汽車(chē)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(guó)內(nèi)汽車(chē)涂料的最新法規(guī)要求和塑料件涂裝的最新動(dòng)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(diǎn)。

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(shí)踐的不斷深化和落實(shí),汽車(chē)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(qiáng)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(duì)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(diǎn),所以使水性涂料在塑料件涂裝的推廣過(guò)程中遇到了極大困難——涂料同基材的匹配性問(wèn)題?

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

汽車(chē)輕量化趨勢(shì)及對(duì)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(guó)政府對(duì)汽車(chē)的能耗和排放管控更加嚴(yán)格?數(shù)據(jù)顯示,汽車(chē)輕量化與能源消耗有著直接的聯(lián)系?整車(chē)質(zhì)量每減少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L,新能源車(chē)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(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的3個(gè)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(shí)施的設(shè)計(jì)手段,車(chē)身和零部件的設(shè)計(jì)都可以采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?復(fù)合材料?鋁鎂合金?高強(qiáng)度鋼是目前整車(chē)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(xiǎn)杠?擾流板?進(jìn)氣格柵?門(mén)護(hù)板?輪眉?后視鏡?加油小門(mén)?門(mén)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(chē)身覆蓋件?尾門(mén)?翼子板等新領(lǐng)域?由于復(fù)合材料具有與傳統(tǒng)金屬車(chē)身材料完全不同的特性,這使它們的涂裝工藝與金屬車(chē)身大不相同?

不同基材的形變的溫度見(jiàn)表1?由表1可知,復(fù)合材料具有較低的形變溫度?目前國(guó)內(nèi)零部件行業(yè)普遍采取PP?PC+ABS?ABS共線(xiàn)噴涂,故一般涂料烘烤溫度為80℃,而車(chē)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(chē)身共線(xiàn)噴涂工藝

與車(chē)身共線(xiàn)噴涂工藝主要是指PP基材零部件與車(chē)身一起噴涂中涂?色漆?清漆,然后分開(kāi)烘烤(圖1)?該工藝的優(yōu)點(diǎn)是零部件跟車(chē)身的顏色一致性較好,缺點(diǎn)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(chǎng)建設(shè)2個(gè)烘房?

（2）與車(chē)身離線(xiàn)噴涂工藝

與車(chē)身離線(xiàn)噴涂工藝是指將零部件涂裝放在Tier1(一級(jí)供應(yīng)商)或Tier2(二級(jí)供應(yīng)商),增加目前零部件裝配企業(yè)的基材種類(lèi),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(diǎn)是充分利用零部件企業(yè)的產(chǎn)能,低溫烘烤;缺點(diǎn)是顏色外觀(guān)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(lèi)繁多,造型復(fù)雜,為了提升涂裝效率,降低能耗,國(guó)內(nèi)一般采用零部件與車(chē)身離線(xiàn)噴涂的方式?

中國(guó)汽車(chē)塑料件綠色涂裝進(jìn)展

《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)打贏(yíng)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的通知》是汽車(chē)整車(chē)及零部件涂裝行業(yè)必須遵循的法規(guī)依據(jù)和行動(dòng)指南?

在源頭控制方面,強(qiáng)制國(guó)標(biāo)GB24409—2020《車(chē)輛涂料中有害物質(zhì)限量》已于2020年發(fā)布并執(zhí)行?新國(guó)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(guó)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(shí)施?考慮到當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)汽車(chē)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(diǎn)區(qū)域以及一些頭部企業(yè)在新建零部件涂裝線(xiàn)時(shí)已經(jīng)明確要求噴涂車(chē)間所采用涂料必須參考推薦國(guó)標(biāo)中汽車(chē)原廠(chǎng)漆的VOC指標(biāo),即水性色漆<420g/L,溶劑型實(shí)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(diǎn),使溶劑型高固體分色漆在使用過(guò)程中達(dá)不到較好的外觀(guān)和顏色效果,故目前國(guó)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(shí)間可以根據(jù)線(xiàn)體情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整?

近年國(guó)內(nèi)完成的零部件水性涂裝線(xiàn)見(jiàn)表4?

另外,比亞迪常州?富維東陽(yáng)長(zhǎng)春?夢(mèng)達(dá)馳合肥?延鋒彼歐沈陽(yáng)新大東?新泉常州等的水性涂裝線(xiàn)也正在建設(shè)中,預(yù)計(jì)會(huì)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(chǎng)為例,采用水性涂料配套后,預(yù)計(jì)源頭VOC含量減少75%~85%(水性以含水計(jì)算),效果顯著?

塑料件用水性涂料的技術(shù)要點(diǎn)

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(jiàn)表6?

由于水性涂料是假塑性流體,黏度會(huì)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(guò)程中有較高的黏度,很難發(fā)生沉淀,而在噴涂過(guò)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(guò)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(dòng)較大,容易造成脫水不充分,烘干過(guò)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(diǎn)

隨著汽車(chē)輕量化的發(fā)展,零部件基材的種類(lèi)愈來(lái)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(wèn)題變得越來(lái)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(cè)試的方法?影響沖水測(cè)試結(jié)果的因素有5個(gè)方面:測(cè)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(cè)試方法:測(cè)試結(jié)果受沖水時(shí)間?溫度?角度?壓力?噴頭?距離,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響,一般日系車(chē)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(cè)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(lái)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(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)較好的潤(rùn)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(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),基材材質(zhì)對(duì)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(guò)程中的分布均勻性均對(duì)沖水測(cè)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(lèi)似的物理化學(xué)性質(zhì),一般通過(guò)添加CPO的方式提高底漆對(duì)基材的附著力,但是過(guò)量的CPO會(huì)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(yàn),能夠根據(jù)客戶(hù)的標(biāo)準(zhǔn)和基材的種類(lèi)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化?

5）清漆交聯(lián)程度:提高清漆交聯(lián)密度會(huì)減少對(duì)底層的沖擊,提高沖水通過(guò)率?

水性色漆開(kāi)發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)

公司在開(kāi)發(fā)塑料件用水性色漆時(shí),參考了車(chē)身的技術(shù)平臺(tái),并加以適應(yīng)性?xún)?yōu)化,盡可能選用與車(chē)身涂料相近的原材料,同時(shí)也保證了外觀(guān)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(jì)時(shí),反應(yīng)速度較車(chē)身涂料更快,干濕度也更大?同時(shí),針對(duì)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(duì)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(shí)間會(huì)較長(zhǎng),難度也較大?公司在近期產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和優(yōu)化過(guò)程中,對(duì)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(hù)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(xiǎn)?

綜上所述,在水性涂料項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期,一定要先確認(rèn)好基材火焰處理方式?基材種類(lèi)?涂層配套,然后再進(jìn)行開(kāi)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(guò)配方調(diào)整,在外觀(guān)?性能方面可以達(dá)到與溶劑型體系相當(dāng)?shù)男Ч?

結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)輕量化的趨勢(shì)為零部件企業(yè)引入了大量種類(lèi)繁多的基材,增加了涂料-基材匹配性風(fēng)險(xiǎn)?綠色涂裝的趨勢(shì)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期,要充分考慮火焰處理?基材類(lèi)型?層間配套等關(guān)鍵因素,以提高樣件性能測(cè)試的通過(guò)率?

【參考文獻(xiàn)】

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