|
聚氨酯涂料已发展为用于汽车内不同基底材料的主要表面装饰材料。由于其性能和加工技术方面的多样性，聚氨酯可满足不同装置的装饰需求。因此，聚氨酯装饰表面具有视觉与质地印象完美结合的显著优点。 
在汽车内饰中，通过IMC-PU-RIM表面涂覆技术，
皮革、薄膜和合成革集于一体
协调地连接不同材料
在现代客运车辆中，汽车的许多组件和功能单元都集中在驾驶室内。因此对汽车设计者而言，其面临的最大挑战就是要将众多需求冲突在尽可能小的空间内得到解决。做此工作时所需解决的一个极其困难的任务就是实现不同表面之间的协调拼接。这些表面是通过不同技术方法生产的不同材料的联合体。
由于考虑各个方面来从功能和视觉上优化整个部件通常是劳动和资金密集型的，因此部件的表面装饰的重要性正不断提高。将部件的各种功能分到各个层面来实现的方式使得我们可用低成本的特定材料来代替“万能”材料。传统涂料在这里起到了重要的作用，特别是多用途的聚氨酯涂料使得配方设计师能随意地进行配方设计。由于原材料配色板方法的引入，这使得涂层系统之间的差异性变得非常小。
表面材料及其加工技术
天然皮革的修饰 (涂装) 是聚氨酯涂层 (型号：Permuthane，制造商：Stahl Europe bv) 用于表面装饰的最初领域。合成革和由合适覆盖层涂覆的薄膜以使其像皮革而获得了重要的地位并促进了它们的进一步发展。汽车内部不能使人产生晕眩这一特定的高要求也必须得到满足。经典的方法包括使用矿石类消光试剂，但这又会产生不需要的“起霜”效应。Stahl欧洲公司通过结合所选的聚氨酯组分来开发的软涂层 (型号：Polymatte) 可解决这些问题。
现代化的驱动力、灵巧的轮胎设计及符合空气动力学的车体不仅确保汽车具有较低的资源消耗和强劲动力的特征，也降低了汽车的驱动噪音。这自然就会导致避免驾驶过程中由于部件相对运动而产生刺耳噪音的形成。在这点上Polymatte系统也提供了解决方案。他们利用接触部件特殊的表面 (图1所示) 来降低部件间的摩擦力，因而减弱了部件的振动。
图1 基于Polymatte技术的聚氨酯软涂层表面的扫描电镜图片
诸如基于聚氨酯的Permutex涂层的体系含水，具有明显的低释放的特点。即使常规的涂料也能经常满足需求。无论如何，通过使用交联剂，有可能进一步提高制品本已很高的性能来满足耐热性、抗清洁剂和磨损方面的需求。值得一提的是这样的体系具有卓越的抗水解性能。
模具生产技术
然而，客运车辆内部装饰的大部分表面既不是由皮革也不是由合成革组成。这些材料是更典型的奢侈品，虽然这对大部分客户变得越来越重要，但只占很少的市场份额。密集成型或者样式复杂的复合塑料部件通常勾勒出机车的内饰。
最简单的解决方案是采用具有流行风格表面(亚光，光面或者木纹效果)的自着色注塑部件。在绝大多数情况下(可见的)，塑料部件进行了表面装饰，例如：
◆ 着色：装饰性涂层、软涂层或者效果涂层；
◆ 电镀：通常为铬涂层；
◆ 层压薄膜：未展开的或者展开的PVC或者TPO薄膜；
◆ 层压纺织品；
◆ 或者皮革表面。
大部分具有挑战性的设计，两层或者多层复合部件多采用聚氨酯薄膜来作为中间层。除了聚氨酯的“粘合作用”以外，还有补偿小尺寸误差和在系统中起到阻尼作用的功能，典型的例子包括：
◆ 复杂的多层部件具有诸如粉末脂膏表面、RIM表面和模内或者非模内喷涂表面；
◆ 薄膜或者皮革层压部件含有膨胀发泡材料或者纺织物的中间层(图2所示)。 
图2 由聚氯乙烯粉末脂膏层压的真皮汽车门衬和内饰件
在以下两种技术中情况可能有所不同，聚氨酯层为表层并与误差补偿层在同一平面：
◆ 具有弹性体表层的双组分注塑件；
◆ 表层组成部件。
聚氨酯涂料作为多用途的涂层试剂
实际上，迄今为止所有的表面技术证明了涂料所起的作用，特别是那些基于聚氨酯的涂料。它们起到了保护层的功能，防止机械和化学作用对表面的破坏。同样重要的是其满足汽车内部件在视觉上的效果和日益增加的触觉上的需求。但最为重要的是，涂料也必须保护部件抵抗环境的影响以使部件具有长的寿命。
