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        外飾噴涂件用基材與底漆特性對橘皮的影響

        2021-10-21 09:59:46李歡歡韓靜超高成清張立濤孫肖朱永軒李亮亮李釗劉奎印
        電鍍與涂飾 2021年18期

        李歡歡,韓靜超,高成清,張立濤,孫肖,朱永軒,李亮亮,李釗,劉奎印

        (諾博汽車系統(tǒng)有限公司,河北 保定 071000)

        橘皮是涂裝的常見弊病之一,它直接影響到產(chǎn)品的外觀效果。橘皮緣自復(fù)合涂層涂裝時各層平整度的“疊加效應(yīng)”,因此橘皮質(zhì)量控制貫穿了涂料開發(fā)及涂裝的全過程。當前的橘皮改善措施多從面漆層著手,如增大噴涂流量、降低干燥速率等,但收效甚微,不但增加了噴涂成本,而且易導(dǎo)致流掛、痱子等其他漆膜弊病。因此,先對橘皮影響因素展開系統(tǒng)性的研究,再來制定改善對策,對產(chǎn)品外觀的提升才會起到事倍功半的效果。

        本文重點從底漆的粗糙度、底漆的流平性、基材的耐溶劑性等方面對橘皮的影響和相關(guān)的橘皮防治方法進行分析和討論。

        1 基本定義

        1.1 粗糙度

        粗糙度是衡量表面平整度的一個重要指標。在汽車行業(yè)中,粗糙度是車身涂裝工藝中重要的評價指標之一,監(jiān)控對象為車身鋼板與電泳漆膜,測量評價參數(shù)優(yōu)先選用Ra(輪廓算數(shù)平均偏差),必要時可采用Rz(微觀不平十點高度)、Ry(輪廓最大高度)及RPc(輪廓尖峰數(shù))等其他參數(shù)進行輔助評價[1]。乘用車廠基于對外觀的高要求,將鋼板的粗糙度Ra控制在小于1.2 μm(取樣長度0.8 mm,下同),電泳漆膜表面Ra控制在小于0.3 μm。

        粗糙度屬于過程控制特性,需要選取在涂裝現(xiàn)場的產(chǎn)品進行測定,此次研究選用德國霍梅爾T系列便攜式粗糙度儀。為了降低測量誤差,特選取平面造型的測試產(chǎn)品且在靜止狀態(tài)下進行測量。

        1.2 溶解度參數(shù)

        溶解度參數(shù)為內(nèi)聚能密度的平方根,不但可衡量物質(zhì)分子間吸引力,也可以表征物質(zhì)之間的溶解性。

        對于由高聚物和有機溶劑組成的混合體系,若二者溶解度參數(shù)差值的絕對值控制在1.5以內(nèi),則高聚物能被溶劑所溶解。

        在配方設(shè)計時,為了獲得比較理想的涂料溶解和噴涂效果,通常選用多種溶劑進行混合,混合后稀釋劑的溶解度參數(shù)δmix可按式(1)計算。

        式中φi和δi分別為第i個組分的體積分數(shù)和溶解度參數(shù),n為組分數(shù)。

        在涂料配方設(shè)計過程中,溶解度參數(shù)常作為選擇樹脂與溶劑的參考指標,涂料用樹脂與基材塑料的溶解度參數(shù)要盡量接近,以保證二者之間的結(jié)合性能。而混合溶劑除能溶解涂料樹脂之外,與塑料溶解度參數(shù)的差值要盡量大,以保證PC(聚碳酸酯)或PC+ABS(丙烯腈?丁二烯?苯乙烯共聚物)產(chǎn)品涂裝時不發(fā)生燒底缺陷[2]。

