Элементы отделки автомобильных стекол: история, текущее состояние, перспективы и требования

8 июня 2009

Mr. Nick Westra, Johnson Matthey Colour Technologies Fregatweg 38, 6222 NZ Maastricht, the Netherlands

Аннотация

Использование элементов отделки стекол в автомобильной промышленности началось примерно 40 лет назад, с появлением серебряных паст для шелкографии.

В семидесятых годах прошлого столетия, использование серебросодержащих паст для шелкографии получило широкое распространение для предотвращения запотевания/обледенения задних стекол. Отделка автомобильных стекол начала бурно развиваться, когда автомобилестроители стали внедрять технологию вклеивания стекол в кузова автомобилей. Эта технология потребовала создания дополнительной защиты для полиуретанового клея. Стеклоэмали оказались идеальным решением для этой задачи, а также фактически на долгое время пополнили арсенал используемых продуктов.

В этом обзоре мы постарались осветить главные этапы развития продукции и различных ее видов, используемых при отделке всех типов автомобильных стекол.

История отделки автомобильного стекла

Первыми продуктами, использованными для отделки автомобильных стекол стали серебряные пасты для шелкографии.

Эти пасты можно было применять до обжига (изгибания и закалки) стекла, и в процессе воздействия высокой температуры они вплавлялись в поверхность стекла. Прочное серебряное покрытие, получаемое в результате такого процесса, могло быть использовано для предотвращения запотевания и обледенения задних стекол за счет подключения проводящего покрытия к автомобильному аккумулятору, в результате чего задние стекла подогревались. Благодаря этому использование элементов отделки для автомобильных стекол получило стремительное развитие.

Проводящее покрытие стекла на серебряной пасте

Рис. 1 Проводящее покрытие стекла на основе серебряной пасты

Развитие продукции для отделки стекол автомобилей

Технология вклейки стекол в корпус автомобиля, которая дала многие известные на данный момент преимущества, как производителям, так и водителям автомобилей, имела одно главное препятствие. Полиуретановый клей, который применялся для фиксации стекол в корпусе автомобиля, не выдерживал воздействия ультрафиолетового излучения. Поэтому нужно было оградить его от ультрафиолетовой составляющей обычного дневного света, в противном случае, его свойства быстро ухудшались, и стекло со временем просто выпадало из корпуса автомобиля.

Так как практически все автомобильные стекла подвергаются воздействию высоких температур при любом изгибании или закалке, решение по защите полиуретана было найдено в использовании так называемых стеклоэмалей. Эти стеклоэмали, представляющие собой смесь стеклянной фритты и неорганических пигментов, и наносящиеся на стекло методом шелкографии или трафаретной печати, стали идеальным решением для защиты полиуретана. Стеклоэмали могут наноситься методом трафаретной печати на плоское стекло перед обжигом, после нарезки и шлифовки, непосредственно на производственной линии. Во время закалки стекла, эмали вплавляются в поверхность верхнего слоя стекла и создают очень прочный и плотный слой, который обеспечивает почти 100% защиту от ультрафиолетового излучения. Благодаря этому, новое использование продукта, который существовал уже много десятилетий для украшения других типов стекла, стало реальностью.

Изначально, продукты, используемые для защиты полиуретана, представляли собой обычные черные стеклоэмали. От них не требовалось ничего, кроме способности вплавляться в стекло при той же температуре, при которой поверхность стекла начинает размягчаться в процессе изгибания, а после его остывания, защищать полиуретан от ультрафиолетового излучения. Для этой цели стекла покрывали так называемой черной защитной полосой стеклоэмали. Эта черная полоса была сравнительно узкой, и единственным требованием, предъявляемым к ней, была эффективная защита от ультрафиолетового излучения.

Защитная черная полоса на автомобильном стекле

Рис. 2 Обыкновенная, сравнительно узкая черная защитная полоса на автомобильном стекле

В восьмидесятых годах, требования к автомобильным стеклам изменились в сторону более сложных закругленных поверхностей. Чтобы обеспечить эти требования, в производство автомобильного стекла была внедрена технология изгибания под прессом в печи. Поскольку при этом происходил прямой контакт поверхности стекла с рабочей поверхностью гибочного инструмента на горячей стадии формования, стеклоэмаль, низковязкая на этой стадии нагрева, получала прямой контакт с прессом. Эта технология кардинально изменила требования к стеклоэмали.

