日本Ibiden開發(fā)出高壽命汽車用改性PC玻璃涂層技術

時間：2019-12-10 00:00:00 瀏覽次數(shù)：2347 作者：

由于為了滿足越來越嚴格的環(huán)保法規(guī)，提高電動汽車的競爭力，有必要采用減重技術，因此輕量化改性塑料玻璃市場有望得到加快發(fā)展。汽車塑料件的使用是汽車輕量化的一個重要途徑，并在諸如外板、車窗等重件上獲得牽引力。塑料玻璃的材料是聚碳酸酯（改性PC），它是汽車透明部件如燈罩和儀表板的主要材料。用塑料玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車窗玻璃，在保持其優(yōu)點的同時，必須改善其耐候性和抗劃傷性差的缺點。

前言

全球汽車二氧化碳排放法規(guī)日趨嚴格。另一方面，由于排放丑聞，柴油動力汽車的銷量正在下降，電動汽車、插電式混合動力汽車等電動汽車迅速增加。但是電動汽車也面臨一些問題：例如，由于電池的能量密度較低，行駛里程比內(nèi)燃機驅(qū)動的車輛短。

人們普遍認為，解決這些問題的辦法是提高電池的能量密度，提高動力系統(tǒng)的效率，開發(fā)性能優(yōu)于傳統(tǒng)汽車的電動汽車。由于為了滿足越來越嚴格的環(huán)保法規(guī)，提高電動汽車的競爭力，有必要采用減重技術，因此輕量化改性塑料玻璃市場有望得到加快發(fā)展。

汽車塑料件的使用是汽車輕量化的一個重要途徑，并在諸如外板、車窗等重件上獲得牽引力。例如，纖維增強塑料開始用于結(jié)構(gòu)部件，聚丙烯用作外部部件、尾門等的材料。從20世紀90年代末開始，美國、歐洲和日本的小窗戶（如后三角窗和天窗）都使用塑料玻璃，材質(zhì)一般為改性PC或PMMA（譯者注）。

現(xiàn)在，塑料玻璃也逐漸用于更大的窗戶，如后窗，甚至全景天窗。然而，使用塑料玻璃的車型仍然受到限制。在塑料玻璃市場上，德國Freeglass公司目前生產(chǎn)的產(chǎn)品種類是世界上最多的，偉巴斯特（Webasto）主要生產(chǎn)塑料玻璃車頂天窗；最近，中國申通汽車零部件公司開始為通用汽車生產(chǎn)后三角窗。

汽車用塑料玻璃

為了使塑料玻璃在市場上得到更廣泛的應用，必須降低產(chǎn)品成本，提高玻璃的耐久性。在降低成本方面，由于可以減少零件數(shù)量，從而簡化最終裝配過程，因此集成附加組件是最有效的方式。為了提高玻璃的耐久性，特別是高抗劃傷和耐候性，需要保證塑料玻璃的高性能涂層技術與無機玻璃一樣好。

塑料玻璃的材料是聚碳酸酯（改性PC），它是汽車透明部件如燈罩和儀表板的主要材料。聚碳酸酯具有密度低、導熱性好、抗沖擊性強等優(yōu)點。但也存在一些缺點，這些缺點與耐用性性能密切相關，抗劃傷性低，暴露在紫外線下會變黃，高溫高濕條件下水解會失去抗沖擊性。

在保持優(yōu)勢的同時，提高抗劃傷性和耐候性是必不可少的。還必須滿足各市場對塑料嵌裝玻璃要求：例如歐洲的UN/ECE R43和美國的ANSI/SAE Z26.1。ibiden開發(fā)了一種用于塑料玻璃的硬涂層技術，改善了這些缺點并滿足了市場法規(guī)。

涂層要求

一般來說，改性PC塑料玻璃在表面有一層或幾層硬涂層，以提高抗劃傷性和耐候性。涂層厚度從幾微米到幾十微米不等。

通常有兩種類型的硬涂層：紫外線固化型或熱固化型。每種類型的硬涂層都可以按照要求的規(guī)范使用。室外使用時，通常采用熱固化型硬質(zhì)涂層，因為它比紫外線固化型具有更好的耐候性。

