汽车清漆升级进行时，使汽车外观持久如新的奥秘-改性2K聚氨酯清漆用于汽车原厂
1 摘要
汽车行业在新四化和“双碳”的大趋势中迎来快速的变革，汽车技术的飞速发展以及整车性能的不断提升给消费者提供了更丰富、更具个性化的选择。整车外观作为消费者购车的关键考量要素之一，也面临着进一步升级的需求。如何提供高品质的外观，并确保其持久如新，是汽车制造商和汽车涂料供应商一直面临的重点挑战。围绕对外观起到主要影响作用的汽车清漆涂层，本文梳理展示了清漆技术的进展，评估了不同技术体系清漆的性能差异，为汽车清漆性能品质的升级指明方向。
2 报告背景
2021年随疫情的控制，全球经济生活逐渐恢复，汽车行业在经历持续低迷后终于迎来复苏。其中，包括中国、韩国及美国等多个地区在内的市场以其更为强劲的增长带动全球逐步恢复车市活力。而车市复苏的同时，市场也经历着快速的变革，从产品结构到业务模式都不断地发生着动态变化，新玩家的入局、新技术的涌现和产品的迭代重塑着竞争格局。
3 报告背景
新兴玩家重塑格局
随着全球新能源和智能驾驶趋势的不断推进，国内外大批新势力车企和科技巨头纷纷入局。传统车企亦积极推陈出新，或构建全新的电动车平台，或设立独立的新品牌向市场推出更智能的电动车产品。在国家政策支持下，我国新能源和智能汽车发展驶入“快车道”，催生了大批新兴玩家。据全国乘用车市场信息联席会统计，仅国内汽车品牌数量已过百，在为消费者提供了更加多元的产品的同时，也加剧了市场的竞争。
双碳战略加速变革
在全球各地环保法规的推动下，汽车制造厂商持续加码可持续的汽车制造。电气化已成大势所趋，循环经济的理念也逐步得到汽车行业的了解和关注。我国随着“碳达峰、碳中和”双碳国家战略的明确，汽车及涂料行业对于节能减碳的关注度显著提升，实施方案逐步落地。整车方面，“以电代油” 正快速推进，新能源汽车的快速发展已成为我国汽车行业发展的主要驱动力之一；零部件方面，持续轻量化的需求推进了“以塑代钢”的进程，全塑尾门和保险杠等应用正逐渐受到市场关注和认可。
外观品质需求持续迭代
尽管汽车设计正经历着巨大的变化，但其外观的重要性始终如一。无论是对传统豪华品牌汽车，还是对新兴势力的智能电动车而言，出色的汽车外观一直都是消费者关注的核心因素。鲜明的色彩、细腻的质感、闪亮的光泽，配合汽车造型决定了消费者对于一款汽车的第一印象。而持久如新的汽车外观更能给车主提供高品质和豪华的体验，助力车企打造高端的品牌形象，实现品牌提升的目标，以获得更多的市场认可。
在汽车整体不断往更环保、更智能、更舒适的方向发展时，汽车外观也已准备好迎接下一轮的升级换代。
面对全新的市场竞争，整车制造企业，尤其是新能源车企将更关注新一代消费者的审美和偏好，希望通过高品质的外观吸引更多关注的目光。而不同基材的应用，也将低温化制造的趋势提上议程。如何实现产品升级，吸引消费者的关注，同时满足节能减碳要求，创造下一款令人眼前一亮的爆款产品，成为车企和涂料供应商不得不思考的重要问题。
4 报告背景
清漆技术升级正当时
为保护车身不被腐蚀，汽车原厂漆被普遍用于汽车行业，并逐渐发展至今天常见的四层涂层体系。其中，汽车清漆是汽车外观的透明保护层，不仅为汽车外观提供平整度和具有光泽的表面，还给车身提供保护，耐日晒、耐酸雨、耐刮擦，是汽车外观持久如新的关键。
清漆技术升级正当时
为提供更高品质的汽车外观，汽车清漆的技术体系在不断地升级，双组分聚氨酯（2KPU）体系已成主流：