        2 基材影響橘皮的因素分析

        2.1 基材平整度對漆膜橘皮的影響

        外飾涂裝件常用材料有PP/EPDM(聚丙烯/乙烯?丙烯?非共軛二烯烴三元共聚物)和PC+ABS兩種,前者用于汽車前后保險杠及下裝飾板成型,后者用于導(dǎo)流板、前格柵、窗框飾板等產(chǎn)品的成型。當前筆者所在公司外飾噴涂件模具的拋光要求為1 000目,依據(jù)表1,注塑毛坯件表面粗糙度Ra遠小于0.1 μm,比照車身鋼板粗糙度的要求,平整度更優(yōu),完全滿足噴涂要求,故本文不針對涂裝前基材的粗糙度影響進行討論。

        表1 注塑模具拋光等級與毛坯件表面粗糙度的關(guān)系Table 1 Relationship between polishing grade of injection mold and surface roughness of blank part

        2.2 基材類型對漆膜橘皮的影響

        選取可可棕、馬爾斯紅2種顏色,匹配同樣的底漆、清漆,垂直懸掛2個不同材質(zhì)的產(chǎn)品進行噴涂,橘皮測量結(jié)果見表2。PC+ABS材質(zhì)產(chǎn)品的長短波均高于PP材質(zhì)產(chǎn)品,尤其是短波。究其原因:PP與PC+ABS基材的噴涂過程中涂料的作用機理不同。PP基材上發(fā)生了溶劑對基材的常溫溶脹作用,而對于PC+ABS材質(zhì),則是溶劑對基材產(chǎn)生了溶解作用,造成了分子鏈段的不規(guī)則運動,從而使基材平整度變差,短波橘皮尤其明顯。

        表2 不同材質(zhì)產(chǎn)品共線涂裝的橘皮數(shù)據(jù)Table 2 Orange peel data for the products of different materials in the same spraying line

        2.3 基材耐溶劑性改善對漆膜橘皮的影響

        PP為非極性結(jié)晶態(tài)高聚物,塑膠涂料中的溶劑大部分為極性溶劑,依據(jù)“相似相溶”原則,非極性物質(zhì)只溶于非極性溶劑,溶劑對PP基材的溶解程度極小,因此下面只針對PC+ABS材質(zhì)進行改善,并確認改善后的橘皮情況。

        通過添加聚酯類抗開裂劑到當前的PC+ABS中,由于該組分耐化學(xué)品性好,因此能有效阻隔溶劑對基材的過度腐蝕。采用專用試劑(醋酸乙酯與正丁醇的體積比3∶1)擦拭后觀察,改善前后的耐腐蝕效果見圖1:改善前表面凹凸不平,有裂紋出現(xiàn);改善后表面平整,無其他明顯變化。

        圖1 PC+ABS產(chǎn)品改善前(a)、后(b)的耐溶劑性對比 Figure 1 Comparison in solvent resistance of PC+ABS product before (a) and after (b) improvement

        隨機選取漢米爾頓白、施華洛蘭2種顏色,匹配相同的底漆、清漆,共線垂直懸掛噴涂不同材質(zhì)的2個產(chǎn)品,橘皮測量結(jié)果見表3??芍哪腿軇┬缘玫礁纳坪箝倨じ纳菩Ч嵘黠@,尤其是短波。

        表3 PC+ABS改善前后導(dǎo)流板橘皮的變化Table 3 Variation of orange peel on PC+ABS deflector before and after improvement

        綜上,開發(fā)噴涂用PC+ABS材料時,將耐溶劑性與涂裝后橘皮質(zhì)量作為定廠的2項重要參考指標,可有效規(guī)避后期外觀質(zhì)量風(fēng)險。

        3 底漆影響橘皮的因素分析

        3.1 稀釋劑溶解性對PC+ABS產(chǎn)品噴涂橘皮的影響

        2.3節(jié)提到,通過提升基材抗腐蝕性可以改善橘皮質(zhì)量,同樣也可以運用溶解度參數(shù)理論,通過調(diào)整底漆稀釋劑來降低對基材的溶蝕,達到相同的效果。常見材料的溶解度參數(shù)調(diào)研結(jié)果見表4,底漆稀釋劑調(diào)整前后的溶解度參數(shù)見表5,調(diào)整前后施華洛蘭色的橘皮變化見表6。

