Современные технологии повторной отделки автомобилей обладают эффективностью, сравнимой, как минимум. с первоначальной, и даже могут превосходить ее. Каковы тенденции их развития? Какие проблемы существуют и как их решают разработчики?

Потребность в совмещении высокой эффективности с низкотемпературным отверждением привела к появлению ряда интересных разработок, не связанных с УФ-облучением.
В частности, компания DuPont подала патентные заявки на минимум три различных подхода по решению этой проблемы. Система покрытия, которая, по утверждениям, особенно хорошо подходит для грунтовок, используемых для повторной отделки автомобилей [хотя ее можно использовать во многих других областях, в том числе базовые покрытия и прозрачные покрытия], основана на эпоксидной смоле, обладающей минимум одним свойством соли ацетоуксусной кислоты, акриловом, полиэфирном или иным реагирующем компоненте с двумя или более свойствами соли ацетоуксусной кислоты и [блокированном или неблокированном] полиамине в качестве средства создания поперечных связей.
К заявленным преимуществам этой системы относится способность производить покрытия с высоким содержанием твердого вещества, очень быстрая сушка при условиях окружающей среды или сушки с нагревом, а также хорошая устойчивость против растворителей и влаги. Также предлагается использовать систему покрытия из двухкомпонентного акрил-изоцианата, которая осуществляет процесс сушки в два этапа. В результате первоначального быстрого отверждения создается покрытие, достаточно жесткое для того, чтобы его можно было зачистить песком, покрыть сверху другим слоем или удалить из обеспыленной зоны применения. Но только гораздо более медленный процесс полного отверждения создает полностью закаленную поверхность, которую будет гораздо сложнее зачистить песком.
В системе используется гидрокси-акриловый полимер, обладающий также дополнительным аминовым свойством и поперечной связью с полиизоцианатом. Первоначально поперечные связи создаются главным образом между группами амина и изоцианата, что позволяет совместить сравнительно долгий срок хранения с быстрым первоначальным отверждением, а также увеличить период, в течение которого прозрачное покрытие можно зачищать песком и полировать для устранения мелких недостатков. Компания DuPont также заявила, что быструю сушку можно получить путем внедрения в состав сильно разветвленного акрилового полимера или, в качестве альтернативы, сильно разветвленного полиэфирного полиола, либо в базовые покрытия, обладающие слабыми поперечными связями, либо путем добавления полиизоцианата в прозрачные покрытия.
CAB (бутират ацетилцеллюлозы) представляет собой реологическую добавку, которая широко применяется в автомобильных покрытиях. Недавно сообщалось о проведении исследования, в ходе которого подробно изучались эффекты добавления CAB с различным MW (молекулярным весом) на различных уровнях. Исследовался состав полиэфир-акрилового базового покрытия, содержащего хлопья алюминия. Эксперименты с сушкой проводились при температуре 25°C. Проводился мониторинг комплексной вязкости в процессе испарения раствора из сравнительно тонкого образца (0.2 мм). Было отмечено, что САВ с самым высоким MW привел к самому быстрому испарению раствора и улучшенному упорядочиванию хлопьев металла. Сравнение с покрытием, не содержащим CAB, подтвердило, что упорядочивание хлопьев – это не просто свойство степени, с которой пленка сжимается во время сушки; в присутствии САВ создается пленка с более гладкой поверхностью и несколько увеличивается индекс изменения отражающей способности краски при повороте, от 16.5 до 20.7. [однако, можно отметить, что эти испытания проводились на покрытиях на основе растворителей и содержащих малое количество твердого вещества, и эти покрытия не соответствуют нынешним лимитам для летучих органических соединений.

Robodry 2K5 компании Symach обеспечивает очень быструю и дешевую сушку систем повторной отделки путем использования подвижных механизмов сушки ИК-излучением. Фото: Symach

Гораздо более общее решение заключается в применении скоростной ИК-сушки для стандартного покрытия. Итальянская компания Symach утверждает, что ее Symach Process может высушить «все основные марки красок» в течение приблизительно шести минут. Для работы с различными формами деталей и корпуса разновидность этой технологии под названием «Easydry» использует два вертикальных и один горизонтальный ИК-радиатор, которые двигаются вдоль кабины для окрашивания распылением, определяя контуры автомобиля или детали и изменяя их положения для создания равномерного облучения, что похоже на саморегулирующиеся щеточные валики на мойке автомобилей.