双组分聚氨酯（2KPU）体系
5 报告背景
2K PU体系突出的性能优势使其在汽车原厂清漆领域已得到广泛的应用。2019年, 全球范围内清漆的用量大约为31万吨，其中就有40%是2K PU清漆体系，是应用最为广泛的清漆体系，剩下的包括TSA体系和基于不同化学结构的1K技术。
清漆技术体系
随着汽车制造技术的进步和产品迭代，汽车清漆技术体系势必也将进一步升级。科思创希望通过全面且严谨的对标研究，探寻当前及未来清漆技术体系的性能特征，从中获取清漆技术创新升级的启示。
1、升级版汽车清漆将采用哪种技术体系？
2、它们将拥有什么性能特征？
3、新技术体系将为消费者、汽车制造商和汽车涂料供应商带来哪些益处？
科思创作为全球领先的聚氨酯涂料原材料生产商，在汽车原厂清漆领域积累了丰富的专业知识和经验，引领了行业从传统1K向2K PU转化的趋势。本报告通过全球不同清漆技术体系的深入研究，洞见清漆技术体系升级的新趋势。
6 对标实验
揭秘汽车清漆技术升级新风向
该项测试研究于2018年至2019年，与11家原厂制造商合作开展，所有结果均已匿名化。研究的知识产权归科思创所有。该研究的德语版本已发表在2021年第5期《欧洲涂料杂志》上。
研究背景
汽车持久靓丽的外观对于汽车消费者具有很大的吸引力。同时，为车企实现品牌提升、引领市场潮流，提供有力的支持。一种能够提供持久光泽、耐刮擦、耐化学物质的清漆，可帮助汽车外观闪耀夺目并持久如新。
为帮助汽车制造商和汽车涂料供应商了解不同清漆体系的性能差异，本次测试研究了来自全球不同的清漆体系。在2009年至2010年，科思创进行了类似的对标研究，向行业参与厂商揭示了清漆技术发展升级的紧迫需求。十年后，科思创再次联手全球合作伙伴开展深入研究，历时一年，覆盖全球7大常见清漆体系，95个清漆样品*，涉及11家汽车制造商，8家原厂涂料生产商和1家涂料原材料生产商，共同探索全球汽车清漆发展趋势，更为汽车制造商和汽车涂料供应商提供更多汽车清漆技术新选择，更好、更及时地应对日新月异的汽车市场。
*在整个测试过程中，所有的涂料样品都会被重新编号，以确保测试的公正客观性。
7 对标实验
参与企业及实验室概况一览
本次研究邀请了全球各地汽车清漆产业链上的相关企业共同参与，以在研究中更全面地覆盖市场上各类汽车清漆技术体系。
各类汽车清漆技术体系
8 对标实验
样品概况
本研究共测试了95个清漆样品，80个清漆样品为2K PU体系，其中包含52个标准2K PU体系和28个改性2K PU体系；其余的是不同的1K体系，包括单组分热固性丙烯酸体（TSA），Carbamate以及聚氨酯改性的热固性丙烯酸体系，如图1。从这些样本可见在参与研究的欧洲公司中，采用2K PU体系的比例高于全球平均水平。
图1：测试的清漆涂料数量，以技术体系排列
测试中清漆体系定义:
标准2K PU：含羟基的树脂与（聚）异氰酸酯反应得到的氨基甲酸酯交联体系。
硅烷改性2K PU：通过对（聚）异氰酸酯进行硅烷改性，在氨基甲酸酯体系中增加硅氧键。
纳米改性2K PU：通过在氨基甲酸酯体系中增加无机/有机纳米颗粒进行改性。
硅烷&纳米改性2K PU: 综合硅烷及纳米的复合改性。
Carbamate: 部分烷氧基化的三聚氰胺与氨基甲酸酯改性的丙烯酸酯交联的体系。