Автомобильные стекла более сложной формы потребовали появления более высокотехнологичных продуктов

Рис. 3 Автомобильные стекла более сложной формы и защитные элементы, потребовали появления более высокотехнологичных продуктов

Теперь функциональность стала не единственным требованием, на передний план вышла также способность не прилипать к поверхности пресса. В то же время стала играть свою роль эстетическая составляющая, когда конструкторы и производители автомобилей изучили возможности черной защитной полосы, которая широко применяется в наши дни. Одним из первых дополнительных требований стала «маскировка серебра». Поверх черной защитной полосы на задних стеклах зачастую наносилась серебренная токопроводящая шина для нагревательного контура, в результате чего, снаружи машины ее можно было заметить по более темному оттенку на общем фоне покрытия. Производством было задано требование к эмалям устранить этот эффект, и решение было найдено во внедрении маскировочных характеристик эмалей для закаленного стекла.

В то же время, стали меняться требования к серебряным пастам. К изначальной функции обеспечения подогрева добавились еще дополнительные. Серебряные пасты и их токопроводящие свойства могли быть использованы для реализации дополнительных функций, таких как организация антенн и сигнализаций. Промышленность начала предлагать дополнительные возможности встроенных контуров помимо использования для подогрева, в результате чего серебросодержащие цепи начали появляться не только на задних, но и на остальных стеклах.

В 90-х годах, с обострением проблем защиты окружающей среды, требования к серебряным пастам и стеклоэмалям вновь изменились. В автомобилестроении уже в течение длительного времени действовал запрет на использование кадмия и элементы отделки стекол не содержали этого тяжелого металла. В то же время другие тяжелые металлы, в основном свинец, продолжали использоваться. Поэтому целью стало применение продуктов для отделки не содержащих свинец и кадмий. А так как висмут уже зарекомендовал себя как отличный материал для уменьшения прилипания, теперь было взято направление на расширение его применения в качестве частичного заменителя свинца. Помимо технических трудностей, таких как различие коэффициентов теплового расширения и поведения вблизи температуры плавления, у висмута был другой существенный недостаток перед свинцом  - это его цена. Поскольку этот материал был практически таким же редким как золото, его рыночная стоимость в несколько раз превышала стоимость свинца, и производство должно было учесть эти ценовые различия.

С другой стороны, преимуществом висмутосодержащих эмалей, стало то, что при использовании этого материала, прочность слоя запеченной эмали значительно увеличивалась. Вплоть до наших дней висмутосодержащие материалы, разработанные ранее, отвечают требованиям сопротивления химическому воздействию, с которыми не может сравниться ни один материал.

Различием в материалах было то, что требования к снижению содержания свинца в серебряных пастах было не настолько важным, как в стеклоэмалях, поскольку количество свинца в пастах составляло лишь незначительную долю от его количества в эмалях (примерно 1% для паст по сравнению с 45% в стеклоэмалях). В довершение ко всему, количество серебряной пасты, наносимых в то время на стекло было относительно небольшим по сравнению с количеством эмалей (в среднем 2 грамма пасты против 25 грамм эмалей).

В конце 90-х требования к продуктам продолжали изменяться для различных групп. Под влиянием запросов рынка, направленных на снижение себестоимости материалов, висмутосодержащие эмали видоизменялись, и был интенсифицирован поиск более дешевых альтернатив. Решение было найдено в сочетании систем на основе висмута и цинка. Цинк использовался уже в течение многих лет, но из-за своей недостаточной прочности, не получил широкого применения. Сочетание двух материалов, однако, позволило получить приемлемую альтернативу, и такие смешанные системы на основе висмута и цинка были представлены на рынок. С целью получить еще большее снижение цены, были предложены также системы с использованием исключительно цинка. Они имели определенные ограничения, обусловленные их низкой прочностью, но предлагали больший выбор для производства подобных продуктов, поэтому закономерно заняли свою нишу на рынке.

В изготовлении многослойных стекол уже больше десяти лет использовались относительно простые, содержащие тяжелые металлы эмали, наносимые в процессе моллирования, до тех пор, пока в восьмидесятых годах и здесь не был внедрен метод изгибания стекла под прессом. Основанные на технологии снижения прилипания для закаленного стекла, на рынке появились аналогичные продукты для многослойного стекла. А поскольку они появились во время, когда охрана окружающей среды уже играла важную роль, все они не содержали тяжелых металлов.

Уже почти десятилетие отделка лобовых стекол преимущественно выполняется на поверхности № 2 многослойного стеклопакета (на внутренней стороне внешнего стекла). Необходимость переноса эмали с поверхности № 4 на поверхность № 2 была продиктована дополнительными возможностями, которыми оснащалось стекло для защиты и/или экранирования проводников. Этот тип отделки потребовал использования очень специфического продукта, который бы вплавлялся в одну сторону стекла, и в то же время не прилипал к поверхности второго стекла. С использованием стекол, покрытых оксидами металлов, для защиты внутреннего пространства от воздействия теплового излучения, увеличилась потребность в так называемых эмалях поверхности № 2. Покрытия, в основном применяющиеся для поверхностей № 3 многослойного пакета требовали обрыва края для защиты их от коррозии, и из эстетических соображений этот обрыв необходимо было скрыть. А также в других местах, где требовался обрыв покрытия, необходимо было применение эмалей для того, чтобы скрыть этот эффект.