Усиление устойчивости против царапин
Современные автомобили производятся с расчетом на более долгий срок службы, и владельцы ожидают, что отделки будут более долговечными. Одним из особенных аспектов этого является ожидание того, что покрытия будут выдерживать неоднократную очистку абразивными щетками, используемыми в автоматизированных мойках автомобилей, а также случайное слабое царапание. К сожалению, но ожидаемо, все время подтверждается тот факт, что ранжирование покрытий зависит от того, какой используется метод испытаний. К наиболее распространенным методам испытаниям относятся следующие:
• Amtec-Kistler: симулятор мойки автомобилей, который вращает щетку над поверхностью тестовой панели. Результаты зависят от того, какая используется щетка, наличия шлифовальных материалов или воды и др.
• Испытания нанесением пятипальцевых царапин: пять наконечников различного диаметра проводятся по тестовой панели. Нагрузку на каждый наконечник можно изменять. Это испытание используется главным образом для нанесения крупных царапин на покрытия, используемых для пластмасс; результаты также оцениваются субъективно.
• Испытания нанесением нано-царапин: вдоль панели проводится игла при постепенном увеличении нагрузки. Объективные данные можно получить для показателей сопротивления против наружных повреждений (ширина борозды) и нагрузки, при которой происходит хрупкое разрушение.
• Прибор для определения твердости царапанием при Табер-тесте: используется игла под воздействием нагрузки, и определятся наличие или ширина борозды. При необходимости нагрузку можно изменять, но, в отличие от испытания нанесением нано-царапин, она постоянна в каждом отдельном испытании.
Была обнаружена как минимум одна явная причина, почему следует ожидать слабую корреляцию, и ее, скорее всего, нельзя назвать особо неожиданной. Когда система из двух покрытий, высушенных УФ-облучением, наносится на пластмассу, обнаруживается, что жесткость базового покрытия оказывает значительное воздействие на устойчивость против царапин, измеренную индентором Эриксена, что значительно повлияло на покрытие, но не на абразивную устойчивость устойчивость согласно Taber, когда воздействию подвергся только верхний слой.
Щетки на мойке автомобилей оставляют очень тонкие царапины шириной лишь 1-2 µm, и глаз человека их увидеть не может. Можно заметить лишь общее рассеяние света, которое производится некоторыми из этих царапин. Оптимальную устойчивость против царапин невозможно получить, повышая жесткость покрытия. Скорее это можно сделать путем увеличения устойчивости против трещин (точка, при которой покрытие более не демонстрирует пластическую деформацию и начинает раскалываться и ломаться). Экспериментальным и теоретическим способами было обнаружено, что лучшим способом достичь этого является сочетание высокой плотности поперечных связей с очень гибкими полимерными цепями.
Несколько компаний уже вывели на рынок прозрачные покрытия этого типа, как для заводского комплектования, так и для повторной отделки. Эти покрытия подвергаются медленному оплавлению после повреждения и восстанавливают большую часть визуального лоска. Аналогичная высокая плотность поперечных связей с цепями жестких полимеров позволяет создать покрытия, обладающие устойчивостью к появлению царапин достаточно высокого уровня, но они затем демонстрируют хрупкое разрушение. К тому же, эти покрытия слишком хрупки и не могут оказывать хорошее сопротивление другим формам стресса и повреждений. Считается, что одним из лучших способов получить структуру такого типа (в системах отверждения облучением) является использование отверждаемых УФ-облучением уретан-акрилатов с низкой температурой стеклования (Tg) и высокой степенью разветвления. Другие исследователи, следовавшие аналогичной цепочкой рассуждений, обнаружили, что фактический уровень Tg отвержденного покрытия не обязательно имеет большое значение, при том условии, что она выше температуры царапания. Однако, было обнаружено, что большое значение имеет ширина кривой Tg.
Использование DMTA (динамический механический термоанализ) позволяет измерить не только Tg, но и изменение коэффициента потери температуры, которую можно представить как кривую, на пике которой находится Tg. Четко определенный пик Tg указывает на наличие общих поперечных связей, и широкая кривая указывает на то, что происходит смешение коротких и длинных цепей между точками, соединенными поперечными связями.

