水性免中涂涂裝工藝研究

邢汶平，葛菲，邱昌勝

（安徽江淮汽車股份有限公司工藝工程院，安徽 合肥 230601）

水性免中涂涂裝工藝研究

邢汶平*，葛菲，邱昌勝

（安徽江淮汽車股份有限公司工藝工程院，安徽 合肥 230601）

在汽車涂裝中，水性免中涂涂裝工藝因工藝流程少、污染排放和能耗低而受到愈來愈多的關注，它將成為今后汽車涂裝的主流。本文從涂膜性能指標、面漆顏色效果、閃干流平時間和清漆設計等方面對水性免中涂涂裝工藝進行了研究，分析了清漆厚度、第2道面漆的噴涂遍數(shù)、中間閃干流平時間和旋杯型號選擇對汽車外觀質(zhì)量的影響以及存在的問題，獲得了實現(xiàn)最佳外觀的汽車水性免中涂涂裝工藝方案。

汽車涂裝；水性涂料；免中涂工藝；涂膜外觀

1 前言

傳統(tǒng)3C2B(將中涂 + 色漆 + 清漆稱為3C，中涂及面漆烘干稱為 2B)水性漆涂裝工藝為：前處理─電泳─電泳烘干─涂膠─涂膠烘干─中涂─中涂烘干─面漆─清漆─面漆烘干─打磨拋光─小修─大返修─交驗。水性免中涂涂裝工藝(簡稱B1:B2工藝)在傳統(tǒng)工藝的基礎上取消了中涂及中涂烘干，以噴涂二道面漆層(分別用B1、B2表示)達到中涂+面漆的效果，在保證涂膜質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)了縮短工藝流程、降低污染排放、節(jié)約能耗的目的。水性免中涂工藝與傳統(tǒng)工藝對比見表1，其工藝流程為：前處理─電泳─電泳烘干─強冷─打磨─打膠─膠烘干─面漆 B1─面漆B2─預烘干─清漆─烘干─強冷─檢查。

關于水性免中涂工藝，不同的涂料廠商其命名不同。巴斯夫稱為IPⅡ集成工藝，PPG稱為B1B2緊湊型工藝，杜邦稱為Eco-concept工藝。從技術(shù)路線上分析：IPⅡ集成工藝與B1B2緊湊型工藝具有較強的相似性，可以實現(xiàn)混線生產(chǎn)。從工藝布局及工藝流程的角度而言，IPⅡ集成工藝、B1B2緊湊型工藝與Eco-concept工藝之間都有所區(qū)別。本文主要探討B(tài)1:B2 工藝對汽車外觀質(zhì)量的影響。

表1 3種涂裝工藝的比較Table 1 Comparison between three kinds of coating processes

2 水性免中涂工藝設計

2. 1 汽車涂膜關鍵性能指標

與傳統(tǒng)3C2B水性漆工藝相比，水性免中涂工藝更需要關注的性能指標見表2。

表2 B1:B2涂裝工藝重點關注的性能指標Table 2 Performance indexes emphatically focused in B1:B2 coating process

傳統(tǒng)工藝中，中涂層主要起防紫外線輻射及抗石擊作用。在防紫外線輻射方面，中涂層保護鋼板表面的磷化、電泳涂層，防止紫外線透過表面涂層達到電泳層，使電泳漆膜中的環(huán)氧樹脂吸收能量后發(fā)生粉化。能引起電泳涂層粉化的光譜主要集中在280 ～ 400 nm波長范圍內(nèi)的紫外區(qū)域以及 400 nm以上的可見光區(qū)域。在抗石擊性能方面，有一定膜厚的中涂層對石擊等硬體撞擊有一定的吸能及緩沖作用，起到保護整體涂層附著力的作用。

水性免中涂工藝取消了中涂層，總體膜厚削弱，其技術(shù)難點在于如何在其他涂層上保有中涂層的防紫外線輻射及抗石擊性能。通常顏料或清漆中的抗 UV成分可吸收380 nm以內(nèi)的短波輻射，因此在水性免中涂中調(diào)整原有面漆中的顏料及添加劑的配方，在噴涂過程中嚴格控制各涂層膜厚，用于阻擋280 ～ 400 nm范圍內(nèi)的光對涂層的輻射，并且油漆原料(包括 B1、B2和清漆)選擇聚酯類樹脂及三聚氰胺交聯(lián)劑，使得復合涂層柔韌性更好，對沖擊力的緩沖擴散更為容易。

