочную систему с превосходной защитой от коррозии и отличной поверхностью для верхнего покрытия. Это привело к следующему крупному прорыву в технологии автомобильных покрытий: базовые / прозрачные верхние покрытия.

Базовые / прозрачные автомобильные верхние покрытия

Как обсуждалось ранее, автомобильные покрытия из термопластичного акрилового лака, учитывая их превосходный внешний вид, были основным автомобильным верхним покрытием, используемым в 1950-70-х годах. Однако у этих лаковых покрытий был один существенный недостаток: они обладали слабой внешней прочностью. Примерно через один-два года покрытия начнут разрушаться, и требовалось агрессивное восковое покрытие, чтобы «вернуть блеск» этим системам. К 1980-м годам производители автомобилей требовали большей долговечности для автомобильных верхних покрытий, поскольку потребители теперь ожидали, что их автомобили прослужат не менее пяти лет, и они хотели, чтобы автомобиль продолжал выглядеть так, как когда они впервые увидели его в выставочном зале. В то же время, Агентство по охране окружающей среды начало обнародовать новые правила по летучим органическим соединениям (ЛОС), которые ограничивают количество растворителя, которое автомобильное предприятие может выбрасывать в атмосферу. Высокое содержание ЛОС и низкая стойкость акриловых лаковых покрытий больше не были приемлемы на автомобильном рынке.

Рисунок ягненка 4

Итак, как составители автомобильных покрытий смогли достичь более высокого содержания твердых веществ, лучшей долговечности и даже улучшения внешнего вида покрытия? Ответ - это следующий шаг вперед, произошедший в области автомобильных покрытий: технология базового покрытия плюс прозрачного эмалевого покрытия. Теперь вместо однослойного верхнего покрытия разработчики рецептур разработали двухслойную систему, состоящую из базового покрытия, содержащего пигменты для обеспечения красивых цветовых эффектов, за которым следует слой прозрачного полимерного покрытия, защищающего базовое покрытие. И базовое покрытие, и прозрачное покрытие были эмалями на основе акриловых смол с гидроксильными функциональными группами, сшитых с использованием химии меламина (Рисунок 4).Эта новая концепция базовых покрытий / прозрачных эмалевых эмалевых покрытий имела много преимуществ: (1) было достигнуто пониженное содержание растворителя, учитывая низкую молекулярную массу акриловых смол с гидроксильными функциональными группами (приблизительно 10k) и меламинового сшивающего агента с низкой вязкостью, (2) покрытие затвердело до высокая плотность сшивки при выпекании для обеспечения лучших свойств, (3) уникальный слой базового покрытия позволил стилистам использовать еще более эффектные пигменты, и (4) состав прозрачного слоя был разработан таким образом, чтобы обеспечить как лучший внешний вид, так и максимальную защиту для системы покрытия ниже. Эти системы базового покрытия / прозрачного покрытия смогли достичь ранее недостижимого баланса свойств для системы автомобильных покрытий, обеспечивая потрясающий внешний вид и долгую долговечность.

Базовые покрытия на водной основе, новые химические составы сшивок и новые процессы нанесения

В 1990-х годах произошло еще одно важное событие в разработке автомобильных покрытий: использование базовых покрытий на водной основе. Химический состав этих базовых покрытий может варьироваться от водовосстанавливаемых акриловых и сложных полиэфиров до акриловых латексов и полиуретановых дисперсий, но общим фактором является использование воды в качестве одного из основных летучих компонентов. Как правило, целью использования технологии на водной основе является получение более низкого содержания летучих органических соединений и уменьшение воздействия на окружающую среду процесса нанесения покрытия, но это не единственное преимущество использования водных базовых покрытий в автомобилях. Оказывается, автомобильные базовые покрытия на водной основе, учитывая их низкий состав твердых частиц и уникальные реологические профили, часто могут обеспечивать улучшенный внешний вид и металлические эффекты. Таким образом, в некотором смысле,

Автомобильные покрытия с использованием многих новых химикатов сшивания также были разработаны за последние два десятилетия. В центре внимания этой новой химии были лаки, поэтому в дополнение к исходным системам акриловая смола / меламин, теперь существуют системы акрил / силан / меламин, кислота / эпоксид, карбамат / меламин и акрил / изоцианант. Новые важные свойства прозрачных лаков могут быть достигнуты с помощью этих новых химикатов сшивания, таких как улучшенный внешний вид и долговечность, лучшая стойкость к кислотному травлению, а также устойчивость к царапинам и царапинам.

