汽車塑料件涂裝的綠色解決方案 ——水性塑料件涂料技術(shù)

摘要

結(jié)合國內(nèi)汽車涂料的最新法規(guī)要求和塑料件涂裝的最新動態(tài)，探討塑料件涂裝的綠色解決方案，分析水性塑料件涂料的技術(shù)要點。

作者：掌繼鋒，孟祥玲，朱琳琳 

艾仕得涂料系統(tǒng)（上海）有限公司，上海

隨著綠色可持續(xù)發(fā)展理論和實踐的不斷深化和落實,汽車及零部件(APC,automotivepartsandcomponents)產(chǎn)業(yè)也在研究自己的綠色發(fā)展之路:一方面,輕量化技術(shù),大量的復(fù)合材料,如玻璃纖維?碳纖維和天然纖維增強塑料?熱塑性和熱固性塑料被廣泛應(yīng)用[1];另一方面,綠色涂裝技術(shù),從源頭入手對VOCs(揮發(fā)性有機(jī)化合物)的排放進(jìn)行控制,水性和溶劑型高固體分綠色環(huán)保涂料逐漸被采用[2]?然而,由于水性涂料表面張力較高,以及基材多樣化的特點,所以使水性涂料在塑料件涂裝的推廣過程中遇到了極大困難——涂料同基材的匹配性問題?

總結(jié)了公司近兩年來在塑料件水性涂料開發(fā)過程中的思路和要點,為解決塑料件綠色涂裝過程中的涂料-基材匹配性問題提供了參考?

汽車輕量化趨勢及對涂裝工藝的影響

能源的短缺和環(huán)境危機(jī)的加重促使各國政府對汽車的能耗和排放管控更加嚴(yán)格?數(shù)據(jù)顯示,汽車輕量化與能源消耗有著直接的聯(lián)系?整車質(zhì)量每減少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L,新能源車可以提升10%~11%的續(xù)航里程,還可以降低20%的日常損耗成本以及20%的電池成本?

結(jié)構(gòu)?工藝和材料的優(yōu)化是實現(xiàn)汽車輕量化的3個主要途徑?其中結(jié)構(gòu)輕量化既是成本最低,又是最容易實施的設(shè)計手段,車身和零部件的設(shè)計都可以采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計?復(fù)合材料?鋁鎂合金?高強度鋼是目前整車及零部件企業(yè)研究輕量化材料的三大主要方向[3]?

傳統(tǒng)復(fù)合材料,如PP?PC+ABS?ABS?尼龍6和尼龍66等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于保險杠?擾流板?進(jìn)氣格柵?門護(hù)板?輪眉?后視鏡?加油小門?門把手等傳統(tǒng)領(lǐng)域,新型復(fù)合材料,如碳纖維?SMC(片狀模塑料)?TPO(熱塑性聚烯烴)等正逐步應(yīng)用在車身覆蓋件?尾門?翼子板等新領(lǐng)域?由于復(fù)合材料具有與傳統(tǒng)金屬車身材料完全不同的特性,這使它們的涂裝工藝與金屬車身大不相同?

不同基材的形變的溫度見表1?由表1可知,復(fù)合材料具有較低的形變溫度?目前國內(nèi)零部件行業(yè)普遍采取PP?PC+ABS?ABS共線噴涂,故一般涂料烘烤溫度為80℃,而車身普遍采用140℃烘烤?

目前輕量化材料的涂裝工藝有如下兩種:

（1）與車身共線噴涂工藝

與車身共線噴涂工藝主要是指PP基材零部件與車身一起噴涂中涂?色漆?清漆,然后分開烘烤(圖1)?該工藝的優(yōu)點是零部件跟車身的顏色一致性較好,缺點是零部件材料受限,需要提前噴涂導(dǎo)電底漆,需要在主機(jī)廠建設(shè)2個烘房?