TSA: 热固型丙烯酸-氨基体系，以丙烯酸酯单体为基本成分，与具有不同官能团的组分反应得到的交联体系。
PU改性TSA: 以丙烯酸酯及氨基树脂为基本成分，加入封闭型固化剂反应得到的单组分交联体系。
9 刮擦测试
测试
针对本次对标研究涵盖的95个汽车清漆体系，超过1,600个样板在德国勒沃库森进行了长达12个月超过2,700次的全面测试，对清漆样品在长期耐候测试前后的干、湿刮擦，耐化学性，微硬度以及玻璃化转变温度等进行严苛的详细测试和记录。研究结果表明不同技术体系之间存在着显著的区别。
刮擦实验
汽车作为日常出行工具，其表面在使用过程中难免会遇到各种磕碰或外力刮擦，影响外观美观。本次研究通过湿刮擦、干刮擦、微刮擦实验，模拟了各种不同条件下汽车清漆表面被刮擦的场景，以深入了解不同清漆技术体系在耐刮擦方面的性能差异。
湿刮擦测试
刮擦一方面来自聚乙烯的毛刷，另一方面来自喷在测试样板上的二氧化硅悬浮液（1L水中加入1.5g二氧化硅粉末），用以模拟暴露于水和溶剂油等物质的环境。完成刮擦后，用水和酒精清洗测试样台。
湿刮擦实验在刮擦前后以及在60℃烘烤修复后进行光泽度表征，并对基于SAEJ 2527DE 耐候标准经过1,000小时的湿气暴露与光照辐射[5]的样板重复这一过程。
图2：Amtec-Kistler实验室规模洗车机
湿刮擦：结果讨论
测试结果展示了硅烷改性和硅烷&纳米改性的2K PU比其他的体系拥有更好的机械强度使得清漆表面不易形成刮痕，湿刮擦后光泽保持率更高，自修复效果突出，且受老化因素影响较小。
10 刮擦测试
图3：初始清漆涂层在湿刮擦测试中的表现，修复前（蓝）和修复后（橙）
如图3，通过对刮擦后立即进行的光泽保持率测试结果来看：硅烷改性和硅烷&纳米改性的2K PU体系的保持率为82%，远高于标准2K PU体系的68%；1K TSA体系在湿刮擦前后的平均光泽保持率上超过了标准2K PU体系，但并未达到硅烷改性2K PU体系的水平。至于60℃，2小时烘烤修复后的光泽保持率，硅烷改性和硅烷&纳米改性的2K PU依旧表现亮眼；1K TSA体系和1K Carbamate体系虽在湿刮擦前后的光泽保持率上超过或接近标准2K PU体系，但其修复后的结果却明显不如标准2K PU体系。
11 刮擦测试
在经过1,000小时的耐候测试后，所有技术体系的涂层表面对湿刮擦的抗性都明显不如耐候测试之前，如图4。因为汽车制造商要求至少4,000小时的测试，因此老化的因素会被进一步放大。也正是由于聚氨酯结构的柔韧性，比起1K体系，老化对2K PU体系的影响更小。老化的影响对于1K Carbamate体系的影响尤甚，平均光泽保持率从67%跌至29%。这一数值与硅烷&纳米改性2K PU体系在耐候老化后72%的光泽保持率，形成了鲜明的对比。改性体系由于良好的湿刮擦抗性，在老化后的光泽保持率优于标准2K PU体系（53%）。
图4：1,000h耐候测试前（蓝）和后（橙）的湿刮擦数据
干刮擦测试
测试采用了耐刮擦试验仪the Crockmeter，装配了刮擦头（正方形，22mm×22mm）并包裹打磨纸（3M 281Q Wetordry, 9MIC）。刮擦头会对涂层表面以22N的恒定作用力施加10次的往复，并在干刮擦后对样板进行光泽度测试。
微刮擦测试