        表4 常用塑料的溶解度參數(shù)Table 4 Solubility parameters of commonly used plastics

        表5 底漆稀釋劑調(diào)整前后的成分對比Table 5 Comparison in composition of primer thinner before and after improvement

        表6 底漆稀釋劑調(diào)整前后橘皮的變化Table 6 Variation of orange peel before and after improvement of primer thinner

        由表4得出PC+ABS基材的溶解度參數(shù)為9.6 ~ 11.2 (J/cm3)1/2,取中值10.4 (J/cm3)1/2,參照表5的底漆成分,按式(1)計算出調(diào)整前底漆稀釋劑的溶解度參數(shù)為9.2 (J/cm3)1/2,與基材相差1.2 (J/cm3)1/2。調(diào)整后底漆稀釋劑的溶解度參數(shù)為8.7 (J/cm3)1/2,與基材的差值為1.7 (J/cm3)1/2,可見調(diào)整前底漆稀釋劑的溶解度參數(shù)與PC+ABS基材更接近,說明原底漆稀釋劑對PC+ABS基材的腐蝕更強,故外觀橘皮質(zhì)量較差。

        3.2 底漆成膜粗糙度的影響

        為了保證與車身涂裝同樣的裝飾性和保護性,汽車塑料件涂裝一般為三層配套體系:底漆、底色漆、清漆。其中底漆主要是保證與塑料件的結(jié)合力,另外也對塑料件外表面不平整的地方(因注塑、打磨等造成)起到填平作用。目前汽車塑料件常用底漆主要由熱塑性丙烯酸樹脂、附著力促進劑、炭黑、鈦白粉、沉淀硫酸鋇、助劑和溶劑組成,顏基比高,細度控制要求較低,這決定了底漆本身就具有一定的粗糙度。

        以PP/EPDM-T20材質(zhì)保險杠為對象,選取同一種底漆,匹配不同干燥速率的稀釋劑,噴涂工藝不變,形成不同粗糙度的底漆漆膜,然后噴涂相同的色漆(炫晶黑)、清漆,漆膜橘皮測試結(jié)果見表7。降低底漆漆膜的粗糙度能明顯降低長短波,尤其是短波。將底漆表面粗糙度控制在0.4 μm以下,就可以最大限度地降低其對橘皮的影響。

        表7 底漆粗糙度對橘皮的影響Table 7 Effect of roughness of primer on orange peel

        底漆的粗糙度與流平性關(guān)聯(lián)較大,一般把降低稀釋劑的干燥速率作為提升流平性的重要措施,但如果稀釋劑過于慢干,濕膜的電導(dǎo)率就會增大,旋杯噴涂的上漆率降低,對外觀顏色及漆膜性能產(chǎn)生負面影響。因此要平衡好底漆稀釋中不同沸點溶劑的搭配比例,降低前期揮發(fā)速率,加快后期揮發(fā),保證噴涂過程不干噴,漆霧回溶性好。

        3.3 底漆黏度、膜厚的變化對橘皮的影響

        降低底漆黏度,涂料分子間相對其自由流動所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力減小,底漆的流動能力增強,對改善橘皮有利,但同時流掛的風(fēng)險增加。底漆膜厚的增加有利于縮短流平時間,使漆膜平整度更好,但又會引起收縮的負面效應(yīng),導(dǎo)致底漆與基材之間的結(jié)合力被削弱。因此,一般依據(jù)涂料供應(yīng)商推薦的底漆膜厚范圍進行噴涂。

        4 結(jié)語

        實施橘皮質(zhì)量的改善必須考慮各方面的因素,而底漆與基材質(zhì)量的控制往往容易被人忽視。以上研究表明,降低底漆粗糙度(小于0.4 μm)、改良底漆稀釋劑對基材的腐蝕程度等措施對橘皮(尤其是短波橘皮)的改善效果突出,證明了底漆與基材是影響短波的重要因素。后期色漆層、清漆層對橘皮的影響研究也需要對標本文的思路開展,綜合分析,才能不斷優(yōu)化漆膜的外觀效果。

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