（2）與車身離線噴涂工藝

與車身離線噴涂工藝是指將零部件涂裝放在Tier1(一級供應(yīng)商)或Tier2(二級供應(yīng)商),增加目前零部件裝配企業(yè)的基材種類,跟傳統(tǒng)零部件涂裝方式一致,采用80℃烘烤(圖2)?該工藝的優(yōu)點是充分利用零部件企業(yè)的產(chǎn)能,低溫烘烤;缺點是顏色外觀一致性受到挑戰(zhàn),底漆與不同基材的匹配性受到挑戰(zhàn)(零部件公司通常采用1~2種底漆適配多種基材)?

由于零部件種類繁多,造型復(fù)雜,為了提升涂裝效率,降低能耗,國內(nèi)一般采用零部件與車身離線噴涂的方式?

中國汽車塑料件綠色涂裝進(jìn)展

《中華人民共和國大氣污染防治法》和《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃的通知》是汽車整車及零部件涂裝行業(yè)必須遵循的法規(guī)依據(jù)和行動指南?

在源頭控制方面,強制國標(biāo)GB24409—2020《車輛涂料中有害物質(zhì)限量》已于2020年發(fā)布并執(zhí)行?新國標(biāo)明確了溶劑型和水性零部件涂料施工狀態(tài)下的VOC含量(表2)?

推薦國標(biāo)GB/T38597—2020《低揮發(fā)性有機(jī)化合物含量涂料產(chǎn)品技術(shù)要求》也已于同年發(fā)布,并于次年實施?考慮到當(dāng)時國內(nèi)汽車零部件涂裝行業(yè)低VOC含量的涂料還不成熟,塑料件涂料并未納入其中?但近兩年,一些重點區(qū)域以及一些頭部企業(yè)在新建零部件涂裝線時已經(jīng)明確要求噴涂車間所采用涂料必須參考推薦國標(biāo)中汽車原廠漆的VOC指標(biāo),即水性色漆<420g/L,溶劑型實色漆<520g/L,溶劑型效應(yīng)顏料漆<580g/L和溶劑型清漆<420g/L?

由于零部件具有造型復(fù)雜的特點,使溶劑型高固體分色漆在使用過程中達(dá)不到較好的外觀和顏色效果,故目前國內(nèi)零部件涂裝行業(yè)主推的綠色涂裝工藝為水性導(dǎo)電底漆?水性色漆?溶劑型高固體分清漆?圖3為塑料件水性涂裝工藝,其中閃干,烘干和脫水時間可以根據(jù)線體情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整?

近年國內(nèi)完成的零部件水性涂裝線見表4?

另外,比亞迪常州?富維東陽長春?夢達(dá)馳合肥?延鋒彼歐沈陽新大東?新泉常州等的水性涂裝線也正在建設(shè)中,預(yù)計會在2023年下半年及2024年上半年相繼投產(chǎn)?

以單組分導(dǎo)電底漆現(xiàn)場為例,采用水性涂料配套后,預(yù)計源頭VOC含量減少75%~85%(水性以含水計算),效果顯著?

塑料件用水性涂料的技術(shù)要點

水性涂料與溶劑型涂料的區(qū)別

水性涂料與溶劑型涂料的基本區(qū)別見表6?

由于水性涂料是假塑性流體,黏度會隨著剪切力的增加而減少,這就導(dǎo)致了水性涂料在貯存過程中有較高的黏度,很難發(fā)生沉淀,而在噴涂過程中,需要較高的剪切力和旋杯轉(zhuǎn)速才能得到良好的霧化效果?

水的潛熱比較高,很難在噴涂過程中霧化和揮發(fā),所以水性涂料施工需要嚴(yán)格控溫控濕,一般溫濕度控制范圍為(23±2)℃,(65±5)%,否則波動較大,容易造成脫水不充分,烘干過程中在清漆層出現(xiàn)針孔?起泡等漆膜弊病?

水性涂料-塑料基材匹配關(guān)鍵點

隨著汽車輕量化的發(fā)展,零部件基材的種類愈來愈多,加之水性涂料表面張力較高,很難在塑料表面很好地鋪展和附著,水性涂料-塑料基材匹配性問題變得越來越突出?為了快速篩選出合適的水性塑料件涂料配方,一般采用沖水測試的方法?影響沖水測試結(jié)果的因素有5個方面:測試方法?基材處理方式?基材材質(zhì)?底漆配方?清漆交聯(lián)程度?