规定载荷下的微刮擦测试在弗劳恩霍夫生产技术及自动化研究所（Fraunhofer Institute for Production Technology and Automation）进行，观察一定负载下刮擦头对涂层造成的划痕。测试以3mm/min的速度将测试样板在压头的负载下进行三次扫描。第一次扫描的是在最小作用力条件下的表面外观。第二次在压头上加入测试材料，引入作用力。作用力以40mN/min的增加速度，从0.1mN增至45mN，同时扫描涂层的表面外观。在第三次的扫描中，再一次观察了在最小作用力的条件下的表面状态以及划痕深度。
干刮擦及微刮擦：趋势分析
干刮擦的测试再一次论证了湿刮擦结果的趋势，改性2K PU体系较标准2K PU体系在干刮擦后的光泽保持率方面具有明显优势，其中硅烷改性的2K PU体系在微刮擦实验中表现最佳，更不容易出现开裂且划痕深度更小。
12 刮擦测试
图5：所有2K PU体系的干刮擦表现
如图5，标准2K PU体系在干刮擦后的平均光泽保持率为43%，对比硅烷改性体系的76%以及纳米改性体系的78%，而三个表现最为优异的是硅烷&纳米改性体系（94%）。另外，结果也表明了经过60℃， 2小时烘烤修复后，大部分标准2K PU体系的修复效果极为明显，光泽保持率可以提升33%。
趋势分析
2K PU体系可灵活设计配方，可采用再生原材料制备生物基体系。用生物基PDI（pentamethylene diisocyanate）作为单体的三聚体固化剂，能够达到与石油基HDI（hexamethylene diisocyanate）接近的干刮擦后的光泽保持率以及修复效果。
13 耐化学性测试
图6：所有清漆样品在微刮擦测试中的表现
在微刮擦实验中，1K和2K清漆的表现截然不同，如图6。1K体系中达到表面开裂的最小作用力要小于2K体系。换句话说，从塑性变形到脆性开裂的转变所需的负载更小。脆性开裂之后，涂层将不再发生修复。微刮擦实验结果表明，相比于1K体系，2K PU体系更不容易发生不可恢复的脆性开裂。
然而，最大作用力下的划痕深度却与1K或2K体系无关。这也反映了不同化学技术及样本会使聚合物交联网络的密度和弹性有所差异。硅烷改性的2K PU网络能够达到最优异的效果，其达到表面开裂所需作用力最大，且涂膜的划痕深度最小。
耐化学性实验
除了日常的磕碰和刮擦外，汽车清漆表面在遇到酸雨及其他化学品时会出现裂痕、气泡等现象，对外观造成不同程度的破坏。本研究通过对各种化学品进行耐化学性测试，以深入了解不同清漆技术体系在耐化学性和修复能力方面的性能差异。
耐化学性测试：
以特定图案滴加化学品在已涂敷相应涂料的测试样板上（样式因不同烘箱从36℃至68℃的升温梯度的差异而单独设计）。该测试使用的化学品包括树胶、硫酸、胰蛋白酶、氢氧化钠溶液等，其中胰蛋白酶通常用作模拟鸟类排泄物对清漆产生的影响。经过30分钟后，用水和清洗剂冲洗掉化学品。当涂层表面开始发生变化，如出现裂痕，气泡以及失光时，记录下此时的温度以用于对比。经过24小时的常温储存，以及60℃，2小时的烘烤修复后，重新观察这些测试样板。
耐化学性：结果讨论
耐化学性测试结果表明，所有的清漆体系都具有良好的耐水性，然而对硫酸溶液以及胰蛋白酶极为敏感。改性2K PU体系普遍能够有效改善耐化学性，其中硅烷&纳米改性的体系拥有最佳的耐化学性。
14 耐化学性测试
图7： 耐化学性测试，由化学品及涂层的化学技术进行分类
