汽車保險(xiǎn)杠水性漆工藝應(yīng)用研討

高明，張煥亮，毋瑩，李蘭蘭

（浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

根據(jù)《京津冀及周邊地區(qū)2018-2019 年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅(jiān)行動(dòng)方案》(以下簡(jiǎn)稱《方案》)要求，自2019 年1 月1 日起，“2 + 26”城市中汽車原廠涂料即用狀態(tài)下的VOCs(揮發(fā)性有機(jī)化合物)含量限值為580 g/L。2020 年3 月4 日國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布了強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 24409-2020《車輛涂料中有害物質(zhì)限量》，對(duì)汽車用零部件涂料中的VOCs 進(jìn)行了限量要求，底漆為≤700 g/L，色漆≤770 g/L，清漆≤560 g/L。隨著國(guó)家環(huán)保壓力的持續(xù)加大，VOCs 的排放管控越來(lái)越嚴(yán)格，采用低VOC 的環(huán)境友好型涂料(如水性漆)替代溶劑型涂料，是較徹底地解決VOCs對(duì)大氣污染的治本措施。

1 現(xiàn)狀調(diào)研

從表1 可以看出，溶劑型底漆和溶劑型色漆均不滿足《方案》中VOCs 低于580 g/L 的要求。對(duì)體系內(nèi)部各供應(yīng)商的低溫溶劑型產(chǎn)品的橫向排查也可確定目前使用的溶劑型底漆和色漆均不滿足排放要求。

表1 某基地保險(xiǎn)杠噴涂生產(chǎn)線上溶劑型3C1B 涂料在施工狀態(tài)下的VOCs 含量 Table 1 Contents of VOCs in solvent-based paints used in 3C1B process for spraying bumpers under working conditions

從表2 可以看出，國(guó)內(nèi)汽車保險(xiǎn)杠的主流噴涂工藝依然為溶劑型3C1B 工藝，只有部分廠商的底漆或/和色漆采用了水性漆工藝。究其原因，主要有二：一是水性漆與施工特性有關(guān)，其施工難度、施工條件等均比溶劑型油漆更大或更高；二是各地區(qū)的環(huán)評(píng)/環(huán)保單位也要求采用水性漆，但對(duì)于新建的主機(jī)廠，保險(xiǎn)杠噴涂與車身噴涂是作為一個(gè)整體申報(bào)時(shí)保險(xiǎn)杠噴涂比車身涂裝小得多，即對(duì)于主機(jī)廠而言，其水性漆的總占比還是滿足要求的。而對(duì)于零部件廠而言，涂料的水性化勢(shì)必是未來(lái)的趨勢(shì)和發(fā)展方向。

表2 國(guó)內(nèi)主要整車廠和保險(xiǎn)杠噴涂廠的生產(chǎn)工藝及涂料水性化調(diào)研情況 Table 2 Investigation on production process and application of waterborne paints in main auto manufacturers and bumper spraying plants in China

2 保險(xiǎn)杠噴涂工藝

2.1 前處理

無(wú)論是水性還是溶劑型涂料，也無(wú)論是3C1B 還是3C2B 工藝，前處理必不可少。前處理現(xiàn)有兩種：一種為傳統(tǒng)的且依然為主流的水洗工藝，采用脫脂劑對(duì)保險(xiǎn)杠表面進(jìn)行清洗，清洗完成后進(jìn)行水分烘干，優(yōu)點(diǎn)是清洗效果好，缺點(diǎn)是投資大、占地面積大、運(yùn)行能耗大等；另一種是干式前處理，采用雪花或干冰進(jìn)行處理，其原理為固態(tài)干冰或雪花覆蓋在工件表面后體積急速膨脹(約增大700 倍)，通過(guò)膨脹力令工件表面的油污、雜質(zhì)剝離并將其帶走，優(yōu)點(diǎn)是占地面積小、能耗小，缺點(diǎn)是清洗效果欠佳，需要人工擦拭等作為輔助[1]。

2.2 火焰處理

保險(xiǎn)杠材料的主流是改性PP(聚丙烯)，其表面張力一般僅為31 mN/m 或是更低，而低表面張力表面對(duì)油漆的浸潤(rùn)性和附著性均很差。為提高工件噴漆后涂膜的附著力，國(guó)內(nèi)及歐美系大都有火焰處理工藝，即采用1 000 ～ 2 000 °C 的高溫火焰處理工件表面[2]。由于火焰的氧化降解作用，PP 表面的碳鏈降解并生成活性基團(tuán)(如被氧化成羧基等)，從而達(dá)到材料表面改性和活化的目的，提高了材料的表面張力(可達(dá)到40 mN/m 以上)。近幾年，有保險(xiǎn)杠材料廠商開(kāi)發(fā)出免火焰處理材料，通過(guò)添加少量極性助劑就可以有效提高PP 的表面張力[3]。此方法既改善了基材表面活性，又減少了涂裝線的火焰處理室體和專有設(shè)備的投入費(fèi)用，還降低了生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的能耗費(fèi)用。