В частности, системы на основе меламин-формальдегида обладают неоднородными свойствами и широкой кривой Tg вследствие поперечных связей внутри меламиноформальдегидной смолы. Этот факт помогает объяснить их слабое сопротивление против царапин в сравнении с полиуретановыми или эпоксидными системами. На основе этих результатов экспериментаторы сделали вывод о том, что можно сравнить сопротивление против царапин у покрытий, содержащих жесткие наночастицы, путем оптимизации поперечных связей в прозрачных покрытиях. Самовосстановление покрытий можно ускорить слабым нагревом посредством (например) домашнего фена. Также было отмечено менее очевидное свойство, когда котором высокая влажность может ускорить оплавление. При этом влага впитывается поверхностью, действующей как одна из форм пластификаторов.
Те же исследователи также отметили, что сопротивление против царапин у покрытий, отверждаемых облучением, во время испытаний слабо зависело от жесткости поверхности. Добавление силоксановой добавки, снижающей трение, усилило сопротивление против царапин. При этом сопротивление появлению наружных повреждений было усилено посредством добавления наночастиц кварца, обладающих свойствами акрилата. Однако эти результаты также показали, насколько сложным может стать создание «оптимального» прозрачного покрытия; наночастицы слабо влияют на сопротивление против царапин, а добавка, снижающая трение, слегка ослабило сопротивление появлению наружных повреждений. К тому же, результаты усиления первоначального УФ-отверждения термообработкой или выдерживанием зависели от добавления этих материалов.
Было проведено сравнение между линейными и разветвленными гидроксиакрилатными полимерами, отвержденными при помощи циклотримера циклогексан диизоцианата. Было четко показано, что внедренные акрилаты с жесткой и высокой основной цепью Tg, обладающие свойствами гидроксила на конце внедренных низких Tg цепей, обеспечило более высокий общий баланс свойств, чем случайные акрилаты.
Помимо повреждений в мойке автомобилей, транспортные средства подвергаются более значительном, но локализованному ущербу от автомобильных ключей, магазинных тележек, сумок и других крупных вещей. Оценка сил, действующих при ущербе такого рода, предполагает, что небольшое увеличение измеренного сопротивления против царапин практически не принесет результат. Все испытанные покрытия продемонстрировали хрупкое разрушение при нагрузках менее 10 Н. При этом крупные царапины могут появиться в результате действия сил на уровне до 30 Н. Чтобы покрытия обладали устойчивостью против такого рода ущерба, потребуется перейти на новый уровень технологий производства покрытий.

Самовосстановление покрытий
В некоторых предыдущих статьях автор рассматривал несколько технологий, которые придают покрытиям свойство самовосстановления после повреждений, более значительных, чем легкие царапины. Большинство из них основаны на внедрении вступающих в реакцию компонентов в микрокапсулах или микроволокнах, которые высвобождают свое содержимое при повреждении. Подобные технологии превосходно подходят для толстых защитных покрытий, но… сможем ли мы когда-нибудь представить, что их можно было бы внедрить в системы базовых/прозрачных покрытий, используемых в автомобильной отделке? Определенно не в качестве общего решения, так как волокна или капсулы можно было бы увидеть – если бы они не были частью самой отделки!
Однако существует альтернативный процесс направленного самовосстановления, который заключается во внедрении в покрытие обратимых поперечных связей. Группа исследователей под руководством профессора Фреда Вудла, работавшая в Университете штата Калифорния, (www.ucla.edu), изучили полимеры Дильса-Альдера (диеновые полимеры), которые разбиваются на мономеры при высокой температуре, но автоматически создают поперечные связи при охлаждении. Так как необходимо определенную критическую температуру – и в рабочих системах эта температура должна быть выше, чем температура, возникающая при любой ИК-волне – покрытия этого типа не являются самовосстанавливающимися в буквальном смысле слова. Однако они не содержат отдельных добавок, и поэтому значительный ущерб прозрачного покрытия можно устранить путем заполнения царапин специальной пастой и использования домашнего фена или кипящей воды.
Также существует и другой вопрос, – заключающийся в появлении достаточного спроса, который бы оправдал коммерческое внедрение такой системы, если покрытия со значительной степенью самовосстановления уже доступны на рынке. Таким образом, несмотря на ограничения, которые накладываются на покрытия повторной отделки ввиду необходимости отверждения при низких температурах и соответствия более жестким экологическим нормам, можно заметить, что современные технологии повторной отделки обладают эффективностью, как минимум сравнимой с первоначальной отделкой – а в некоторых случаях могут даже превзойти ее. Какие изменения произойдут дальше?