如图7，由胰蛋白酶破坏的涂层表面显示出了极强的修复效果，实验发现胰蛋白酶在干燥过程中会发生结晶，减少了渗透腐蚀，因此涂层上的细小破坏就通过塑性变形进行修复。对于胰蛋白酶的破坏，1K体系中，1K TSA体系有较强的修复功能，而在2K体系中，硅烷&纳米改性的2K PU体系比起其他体系会有更好对胰蛋白酶的抗性。
实验表明，硅烷改性的2K PU体系能够有效改善耐化学性，硅烷&纳米改性的体系拥有最佳的耐化学性。
15 测试结果
·改性2K PU体系在所有对比实验中普遍表现更为优异，特别是硅烷改性体系以及体系被纳米粒子进行进一步改性时
·标准2K PU体系拥有极佳的修复能力，但不同的样品间性能存在一定差异
·2K PU体系中，生物基可达到与石油基相近的光泽度保持率和自修复效果
·耐候测试过后的清漆涂层表面往往比起未经过耐候测试的，拥有较差的抗性
·酸溶液，胰蛋白酶，以及树胶对于清漆的腐蚀，要大于碱溶液，蒸馏水这类化学品，这一结果适用于所有技术体系。
不同汽车清漆技术体系性能
以上表格仅针对本次测试中所包含的测试项目进行比较分析，综合各项相关的测试结果进行展示，各个汽车清漆技术体系在其他性能表现的差异并未在此体现。关于不同汽车清漆技术体系更多性能的表现差异，欢迎联系我们的专家进行了解。
16 总结与展望
在历时一整年，对95个汽车清漆体系的样本进行详细的研究后，测试结果表明2K PU体系整体较1K体系在各个性能上具有明显优势，而改性2K PU清漆在此基础上性能进一步提升，符合行业技术升级的大趋势。本研究中，硅烷&纳米改性的2K PU体系展现出了极佳的性能，使得其在汽车原厂漆的应用，尤其在高端车领域，有着广阔的应用前景。
件车身清漆烘烤温度从目前通常的140℃降至80℃，或采用原料更加清洁环保的清漆产品。与1K体系不同，2K PU体系具备通过热潜伏型PU固化剂进行实现低温烘烤的可能性[8,9]。本研究中涵括的低温固化体系和生物基体系样品在外观及耐久性上可实现与传统2K PU清漆体系类似的性能。2K PU体系通过低温固化和生物基的方案，为汽车制造厂商和涂料供应商实现节能减碳，并兼顾卓越品质提供了可能性。
改性2K PU主要优势：
·更闪亮
透明清漆可实现高光亮度的外观，优异的刮擦抗性使光泽更持久。
·更耐用
汽车外表面难免会遇到各种磕碰或化学品腐蚀，改性2K体系良好的机械强度使得清漆表面不易形成刮痕或产生开裂，且可进一步提高材料玻璃化转变温度，使清漆表面不易被腐蚀。
·自修复
2K聚氨酯体系兼顾柔韧性，受到刮擦后，涂层可在一定热作用下，例如太阳照射后，进行自修复。
·可持续
2K聚氨酯清漆体系可灵活设计配方，可制成低温固化体系或生物基体系，在保持性能品质不亚于传统2K聚氨酯体系的同时通过制造过程和原材料环节实现省能源，碳减排。
科思创作为是全球领先的聚氨酯涂料原材料生产商和技术领导者，凭借着严谨的科研精神、丰富的行业经验、以及精准的市场趋势洞察，持续进行产品创新迭代，与汽车制造商和涂料供应商携手共进，为市场提供外观出色、品质超群的升级新产品。
汽车清漆发展面临着性能提升、工艺优化、环保减碳的大趋势，除了通过本项研究围绕不同汽车清漆体系进行性能特征的深入分析对比外，科思创针对辅助工艺优化和更加清洁环保的汽车清漆方案也进行了持续的创新研究，欢迎希望深入了解更多汽车清漆技术方案的汽车制造商和汽车涂料供应商与我们联系。
17 总结与展望
特别鸣谢
科思创涂料与胶粘剂事业部 亚太区应用技术开发部门刘庆兰、陆维熙、覃元昊