原材料的广效性以及功能性和化学嵌段的分子链长度 (分子量) 提供了大量的可变性。
车内大量组件和表面的协调连接对作为客户调解者的设计师、技师和负责组件和工艺开发的化学家之间的沟通提出了挑战。这不仅涉及制件的颜色，也包括质地、触感和气味。在这种情况下，将这些需求集中到一起由能开发和生产用于所有基底涂层系统的供应商来完成就具有很大的优势。这样，大部分的表面匹配工作就能由涂料供应商来完成。
条件配色是另一个所面临的挑战，它在当前色彩发展趋势的情况下正变得更为重要(条件配色是指两种基底在一种类型的光照下具有同样的颜色，而在不同类型的光照下有不同的颜色)。这是由于所用颜料和染料的性质所致。在这种情况下，当不同的涂层试剂都由同一开发商提供时，从一开始就需要的费时的校正过程就可以跳过了。在经常会面临增加时间和成本压力的情况下，这也更易于考虑不同的应用范围、加工条件以及部件的需求情况等。
欧洲Stahl公司在这方面已经具备更强竞争力。除了配方设计和条件等色即涂料系统的随意等色外，该公司在其自己的装置上(图3所示)合成了许多(聚氨酯)用于二元组分的粘结剂和交联试剂(通常也把其归类为硫化剂)。这就开发了用于对诸如皮革、合成革和弹性泡沫必需的弹性体直至高弹性的涂层体系的应用前景。
图3 合成聚氨脂涂料组分的反应器
涂层装饰表面技术
用于涂层到基底上的最为广泛的工业技术是喷涂(喷漆)。为了对片状材料(薄膜和合成革)和皮革的涂层膜进行选择性控制，其它一些技术也已经发展起来了，这包括：
◆ 通过直接和反向的方法喷漆，在这种方法中，覆盖层被用作临时性的网格状载体。依靠所用的复合物，一层或者更多的涂层被涂覆到部件上，最后一层对实际的基底而言起粘结层的作用。在复合物产生交联后，辅助层就被除去以使表面露出来，然后表面就形成与移除薄膜(隔离纸)的质地相反的图案。
◆ 依靠印刷技术(例如凹版印刷和逆转辊涂布机)，很薄的涂层也能被特别精确地涂覆到部件上。
◆ 除了逆向技术外，轧花技术也可用于在部件表面形成纹理效果。很长时间以来，只是基本的喷涂技术才用于对模铸制品的涂层。掩体技术也有局部的应用。
与上述方法相反的新开发的方法是知名的模内转移涂饰技术（in-mold coating），也称为模内涂布技术（in-mold painting）。在此方法中，涂层被用到组件要装饰表面的底片上，然后用一个载体层对其进行增强。这就生成了一个具有弹性的模塑的表层(粉末脂膏、喷涂或者RIM表面，图4所示)或者一个抛光部件。在汽车内饰件表面技术领域的最新发展 — Skinform、透明涂层注塑成型技术（clean coat molding）和双组分注塑，能被看成是IMC技术的特殊形式。在这些情况下，自由流动的热塑性聚氨酯或者高反应活性的稠密的PU-RIM体系是具有高成模性功能的涂料。迄今为止已建立多年的位于比利时Wetteren的Recticel公司的Colofast工艺归根结底仍是一种IMC工艺。这里所讲的“涂膜”由不含分散剂的具有高反应活性脂肪链双组分聚氨酯体系组成。
图4 IMC-RIM表层加工工艺的流程图
复杂表面的模内涂饰技术
模内技术 (图5所示) 对于像汽车引擎这类大体积部件的加工方面有很大的潜力。由于部件表面的图案是由模具表面来印上的，因此其重现性极好。部件表面光泽的表面很大程度上不受涂层及其应用的影响。由于任何可见的部件并非必须要归入涂层配方的范围内，这就依次使得颜色的设置更为简单，因而更为快速并成本更低。同时，为调整产品触觉性能方面的自由度就更广了，因而能设置更为独立的视觉效果。
图5 不同模内涂饰技术的总结