Последний важный шаг вперед в технологии автомобильных покрытий произошел в 2000-х годах, и этот прогресс был направлен на повышение эффективности процесса. На типичном автомобильном сборочном предприятии операция окраски может занимать до половины площади всего предприятия, составлять примерно 40% капитальных затрат сборочного завода, использовать 80% энергии и производить подавляющее большинство CO. 2 и выбросы ЛОС! OEM-производители обратились к поставщикам красок с просьбой найти способ уменьшить эту площадь и стоимость нанесения системы покрытия. Это потребовало от разработчиков красок разработать покрытия, которые можно было бы наносить более эффективно, за меньшее количество этапов и с меньшими потребностями в энергии.

Рисунок ягненка 5

На автомобильных заводах, отвечающих этим критериям, сейчас внедрено множество новых процессов. В качестве примера на Рисунке 5.сравнивает диаграмму типичного автомобильного процесса нанесения грунтовки / верхнего слоя окраски с новейшим процессом нанесения покрытий, который Ford внедрил на многих своих сборочных заводах. Типичный процесс нанесения грунтовки на водной основе, базового покрытия на водной основе и прозрачного лака на основе растворителей включает в себя две запекания в печи и горячую вспышку, и все это требует времени и энергии. Сравните это с новым процессом «3-Wet» в Ford, где грунтовка на основе растворителя, базовое покрытие на основе растворителя и прозрачный лак на основе растворителя наносятся один за другим, а после нанесения всех трех слоев системы покрытия выполняется однократный отжиг. Этот метод нанесения 3-Wet уменьшает площадь покрытия линии покрытия, сокращает общее время процесса окраски и экономит затраты на электроэнергию. Что интересно, Большая часть экономии энергии достигается за счет устранения камеры для грунтовки, а не печи для грунтовки. Перемещение до нескольких сотен тысяч кубических футов в минуту кондиционированного (температуры и влажности) воздуха через окрасочную камеру потребляет гораздо больше энергии, чем природный газ, используемый для нагрева духовки. Другие «компактные» процессы были введены другими производителями автомобилей и используют такие названия, как B1 / B2 или 3-слойная 1-выпечка. По сути, необходимо удалить отдельную камеру для грунтовки и печь, что дает значительную экономию без ущерба для качества. Очевидно, что эти изменения в процессе нанесения требуют изменения состава системы грунтовки / верхнего покрытия, чтобы выдержать процессы мокрого по мокрому. Перемещение до нескольких сотен тысяч кубических футов в минуту кондиционированного (температуры и влажности) воздуха через окрасочную камеру потребляет гораздо больше энергии, чем природный газ, используемый для нагрева духовки. Другие «компактные» процессы были введены другими производителями автомобилей и используют такие названия, как B1 / B2 или 3-слойная 1-выпечка. По сути, необходимо удалить отдельную камеру для грунтовки и печь, что дает значительную экономию без ущерба для качества. Очевидно, что эти изменения в процессе нанесения требуют изменения состава системы грунтовки / верхнего покрытия, чтобы выдержать процессы мокрого по мокрому. Перемещение до нескольких сотен тысяч кубических футов в минуту кондиционированного (температуры и влажности) воздуха через окрасочную камеру потребляет гораздо больше энергии, чем природный газ, используемый для нагрева духовки. Другие «компактные» процессы были введены другими производителями автомобилей и используют такие названия, как B1 / B2 или 3-слойная 1-выпечка. По сути, необходимо удалить отдельную камеру для грунтовки и печь, что дает значительную экономию без ущерба для качества. Очевидно, что эти изменения в процессе нанесения требуют изменения состава системы грунтовки / верхнего покрытия, чтобы выдержать процессы мокрого по мокрому. что приводит к значительной экономии без ущерба для качества. Очевидно, что эти изменения в процессе нанесения требуют изменения состава системы грунтовки / верхнего покрытия, чтобы выдержать процессы мокрого по мокрому. что приводит к значительной экономии без ущерба для качества. Очевидно, что эти изменения в процессе нанесения требуют изменения состава системы грунтовки / верхнего покрытия, чтобы выдержать процессы мокрого по мокрому.

Интересно отметить, что я начал эту историю технологии автомобильных покрытий с обсуждения разработки нового покрытия для повышения производительности черной краски Генри Форда, и теперь, столетие спустя, последние достижения в технологии автомобильных покрытий вернулись к сосредотачиваясь на этой цели.