2. 2 面漆的顏色效果

在傳統(tǒng)水性漆噴涂工藝中，面漆多采用杯+杯的兩道噴涂方式。其中，第1道起上膜遮蓋的作用，第2道旨在調(diào)整旋杯狀態(tài)，使金屬色漆的鋁粉排列統(tǒng)一。

水性免中涂中B1涂層主要起底色及中涂作用，推薦使用淺灰、黑、白、紅4色B1涂料，可實現(xiàn)與所有面漆B2顏色的配套，以保證顏色遮蓋力并降低涂料消耗；B2涂層主要對顏色效果起支撐作用。B2層的噴涂方式對素色漆來講影響較小，但對金屬顏色來說，會決定其鋁粉排列狀態(tài)。若B2采用一道噴涂，會導致部分鋁粉排列效果不理想，輕者造成鋁粉粗糙、橘皮較大(目測)，重者導致發(fā)花、陰陽面等。故涂料廠家多推薦在金屬銀粉漆等顏色的B2噴涂上采用2遍噴涂的模式，以保證外觀顏色效果。

2. 3 閃干流平時間的設計

水性免中涂工藝中，B1、B2和清漆基本為濕碰濕噴涂，在B1與B2間有4 ～ 5 min的流平時間(多為內(nèi)腔噴涂區(qū)域)，B2與清漆間設有預烘房，這就要求B1閃干時達到85% ～ 95%的失水率，B2閃干時達到85% ～93%的失水率，以滿足涂膜的烘干需求。因此，B1層的涂料應設計為較高的施工固體分，以保障B1層一次噴涂膜厚在15 ～ 18 μm，并在短時間內(nèi)達到快速閃干。另外，B1、B2和清漆還要通過助劑及閃干特性達到控制層間獨立性及防互咬的目的，以保證最終的涂膜狀態(tài)。

2. 4 清漆的選擇

水性免中涂工藝推薦使用雙組分(2K)清漆，2K清漆在不同粗糙度底材上較之單組分(1K)清漆對DOI(鮮映性)的反映要好。由于 B1B2工藝少一層中涂，其噴涂清漆前的表面粗糙狀態(tài)略差于傳統(tǒng)工藝，加上 B1B2層高施工固體分及高失水性，更需要采用2K清漆，以消除底材粗糙度的影響。

3 水性免中涂工藝汽車外觀質(zhì)量的影響因素

為了推行水性免中涂工藝，筆者對涂料本身的設計和選型進行了很多改良，以保證水性免中涂工藝的涂膜性能質(zhì)量能夠達到現(xiàn)有汽車廠商的要求。但是，還有一個影響水性免中涂工藝推行的重要因素，那就是在削減膜厚、降低成本后，其涂膜外觀質(zhì)量是否能夠達到傳統(tǒng)水性 3C2B工藝的標準、滿足消費者的需求？針對這一情況，在保證涂料質(zhì)量的前提下，從影響涂膜外觀的工藝參數(shù)、工藝條件及設備等幾大因素進行了外觀噴涂試驗研究，主要考察 DOI、橘皮、色差等參數(shù)，為廣大汽車廠商提供借鑒。

3. 1 清漆膜厚對外觀的影響

采用Durr的Ecobell2旋杯進行噴涂，B2涂層采用兩遍噴涂(旋杯轉(zhuǎn)速50 000 r/min)，排除底材平整度對外觀的影響，考察不同清漆涂膜厚度下的外觀表現(xiàn)，結(jié)果見表3。由表3可見，提高清漆膜厚可以有效改善垂直面涂膜的長短波，膜厚達到50 μm以上時，外觀數(shù)據(jù)已趨于穩(wěn)定，并接近產(chǎn)品的外觀質(zhì)量要求。因此，建議施工清漆膜厚控制在50 μm以上，可使涂膜外觀維持較好的效果。

