日本Ibiden开发出高寿命汽车用改性PC玻璃涂层技术

时间：2019-12-10 00:00:00 浏览次数：2254 作者：

由于为了满足越来越严格的环保法规，提高电动汽车的竞争力，有必要采用减重技术，因此轻量化改性塑料玻璃市场有望得到加快发展。汽车塑料件的使用是汽车轻量化的一个重要途径，并在诸如外板、车窗等重件上获得牵引力。塑料玻璃的材料是聚碳酸酯（改性PC），它是汽车透明部件如灯罩和仪表板的主要材料。用塑料玻璃代替传统的车窗玻璃，在保持其优点的同时，必须改善其耐候性和抗划伤性差的缺点。

前言

全球汽车二氧化碳排放法规日趋严格。另一方面，由于排放丑闻，柴油动力汽车的销量正在下降，电动汽车、插电式混合动力汽车等电动汽车迅速增加。但是电动汽车也面临一些问题：例如，由于电池的能量密度较低，行驶里程比内燃机驱动的车辆短。

人们普遍认为，解决这些问题的办法是提高电池的能量密度，提高动力系统的效率，开发性能优于传统汽车的电动汽车。由于为了满足越来越严格的环保法规，提高电动汽车的竞争力，有必要采用减重技术，因此轻量化改性塑料玻璃市场有望得到加快发展。

汽车塑料件的使用是汽车轻量化的一个重要途径，并在诸如外板、车窗等重件上获得牵引力。例如，纤维增强塑料开始用于结构部件，聚丙烯用作外部部件、尾门等的材料。从20世纪90年代末开始，美国、欧洲和日本的小窗户（如后三角窗和天窗）都使用塑料玻璃，材质一般为改性PC或PMMA（译者注）。

现在，塑料玻璃也逐渐用于更大的窗户，如后窗，甚至全景天窗。然而，使用塑料玻璃的车型仍然受到限制。在塑料玻璃市场上，德国Freeglass公司目前生产的产品种类是世界上最多的，伟巴斯特（Webasto）主要生产塑料玻璃车顶天窗；最近，中国申通汽车零部件公司开始为通用汽车生产后三角窗。

汽车用塑料玻璃

为了使塑料玻璃在市场上得到更广泛的应用，必须降低产品成本，提高玻璃的耐久性。在降低成本方面，由于可以减少零件数量，从而简化最终装配过程，因此集成附加组件是最有效的方式。为了提高玻璃的耐久性，特别是高抗划伤和耐候性，需要保证塑料玻璃的高性能涂层技术与无机玻璃一样好。

塑料玻璃的材料是聚碳酸酯（改性PC），它是汽车透明部件如灯罩和仪表板的主要材料。聚碳酸酯具有密度低、导热性好、抗冲击性强等优点。但也存在一些缺点，这些缺点与耐用性性能密切相关，抗划伤性低，暴露在紫外线下会变黄，高温高湿条件下水解会失去抗冲击性。

在保持优势的同时，提高抗划伤性和耐候性是必不可少的。还必须满足各市场对塑料嵌装玻璃要求：例如欧洲的UN/ECE R43和美国的ANSI/SAE Z26.1。ibiden开发了一种用于塑料玻璃的硬涂层技术，改善了这些缺点并满足了市场法规。

涂层要求

一般来说，改性PC塑料玻璃在表面有一层或几层硬涂层，以提高抗划伤性和耐候性。涂层厚度从几微米到几十微米不等。

通常有两种类型的硬涂层：紫外线固化型或热固化型。每种类型的硬涂层都可以按照要求的规范使用。室外使用时，通常采用热固化型硬质涂层，因为它比紫外线固化型具有更好的耐候性。

图1（左）显示了一般热固化型涂层的设计和各层的特点。该设计为双层结构，由底漆和面漆组成。由丙烯酸树脂组成的底漆层起到面漆和聚碳酸酯基材之间的粘合的作用。由硅酮树脂组成的面漆可提高耐磨性。这两层都具有紫外线吸收能力，以提高耐候性。但是，一般硬质涂层的塑料玻璃的性能不足以与传统车窗材料的相匹配。一般的塑料玻璃在室外使用数年后，会出现两种主要的缺陷：面层开裂和面层与底漆的界面剥离。需要考虑各硬涂层的降解机理。

图2（上）展示了底漆的降解，图2（下）展示了面漆的降解。如图所示，底漆层中的丙烯酸树脂因紫外线而发生氧化降解。这导致丙烯酸树脂的分子量降低，面漆和底漆之间的层间相互作用（粘合强度）也降低。因此，可能会发生层间剥落。对于图2（下）所示的顶涂层，在环境条件下，顶涂层中发生竞争反应，即硅醇官能团（Si-OH）的缩聚反应和硅氧烷键合的水解反应，前一种反应优先发生。因此，内应力大于面漆的机械强度，最终在面漆中出现裂纹。

进行的模型试验证实了预测的降解机理。如图3（左）所示，紫外线照射后平均分子量(Mn)下降了约10%。此外，经证实，在紫外线照射下，表面涂层的残余硅醇官能团的产生缩聚，并且表面涂层上的Si-O-Si/Si-OH比率增加，如图3（右）。因此，有必要开发一种新的硬质涂层，并改进以下三点：

面漆硬度增加
提高面漆与底漆的结合强度
调整每层应力平衡

混合硬质涂层的抗划伤和耐候性验证

混合硬质涂层设计如图1（右）所示。热固化型硬涂层具有以下特点：首先，在应用的热固化过程中发生缩聚反应，导致较高的表面硬度，并减少使用阶段内应力的时间影响。其次，通过降低底漆的弹性模量，使底漆层能够缓和由于面漆与PC之间的线膨胀系数不同而引起的应力集中。最后，通过将两种材料混合在在分子水平上，面漆和底漆之间的界面层接触面积显著增加。

表面涂层的高硬度提高了抗划伤性，通过形成具有优化特性的三层，可以避免裂纹的出现和层间的分离。表面涂层与聚碳酸酯的内应力和线膨胀系数之差越来越大。通过形成中间层和调整底漆的力学性能，获得了更好的性能。

在金属卤化物灯加速老化试验中对耐候性进行了评价。十个周期的试验估计相当于户外使用一年。图7（左）显示了两个重要的结果；一个是中间层的影响，另一个是底漆中弹性模量的影响。结果表明，含中间层的复合硬质涂层比不含中间层的复合硬质涂层可重复使用30次以上。此外，随着底漆弹性模量的降低，紫外光循环次数增加。通过优化底漆的弹性模量，可以使循环次数提高10～20次。

据估计，这种复合涂层可以经受80到100次循环。也就是说，这种混合硬质涂层可以在环境条件下使用8年以上而不会出现问题。接下来，图7（右）展示示了混合涂层和普通硬涂层的超级紫外线循环的比较。新的混合涂层的循环次数比普通硬涂层高出约30次。

结论

用塑料玻璃代替传统的车窗玻璃，在保持其优点的同时，必须改善其耐候性和抗划伤性差的缺点。由于表面涂层中的缩聚反应提高了表面硬度，因此可以获得较高的抗划伤性能。Ibiden的硬质涂层达到了小于2%的⊿H，满足UN/ECE R43 L级，这意味着可将其安装在带雨刷系统的车窗户上。

此外，混合层具有较高的粘结性能，并在底漆层中加入应力释放功能，可获得较高的耐候性。据估计，该车窗硬质涂层使用寿命至少为8年。基于这种混合硬质涂层设计，目前正在开发一种性能更高的单层硬质涂层技术，以提高其价格竞争力。

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