另一方面，不管怎么说模内技术也有其它一些要求。解决这些问题需要设计师有在这样的涂料体系内的广泛的配方设计经验。聚氨酯漆在许多基底表面都有很强的粘结性能，包括制造 (通过电沉积工艺) 大部分模具表层的镍。因为这个原因，有效的释放试剂就成为了必需，以便能设计出更为可靠的脱模工艺。使用释放剂就使得为了保持制品的表面质量而需要对模具进行清洁。
许多释放剂降低了模具表面的表面张力。为了得到无孔的涂层，IMC涂料的润湿性必须与制件的相匹配。现代涂料系统的VOCs (易挥发有机组分) 含量低，这就提出了一个特别的挑战。十多年以来，水溶性的Permuthane体系已被证明对于大部分生产具有PU-RIM表层 (通常相对于铸造表层而言) 汽车内饰件的各种德国原始设备制造商都是适用的。PU-RIM涂料也特别适用于整个泡沫部件表层(具有致密外表层的弹性聚氨酯泡沫)的装饰，如方向盘的轮缘、非线性的车座枕头或者变速挡旋钮。
除了表面装饰外，不管如何，这项技术也可用于另一方面。通常其它领域应用的低成本的芳香族聚氨酯体系是不褪色的。设计成不褪色的IMC层可防止光线的进入，因而保护部件防止其变色。因此，其对颜色没有特殊的要求。
IMC工艺引起了人们关于其在多色彩模塑表层这一仍是当前发展趋势的领域应用的兴趣。毕竟这给生产具有这类表层的部件的生产者提供了一种比粉末脂膏或者RIM技术更为灵活的工艺。经典的模内涂饰技术也由于与应用日益广泛的聚氨酯喷涂技术(图6所示)相关联而增加了其重要性。这样，厂商就可能用基于低成本的具有更好的机械性能(弹性和抗撕裂性)、更好触摸感和反应活性的聚氨酯体系来具有这类表层的部件。基于脂肪族的聚氨酯又决定部件的视觉和质地效果并保护基底免受光照的影响。
图6 IMC喷涂表层工艺顺序示意图
粉末脂膏表面的装饰又是一个新的挑战。取决于在一系列产品中已用到的材料 — 聚氯乙烯(例如从2006年12开始使用的宝马X5仪表盘)和热塑性聚氨酯(例如宝马6系列仪表盘)，230到250℃的模具温度就是必需的以使聚合物粉末能够熔化。对于漆膜而言，这就意味着其平均峰温约为250℃，并且在200℃以上的受热时间大约是5分钟。然而，解决这个问题已经投入了很多资金，因为与后来的部件上漆相比，IMC上漆方式也能产生诸如高等级皮革颗粒模式(图7所示)的双光泽部件。与未喷涂的聚氯乙烯粉末脂膏表面相比，喷涂额外的优点就是能获得高度耐刮擦、低孔率、无粘性、因而易于清洗的表面，这同时也由于屏蔽效应而大大减少了了部件内气味的散发。
图7 IMC-PVC粉末脂膏技术中具有双光泽效果的双色仪表盘
同时，不论如何，涉及“粗糙”的粉末脂膏表面时，IMC技术的使用也需要遵守无限制的设计自由度。由于喷涂技术的采用，这就对部件的几何形状有限制，因为该工艺需要涂料喷涂器能到达部件表面的每一个区域，以便能在模塑部件的整个表面涂上一层厚度近似相等的漆膜。
IMC技术的上色法
依据已述的加工条件，一些典型的要求也被施加于在模内涂饰技术中采用的涂层系统中。在这里，最为严格的要求之一就是涂料要与设计部件的表面颜色相匹配。简单来说，其原因是部件表面颜色(给人的整个视觉感受)不仅只由喷漆过程决定，也受有时能从根本上改变部件颜色深浅的下游加工步骤的影响，最重要的影响因素 — 在形成喷涂表面图像的模具表面颗粒和精细结构(反相的)也已被进行了描述。从这点可推断出，当与制得部件等效的表面对涂料开发者而言是可行的话，其对于有效的色彩匹配过程具有高度的优势。然而，这并非是决定纯漆膜和最终部件颜色差异的唯一变量。涂料和基底之间的相互化学作用也与老化过程，特别是热致老化过程一样对漆膜的颜色有同样的影响方式。在高温过程，如粉末脂膏加工过程中，老化起到了主要的作用。然而，漆膜和基底之间的相互作用在这里起到的影响更大一些，因为所有的化学过程受温度的指数的影响 (经验规则：温度每增加10 K，化学反应速率就增加一倍)。
因为这些原因，荷兰Waalwijk的Stahl配色实验室在喷漆试验工厂进行越来越多地开发。从由机器人 (图8所示) 控制的涂料涂层开始，由IMC技术喷涂来获得表层所需的后续加工都可以得以执行。这样做最大的好处就是可进行处理聚氨酯部件的数十个试验。