表3 不同清漆厚度下的橘皮數(shù)據(jù)Table 3 Data of orange peel at different varnish thicknesses

在清漆涂層一次成膜達到50 μm以上的情況下，由于車身曲面較多以及靜電的邊角效應等影響，在車身上較易產(chǎn)生流掛、肥邊等質(zhì)量問題。因此，在考慮設備投資的情況下，可選用水平面 1遍噴涂、垂直面 2遍噴涂的工藝，以控制清漆噴涂膜厚，從而獲得良好的外觀效果。

3. 2 工藝條件及設備的影響

3. 2. 1 B2涂層的噴涂遍數(shù)(1coat/2coat)

采用ABB的RB1000旋杯進行垂直面噴涂，B2涂層分別按一遍噴涂與兩遍噴涂的方案進行試驗，兩遍B2之間的閃干時間為60 s，清漆均采用兩遍噴涂工藝，則銀色漆和紅色漆噴涂工藝參數(shù)見表 4，色差、DOI及橘皮測試結(jié)果見表5。

表4 銀色漆和紅色漆的施工參數(shù)Table 4 Construction parameters for silver and red paints

表5 2種涂料的色差、DOI及橘皮測試結(jié)果Table 5 Test results of color difference, DOI, and orange peel of two types of paints

分析銀色數(shù)據(jù)，B2兩遍噴涂的鋁粉排列較一遍噴涂的好，呈現(xiàn)小角度亮度高、大角度亮度低的結(jié)果，表明鋁粉水平排布的多，這與實際目視情況一致。另外，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，B2兩遍噴涂比一遍噴涂的外觀好，B2一遍噴涂的鋁粉排列不佳，導致目視外觀粗糙，帶有暗紋，而兩遍噴涂的銀色板鋁粉細膩，光澤一致。

分析紅色數(shù)據(jù)，B2兩遍噴涂的顏色比一遍噴涂的更飽滿，明暗度略高，彩度相差不大，一遍噴涂的顏色略顯單薄。

綜合以上試驗結(jié)果，B2的噴涂遍數(shù)對外觀的鮮映性和橘皮影響較小(尤其是素色漆以及珠光漆)，但對金屬色漆的明暗度影響大，金屬感愈強的顏色，目視差異會愈明顯。實際生產(chǎn)時，需要根據(jù)顏色效果的差異設計B2的噴涂遍數(shù)。建議金屬感強或顏色鮮艷的金屬色使用2遍噴涂。

3. 2. 2 中間閃干流平時間的影響

采用ABB的RB1000旋杯進行垂直面噴涂，B2和清漆均采用兩遍噴涂，具體噴涂參數(shù)見表4，2種工藝設計的閃干流平時間a和b的比較如下：

不同流平時間下，2種涂料的色差、DOI及橘皮數(shù)據(jù)見表6。

比較a和b兩種閃干流平時間下的涂膜外觀可知，不同的閃干流平時間對顏色和鮮映性基本無影響，但對橘皮長短波有較小的影響，實際設計時可結(jié)合涂料需求進行生產(chǎn)線的排布。

表6 2種涂料在不同流平時間的色差、DOI及橘皮數(shù)據(jù)Table 6 Data for color difference, DOI, and orange peel of two types of paints at different leveling time

3. 2. 3 旋杯型號(Durr Ecobell2和ABB RB1000)的影響

結(jié)合3.2.1的B2噴涂遍數(shù)影響因素的內(nèi)容，機器人旋杯的選型也會對涂膜外觀產(chǎn)生一定影響，尤其是金屬色漆的B2噴涂。目前，較通用的旋杯型號為Durr的Ecobell2和ABB的RB1000，兩種旋杯的噴涂方式及霧化機理之間存在差異，對顏色效果的實現(xiàn)會有一定的影響。故在開發(fā)新顏色時，應根據(jù)所用噴涂工藝及噴涂旋杯型號進行研究。