1）測試方法:測試結(jié)果受沖水時間?溫度?角度?壓力?噴頭?距離,評價標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響,一般日系車標(biāo)準(zhǔn)較低,不宜采用,公司主要采用大眾?福特?奔馳?特斯拉的測試方法?

2）基材處理方式:PP基材的表面張力低,需要火焰處理來增加基材的表面極性?傳統(tǒng)溶劑型涂料比水性涂料更容易鋪展,對火焰處理要求不高,一般采用普通天然氣處理,表面張力系數(shù)大于38mN/m即可實現(xiàn)較好的附著?由于水性涂料的表面張力系數(shù)只有達(dá)到48mN/m以上才能實現(xiàn)較好的潤濕效果,所以需采用丙烷火焰處理的方式[4]?

3）基材材質(zhì):在近兩年產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn),基材材質(zhì)對水性涂料配套性影響極大?以PP基材為例,提供附著的有效成分是基材中的POE(聚烯烴彈性體),其含量?注塑過程中的分布均勻性均對沖水測試結(jié)果有較大的影響?

4）底漆配方:CPO(氯化聚烯烴)與PP有較類似的物理化學(xué)性質(zhì),一般通過添加CPO的方式提高底漆對基材的附著力,但是過量的CPO會導(dǎo)致底漆本身的表面張力的下降,使色漆很難在底漆上面附著?公司在底漆調(diào)整方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗,能夠根據(jù)客戶的標(biāo)準(zhǔn)和基材的種類進(jìn)行針對性的優(yōu)化?

5）清漆交聯(lián)程度:提高清漆交聯(lián)密度會減少對底層的沖擊,提高沖水通過率?

水性色漆開發(fā)關(guān)鍵點

公司在開發(fā)塑料件用水性色漆時,參考了車身的技術(shù)平臺,并加以適應(yīng)性優(yōu)化,盡可能選用與車身涂料相近的原材料,同時也保證了外觀和顏色的一致性?

但由于塑料件用水性涂料是80℃烘干,在配方設(shè)計時,反應(yīng)速度較車身涂料更快,干濕度也更大?同時,針對不同的底漆搭配,需要根據(jù)其顏基比?反應(yīng)速度?表面張力等指標(biāo)有針對性地調(diào)整色漆配方,提高層間附著力?當(dāng)然,如果是“夾心餅干”的配套方式,調(diào)整時間會較長,難度也較大?公司在近期產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化過程中,對于色漆產(chǎn)品搭配不同供應(yīng)商的底漆?清漆逐漸摸索出一些思路,但是從提高產(chǎn)品的配套性角度,建議客戶底漆?色漆?清漆產(chǎn)品選擇一家供應(yīng)商,減少匹配性風(fēng)險?

綜上所述,在水性涂料項目開發(fā)前期,一定要先確認(rèn)好基材火焰處理方式?基材種類?涂層配套,然后再進(jìn)行開發(fā),否則后期樣件性能認(rèn)可失效的概率較高?目前公司水性體系通過配方調(diào)整,在外觀?性能方面可以達(dá)到與溶劑型體系相當(dāng)?shù)男Ч?

結(jié)語

汽車輕量化的趨勢為零部件企業(yè)引入了大量種類繁多的基材,增加了涂料-基材匹配性風(fēng)險?綠色涂裝的趨勢使水性底漆?水性色漆?溶劑型高固體分清漆的施工工藝逐漸成為發(fā)展的主流?在水性涂料項目開發(fā)前期,要充分考慮火焰處理?基材類型?層間配套等關(guān)鍵因素,以提高樣件性能測試的通過率?

【參考文獻(xiàn)】

[1]王錫春,李文剛.汽車輕量化與涂裝[J].上海涂料,2015,53(1):43-47.

[2]掌繼鋒.新法規(guī)要求下我國汽車塑料件涂裝工藝展望[J].中國涂料,2020,35(7):12-17.

[3]閆福成.中國新能源汽車用涂料和涂裝技術(shù)的發(fā)展[J].中國涂料,2017,32(12):30-34.

[4]朱少成.乘用車外飾件的火焰處理[J].汽車材料與涂裝,2020,62(14):186-188.