圖1（左）顯示了一般熱固化型涂層的設計和各層的特點。該設計為雙層結(jié)構(gòu)，由底漆和面漆組成。由丙烯酸樹脂組成的底漆層起到面漆和聚碳酸酯基材之間的粘合的作用。由硅酮樹脂組成的面漆可提高耐磨性。這兩層都具有紫外線吸收能力，以提高耐候性。但是，一般硬質(zhì)涂層的塑料玻璃的性能不足以與傳統(tǒng)車窗材料的相匹配。一般的塑料玻璃在室外使用數(shù)年后，會出現(xiàn)兩種主要的缺陷：面層開裂和面層與底漆的界面剝離。需要考慮各硬涂層的降解機理。

圖2（上）展示了底漆的降解，圖2（下）展示了面漆的降解。如圖所示，底漆層中的丙烯酸樹脂因紫外線而發(fā)生氧化降解。這導致丙烯酸樹脂的分子量降低，面漆和底漆之間的層間相互作用（粘合強度）也降低。因此，可能會發(fā)生層間剝落。對于圖2（下）所示的頂涂層，在環(huán)境條件下，頂涂層中發(fā)生競爭反應，即硅醇官能團（Si-OH）的縮聚反應和硅氧烷鍵合的水解反應，前一種反應優(yōu)先發(fā)生。因此，內(nèi)應力大于面漆的機械強度，最終在面漆中出現(xiàn)裂紋。

進行的模型試驗證實了預測的降解機理。如圖3（左）所示，紫外線照射后平均分子量(Mn)下降了約10%。此外，經(jīng)證實，在紫外線照射下，表面涂層的殘余硅醇官能團的產(chǎn)生縮聚，并且表面涂層上的Si-O-Si/Si-OH比率增加，如圖3（右）。因此，有必要開發(fā)一種新的硬質(zhì)涂層，并改進以下三點：

面漆硬度增加
提高面漆與底漆的結(jié)合強度
調(diào)整每層應力平衡

混合硬質(zhì)涂層的抗劃傷和耐候性驗證

混合硬質(zhì)涂層設計如圖1（右）所示。熱固化型硬涂層具有以下特點：首先，在應用的熱固化過程中發(fā)生縮聚反應，導致較高的表面硬度，并減少使用階段內(nèi)應力的時間影響。其次，通過降低底漆的彈性模量，使底漆層能夠緩和由于面漆與PC之間的線膨脹系數(shù)不同而引起的應力集中。最后，通過將兩種材料混合在在分子水平上，面漆和底漆之間的界面層接觸面積顯著增加。

表面涂層的高硬度提高了抗劃傷性，通過形成具有優(yōu)化特性的三層，可以避免裂紋的出現(xiàn)和層間的分離。表面涂層與聚碳酸酯的內(nèi)應力和線膨脹系數(shù)之差越來越大。通過形成中間層和調(diào)整底漆的力學性能，獲得了更好的性能。

在金屬鹵化物燈加速老化試驗中對耐候性進行了評價。十個周期的試驗估計相當于戶外使用一年。圖7（左）顯示了兩個重要的結(jié)果；一個是中間層的影響，另一個是底漆中彈性模量的影響。結(jié)果表明，含中間層的復合硬質(zhì)涂層比不含中間層的復合硬質(zhì)涂層可重復使用30次以上。此外，隨著底漆彈性模量的降低，紫外光循環(huán)次數(shù)增加。通過優(yōu)化底漆的彈性模量，可以使循環(huán)次數(shù)提高10～20次。

據(jù)估計，這種復合涂層可以經(jīng)受80到100次循環(huán)。也就是說，這種混合硬質(zhì)涂層可以在環(huán)境條件下使用8年以上而不會出現(xiàn)問題。接下來，圖7（右）展示示了混合涂層和普通硬涂層的超級紫外線循環(huán)的比較。新的混合涂層的循環(huán)次數(shù)比普通硬涂層高出約30次。

結(jié) 論

用塑料玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車窗玻璃，在保持其優(yōu)點的同時，必須改善其耐候性和抗劃傷性差的缺點。由于表面涂層中的縮聚反應提高了表面硬度，因此可以獲得較高的抗劃傷性能。Ibiden的硬質(zhì)涂層達到了小于2%的⊿H，滿足UN/ECE R43 L級，這意味著可將其安裝在帶雨刷系統(tǒng)的車窗戶上。

此外，混合層具有較高的粘結(jié)性能，并在底漆層中加入應力釋放功能，可獲得較高的耐候性。據(jù)估計，該車窗硬質(zhì)涂層使用壽命至少為8年。基于這種混合硬質(zhì)涂層設計，目前正在開發(fā)一種性能更高的單層硬質(zhì)涂層技術，以提高其價格競爭力。

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