图8 位于荷兰Waalwijk的Stahl配色实验室的喷漆机器人
可进行基于客户要求的工艺开发的可重复性应用
用于IMC技术的涂料
由于IMC所需要求范围复杂，涂料的物理干燥系统只起到了次重要的作用。只有选择性的化学交联才可能满足抗化学试剂(清洁剂，也包括工作液体和辅助试剂)、耐老化、耐磨损和抗刮擦这些要求。由于考虑到这些要求具有无比的可变形，聚氨酯体系在这里就占有了具有支配性的地位。
经典的基于溶剂的体系提供了最大的可变性和简单的工艺过程。这类体系对整个范围内的基底有一套平衡的能力并且材料成本很低。然而，低散发性和环境限制方面不断提高的要求使这类体系越来越被置于次要的地位。此外，低溶剂含量 (高固体性或者水稀释性) 涂料在汽车内饰件领域已使用多年。
由于严格的安全限制 (爆炸保护涂层；实际上用于聚氨酯的所有组分都是可燃的并且形成具有爆炸性的蒸汽/空气混合物)，它们的重要性仅与我们用无溶剂 (低溶剂含量) 体系所能达到的同等性能部件的相当。特别是在采用IMC工艺的情况下，水溶性体系会带来了新的挑战。由于水的蒸发热更高，为了进行物理干燥，水的分散比溶剂体系所需的能量更多(水的蒸发热：2.224 kJ/g；乙酸丁酯：
0.404 kJ/g)。另一个难点就是分散涂料以形成表层时会妨碍内部水分的蒸发。
在进行水溶性体系的配方中，流变学也需要重新进行考虑。虽然传统涂料的粘度实际上是由粘结剂分子量和固态部分的含量所决定的，但这种情况在多相水溶性分散体系中是非常不同的。这类体系的粘度很大程度上不受以液滴形式分散的粘结剂的影响。粘度与固相之间的依存关系是非线性的，并且主要受液滴分散程度的影响。因为这个原因，其流变学通过添加剂，也就是总所周知的增稠剂的加入而得以优化，这与流变学复杂的需求相一致。
水基聚氨酯涂料的碳二亚胺交联
水分散的聚氨酯在其分子链上需要有亲水中心。这通过具有酸性基团的二醇 — 如2,2-二羟甲基丙酸到聚氨酯的分子链上来实现。碳二亚胺对酸性基团有很大的亲和力，这就是为了提高聚氨酯弹性体对水解的稳定性而用它们来去除酸的原因。
Stahl的研究者已利用这个反应来开发了一个在交联领域全新的方法。他们不用之前所知的预聚物，而从连接涂料中的聚氨酯链来生产聚碳二亚胺，聚碳二亚胺 (黑色分子链) 也在其分子链内发生反应 (绿色球体；图9所示)。
图9 用聚碳二亚胺来进行聚氨酯交联的示意图
(蓝色：聚氨酯所带的酸性基团，黄色：三维连接的为止，黑色：聚碳二亚胺，绿色：交联分子间的反应)
这为水溶性双组分聚氨酯体系带来一些技术上的优势。聚氨酯的分散只有在高pH值的情况下才是稳定的。这就意味着包含碳二亚胺交联剂的涂料系统的反应能力被终止并且其粘度几乎不随时间而改变。这就使得即使有相对长的周期中断，也能保持喷涂稳定和较低的喷洗损失。此外，生产线产生结晶的风险也大大地消除了，这使得加工可靠性得以增加，因而喷漆单元的使用率也就更高。
只有当涂料变干并且控制pH值的胺类蒸发后，交联才会高速进行。在实际情况中，这意味着当干燥时间尽可能短时，获得有利的长储存期就可实现。
结论
在采用各种不同的喷漆技术和大量不同的基底来进行表面装饰时，聚氨酯满足为得到那些复杂目标物所需的多样性范围。最新的喷漆技术之一— 模内转移涂饰由于不受表面颜色和质地 (颗粒度和光洁度) 的影响而扩大了部件可能的多样性。与随后的模塑部件喷涂技术相比，该工艺具有明显的成本优势。对当前和将来的机车设计而言，以低成本、不断增加的多样性和更短的开发时间来满足美学和功能性的要求是特别重要的。这个方向上重要的一步在于即使在适宜的模具能被提供之前 (标题图)，在他们的实验室内也能进行与开发相关的匹配内饰件 (例如塑料、皮革、合成革和薄膜)的大表面的实际知识和策略。(end)
|