4 水性免中涂工藝外觀實現(xiàn)方法

結(jié)合上述對水性免中涂工藝外觀質(zhì)量影響因素的分析，推薦最佳的外觀實現(xiàn)方法如下：

(1) 降低底材的表觀粗糙度，選擇高質(zhì)量外觀的電泳漆，控制電泳后粗糙度≤0.2(取樣長度為0.8 mm)。

(2) 金屬感強及顏色鮮艷的金屬色，可采用B2涂層兩遍噴涂的方式以實現(xiàn)顏色效果，并注意控制B2噴涂的旋杯轉(zhuǎn)速等參數(shù)設置。素色漆采用一遍或兩遍噴涂方式皆可。

(3) 使用2K清漆，建議膜厚控制在50 μm以上，在控制成本的基礎上可達到良好的外觀效果，且推薦清漆 2遍噴涂。考慮到設備投資，則可采用水平面一遍噴涂，垂直面兩遍噴涂的方式較為穩(wěn)妥。

(4) 在滿足濕碰濕要求的前提下，可適當延長涂層的閃干時間。

5 存在的問題

(1) 2K清漆工藝難點。目前，國內(nèi)使用2K清漆主要為保險杠涂裝，整車使用2K清漆的案例較少。由于2K清漆需要雙組分混合，所使用的機器人配備的混合器及相應固化劑管路的日常清洗、保養(yǎng)比一般的機器人都復雜，且一旦有空氣及水泄漏，會導致清漆固化，堵塞管道。故在選用2K清漆的生產(chǎn)過程中應嚴格監(jiān)測，控制2K清漆機器人的管路狀態(tài)及清洗狀態(tài)，防止漏氣漏水導致的管道堵塞。

(2) 材料成本劣勢。由于2K清漆存在作為固化劑的B組分，其價格略高于清漆本身，且2K清漆膜厚需保持在50 μm左右，才能達到橘皮最佳效果，故會造成成本較高。同時，B1、B2等材料的國產(chǎn)化還需要一定的周期，前期需依靠進口。

(3) 垂直面的橘皮情況。本輪實驗垂直面的SW/LW略偏高，并且與水平面的外觀數(shù)據(jù)差異極為明顯，可能是受實驗板及實驗板電泳涂層的影響，后期仍需進一步開展試驗分析驗證，并最終實現(xiàn)整個外觀質(zhì)量的提升。

6 結(jié)語

目前，全球已有戴姆勒克萊斯勒不來梅工廠、寶馬美國(Spartanburg)工廠等多個工廠采用水性免中涂工藝，國內(nèi)眾多汽車廠也越來越關注水性免中涂工藝的發(fā)展。由全球市場來看，水性免中涂新工藝憑借其響應節(jié)能環(huán)保的主題和降低成本等諸多優(yōu)勢，必將迅速在國內(nèi)普及。本文僅從實驗室試驗研究角度，結(jié)合項目建設的需要，對影響水性免中涂工藝外觀質(zhì)量的因素進行分析，以促進水性免中涂工藝在國內(nèi)的推廣應用。

[ 編輯：韋鳳仙 ]

Study on water-based midcoat-free coating process //

XING Wen-ping*, GE Fei, QIU Chang-sheng

In automobile coating, water-based midcoat-free coating process has aroused more and more attention and will became the mainstream for the future due to its shortened process flow, less pollution discharge, and lower energy consumption. In this article, the water-based midcoatfree coating process was studied from aspects of coating performance indexes, topcoat color effect, flash leveling time, and varnish design, etc. The influence of varnish thickness, spraying number for the second topcoat, medium flash leveling time, and rotary cup selection on the automobile appearance quality and some existing problems were analyzed. A scheme for realization of optimal automobile appearance by using the water-based midcoatfree coating process was obtained.

automobile coating; waterborne paint; midcoatfree process; film appearance

Technological Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei 230601, China

TQ639.2

A

1004 – 227X (2012) 06 – 0062 – 04

2012–02–08

2012–02–27

邢汶平（1975–），女，湖北黃梅人，高級工程師，涂裝工藝部技術(shù)總監(jiān)，研究方向為汽車涂裝工藝技術(shù)及材料。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) jacxingwp@126.com。