汽车涂料中炭黑的使用

ingersheim

炭黑是制造各种不同黑色涂料的主要颜料。制造时需要的其他颜料是特效颜料、银色颜料和灰色金属闪光颜料，这些可用来与黑颜料混合。这种混合色彩正逐渐流行起来。
当我们提到黑色颜料在汽车工业的应用，主要是讨论面涂。其实，当我们看到整辆车时，炭黑还有其他有趣的应用。

色流行，对应着一个颜料的压倒性成功：炭黑。
由于汽车制造商的不同，以及生产国家的不同，他们使用了不同的技术。绝大多数汽车制造商使用所说底涂/透明涂层概念。就是指使用一层面涂，单一色彩。这在比较便宜的小汽车和卡车修理业中，十分流行。
当我们讨论到炭黑作为底涂或者中涂，技术要求就是关键。至于面涂和上底漆，色彩就是首先讨论的问题。
色彩必须越黑越好。但是有一个参数不是那么明显，自从炭黑流行以来，整整50年没有测量：就是底色，或者叫色相。
我们都在学校里学过，我们看到黑色是因为所有的阳光都被吸收了，没有反射光。同时，我们知道，很小的颗粒能反射少量的光。在物理学上，正如Mie和Raylight先生发现的那样，波长和颗粒尺寸有关系。对于黑颜料，这意味着炭黑颗粒在最终涂层中的颗粒分布，决定了那一部分波长的光线，会被反射得更好更快。相应的，黑色涂料就会显示出蓝或者棕色相。
以上论述的重要结论是什么呢？

• 1、我们可以说，炭黑的颗粒越小，就越黑
• 2、最终涂层中的颗粒越小，就越稳定，蓝色相就越好
• 3、如果我们使用更大的颗粒，也就是大于20-25nm的颗粒，我们将得到更少的黑色，而得到棕色相
• 4、如果我们使用了合适的微细颗粒，我们将得到最佳的黑色，但是同时会有棕色相。同时还会有微絮凝，这意味着炭黑不够稳定。我们意识到这种微絮凝仅仅影响色彩，但是不会降低遮盖力，也不影响光泽。

                                                                       炭黑颜料在涂层中，主要颗粒尺寸13nm（德固赛，颜料黑FW 200）
什么是最好的黑颜料？五十多年以前，一家德国炭黑制造商，开发了高质量的炭黑颜料，使用的工艺称为德固赛气黑工艺。使用这种工艺，该公司基本上满足了汽车涂料工业的需求。13nm的颗粒尺寸，足够制造出最好的黑色，并能保证很好的涂料稳定性。这类产品需要后处理。
后处理就是后氧化工艺，羧基、羟基、醌基等基团，被增加到了炭黑上面。这些挥发性成分（900度以上）的增加，炭黑颜料更容易分散，稳定性更好。而且，其他性能要求，比如耐候性、两年之后的光泽下降程度，“佛罗里达气候试验”、耐化学品性能，等等都得到了满足。
名列第二的炭黑制造工艺，就是所说的炉黑工艺。以前，这种工艺主要是制造大批量制造的颜料，用于橡胶、印刷油墨和塑料工业。到1960年代，卡博特和哥伦比亚化学推出了微细颗粒的炉黑工艺。经过表面处理，应用性能大大提高，成为气黑工艺的竞争对手。随后，树脂体系该表了，汽车工业的涂料施工工艺也变化了。越来越多的汽车制造商从单涂层转移到双涂层工艺，不仅是金属闪光涂料，还包括uni-coat品牌涂料。而且，根据越来越严格的环保法规，欧洲和北美向水性涂料猛烈转型，现在日本也跟上来了。
透明上底漆是现在使用的体系。直接进行湿―湿涂装，然后一起固化（两涂一干），这样一来，光学和应用性能都在动态变化。上底漆含有颜料，透明涂层主要负责好的流平性和康紫外性能。上底漆的基材是上文所述的醋酸丁酯纤维-聚酯-密胺体系，水性体系中，则是水性丙烯酸-聚氨酯-乳液体系。透明涂层是双组分丙烯酸或者聚氨酯。目前的趋势是粉末透明涂装，将来可能是粉末紫外涂装。同时辅以紫外和刮擦性能优化工艺。
如上文所述，新的上底漆树脂中，以前炭黑制造商的目标是找到最好的黑颜料，色彩一致，意味着深黑色，并且是蓝色相。气黑在水性体系中，具有很好的润湿性能呢。由于颗粒更小，没有经过后处理，所以不用浪费时间重新开发，就能完全达到汽车涂料制造商的色彩要求。
其他公司则开发出复杂的炉黑表面处理工艺，能比较容易地分散，稳定性较好，在水性体系上底漆体系中表现良好。

                                                                                     （卡博特，涂料工业，1998年8月）
对于水性涂料，我们还需要重视另一类重要的产品：润湿剂。对于溶剂型涂料，润湿性能主要是依靠树脂本身的性能，只需要较少的润湿剂，来优化色彩特性。水性体系中，必须使用润湿剂。可以说，炭黑表面的润湿性越好，表现出的黑色和蓝色相就越好。
现在我们得到的颜料黑，颗粒尺寸很小，有的经过后处理，有的没有，有的表面进行了改性，或者进行了传统的氧化工艺，这基本能够满足涂料行业的要求。最终的购买决定，取决于费效比。
在汽车修理行业，炭黑制造商面临的挑战是很明显的。
使用的树脂类型各不相同：
醇酸，丙烯酸-密胺，热塑性丙烯酸，硝基纤维素，醋酸丁酯纤维（CAB），丙烯酸酯以及空气干燥醇酸树脂。所有这些树脂，都能制造出相同的色彩。提到炭黑时，往往是深黑体系，如上所述，相同的微细颗粒产品可以用于面涂或者上底漆。
对于着色系统，颜料黑有很高的着色强度，不容易浮色和发花，稳定性好。至于颗粒尺寸，则属于较大的颜料黑颗粒。有一种最古老，但是仍然流行的颜料，是灯黑工艺制造的灯黑101，由德固赛制造。所有的黑颜料制造商都能提供50nm左右的产品，有些是轻微氧化的，具有很好的分散性，吸油性低，所以能够制造很高颜料黑含量的着色产品。
对于汽车工业来说，可以分包生产的产品，非常多：组件部件、塑料件、内外饰件、轮子、反射镜、轴、发动机铸造等等。汽车行业1999年的全球产值是3.5亿欧元。在本文中，只涉及塑料涂装方面的特殊应用。塑料部件可以进行外部涂装，然后再汽车柱组装厂或者生产线上，进行组装。
塑料是非传导性材料，和生产线的标准工艺不同，很难用静电喷涂的工艺进行涂装。为了使表面导电，我们必须使用一层导电底漆。最容易的办法，就是如上文所述，使用导电的黑色颜料。这种颜料具有极高的表面积，无定形的形态，容易聚集成长链。我们所讨论的，具有这种结构的黑颜料，就是炭黑。炭黑不容易分散，比起一般的颜料来，使用的浓度要大一些。所有的炭黑制造商都销售这种产品，其BET表面积大约是1000平方米，具有很好的DBP吸收性。按照固体树脂计算，炭黑颜料的浓度大约为5--10%，这样就能产生足够的导电能力。
现在，主要的三家制造商，卡博特、哥伦比亚和德固赛，提供了多种黑颜料。选择使用合适的黑颜料，可以解决特定的涂料问题。