Современные продукты отделки стекол

В настоящее время ассортимент продуктов широк как никогда из-за многообразия требований. Закаленные эмали не содержат тяжелых металлов, скрывают множество питающих шин от различных цепей, не прилипают, и полностью задерживают ультрафиолетовое излучение (максимальное прохождение 0,01%).

Для нанесения черной защитной полосы, которая наносится на края стекол, используется технология специальной трафаретной печати. Эта технология требует использования стеклоэмалей со специальными свойствами по показателю пригодности к печати и характеристиками обжига.

Несмотря на то, что зачастую считается, что эмали имеют «просто черный» цвет, существует многообразие применяемых оттенков, а прочность обожженного слоя во многих случаях становится главным требованием.

Таким образом, так как конструкции серебряных проводящих покрытий развиваются и изменяются, очень важным становится использование черных защитных полос для защиты и отделки.

В наши дни применение систем, не содержащих тяжелые металлы, для многослойных стекол является официальным требованием многих рынков, и отделка на поверхности № 2 стала обычной и широко применяемой практикой для многих автомобильных марок и моделей. Стандартным стало также использование эмалей, не прилипающих и не содержащих тяжелых металлов. Также все больше используются серебряные пасты на многослойных стеклах. Поэтому защитные свойства эмалей для многослойных стекол также выходят на первый план. Как и в случае с закаленными стеклами, важными стали требования, предъявляемые к цвету и прочности эмалей для многослойных стекол.

Серебряные пасты получили значительное развитие и сейчас используются в различных элементах автомобиля. Их проводимость используется теперь не только для подогрева задних стекол, но и находит применение для многих других функций, таких как: трехмерные задние фонари, стеклоочистители заднего стекла, электронные замки для стекол, которые открываются отдельно. Также получило развитие использование систем, требующих наличие антенн, например мобильных телефонов и GPS, что значительно расширило спектр применения проводящих контуров на основе серебряных паст.

Значительно расширилось комплексное использование серебряных паст и стеклоэмалей для обеспечения возможностей индустрии в изготовлении скрытых серебряных контуров, получаемых при относительно широком температурном диапазоне в процесса обжига. Еще одним значительным изменением в использовании продуктов по сравнению с прошлыми годами, стало влияние эстетики. Контуры подогрева ранее наносились линиями шириной до 1 мм. На данный момент стандартным значением считается 0,3 мм, причем постоянно изыскиваются возможности сделать ширину линий еще меньше.

Проводящие контуры на автомобильном закаленном стекле

Рис. 4 Различные проводящие контуры на основе серебряных паст, нанесенных автомобильное на закаленное стекло методом трафаретной печати.

Перспективы развития области отделки автомобильных стекол

В обозримом будущем требования к продуктам будут непрерывно ужесточаться в сочетании с ростом ограничений, поэтому ключевым фактором будет обеспечение совокупности факторов. Все большее количество тяжелых металлов будет запрещено к использованию, и особенно строгими будут становиться требования к прочности.

На данный момент, технологии отделки, отличные от трафаретной печати, такие как цифровая печать на стекле (CTG), а также технология прямой печати (DOT) потребуют новых продуктов, с совершенно другими прикладными характеристиками.

Будет продолжаться развитие направления использования отделки поверхности № 2 многослойного стекла, и многие стекла повысят свою эффективность за счет внедрения дополнительных функций, таких как снижение уровня шума и контроль температуры внутри салона автомобиля за счет защиты от солнечных лучей. Все эти дополнительные функции потребуют использования стеклоэмалей для отделки поверхности № 2. А поскольку увеличится применение многослойных стекол не только для лобового стекла, обеспечение не прилипания, прочности и защиты серебряных покрытий станут стандартными требованиями.

За последнее десятилетие использование серебряных паст постоянно увеличивается с каждым годом, и с ростом применения дополнительных функций в автомобилях, которые нуждаются в оборудовании антеннами, количество проводящих контуров на основе серебряных паст еще более возрастет.

Эстетическая составляющая также играет все более важную роль, поэтому ширина линий проводящих контуров будет все более уменьшаться. За последние годы средняя толщина уменьшилась с 1 мм до 0,3 мм, следующим этапом станет величина в 0,1 мм. Создание настолько тонких линий потребует появления особо специфичных продуктов, которые вряд ли могут быть сравнены как с теми, которые применялись ранее, так и с теми, которые используются на данный момент.

Все вышесказанное приведет развитие отрасли к необходимости создания высокотехнологичных продуктов с конкурентными ценами.