2.3 噴涂工藝

保險(xiǎn)杠的溶劑型3C1B 是一種主流且成熟的工藝，近幾年新建的生產(chǎn)線基本采用了全噴涂機(jī)器人及大比例循環(huán)風(fēng)的方式運(yùn)行，此方式最大的優(yōu)勢(shì)是降低了能耗，同時(shí)取消了濃縮轉(zhuǎn)輪的投入，噴漆廢氣可直接進(jìn)入RTO(蓄熱式焚燒爐)進(jìn)行燃燒。

水性3C1B 工藝比溶劑型需要更為嚴(yán)格的施工環(huán)境，而且在底漆和色漆后均需要進(jìn)行閃干，以保證漆膜的含水率降低到一定的水平，否則易產(chǎn)生針孔等漆膜弊病。

經(jīng)與各大油漆廠家進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交流，梳理出保險(xiǎn)杠水性噴涂線的現(xiàn)狀及應(yīng)用情況(見(jiàn)表3)：歐美系是一大類，大多為3C2B，其底色漆的水性漆比例已經(jīng)高達(dá)60%[4]；國(guó)內(nèi)和日系是另一大類，一般采用水性3C1B 工藝。

表3 2 種典型水性噴涂線的應(yīng)用情況 Table 3 Application of two typical water-based spraying lines

3 水性漆配套試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證方案

對(duì)歐美涂料廠家采用的3C2B 工藝和日系涂裝廠家采用的3C1B 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。水性導(dǎo)電底漆分為1K 和2K，色漆為1K 水性漆，清漆為2K 溶劑型。各油漆廠家推薦的涂料類型及施工參數(shù)驗(yàn)證方案見(jiàn)表4。需要特別說(shuō)明的是，表4 僅作參考，不同主機(jī)廠、不同保險(xiǎn)杠材料在選擇上可能有所不同。

表4 不同涂料廠家的涂料類型及施工參數(shù) Table 4 Process parameters of paints from different suppliers

3.2 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

由于水性漆還沒(méi)有相應(yīng)的漆膜檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系，經(jīng)商談先以本司溶劑型涂料標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本，對(duì)照已有應(yīng)用的國(guó)內(nèi)與合資品牌車企的水性涂料標(biāo)準(zhǔn)，尋找出差異點(diǎn)，并整理出水性漆試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。

表5 低溫水性漆的漆膜性能要求 Table 5 Requirements of coating properties for low-temperature waterborne paint

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

本文只選取了2 個(gè)廠家的試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表6。經(jīng)驗(yàn)證，除沃爾瓦格的高壓水沖擊受試驗(yàn)設(shè)備限制只做到70 bar 之外，其他均合格。

表6 2 家產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果 Table 6 Test results of products from two suppliers

4 應(yīng)用

參照前期對(duì)水性漆材料的驗(yàn)證結(jié)果，結(jié)合項(xiàng)目自身的特點(diǎn)，規(guī)劃設(shè)計(jì)了一條30 JPH 的保險(xiǎn)杠(PP 材料)涂裝線，選擇了3C1B 水性漆噴涂工藝，即“PP 靜電底漆 + 水性色漆 + 高固含雙組分清漆”，前處理采用“人工擦拭 + 干冰處理”的工藝方案。

涂裝線的工藝流程：上件→人工擦拭→干冰處理→底漆噴涂→流平→色漆噴涂→預(yù)烘干→清漆噴涂→烘干→拋光/檢查→下件。

底漆噴涂：膜厚6 ～ 8 μm，流平時(shí)間≥10 min。

色漆噴涂：烏雅黑膜厚10 ～ 15 μm，簡(jiǎn)約白膜厚20 ～ 25 μm。 色漆預(yù)烘干：升溫時(shí)間120 s，保溫時(shí)間240 s，強(qiáng)冷120 s。 清漆噴涂：膜厚50 ～ 55 μm，流平時(shí)間≥8 min。

烘干：溫度85 ～ 90 °C，時(shí)間25 ～ 30 min。

主要工藝設(shè)備：噴漆室采用干式噴房，恒溫恒濕設(shè)計(jì)，冬季溫度(23 ± 2) °C，夏季溫度(25 ± 2) °C，相對(duì)濕度(65 ± 5)%；調(diào)漆間和輸調(diào)漆系統(tǒng)按照水性漆技術(shù)要求設(shè)計(jì)；采用機(jī)器人自動(dòng)空氣噴涂系統(tǒng)噴色漆，清漆采用機(jī)器人自動(dòng)靜電噴涂。

經(jīng)過(guò)3 個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)多輪調(diào)試，最終檢測(cè)漆膜外觀數(shù)據(jù)，見(jiàn)表7。

表7 保險(xiǎn)杠噴涂成品的橘皮測(cè)量數(shù)據(jù) Table 7 Result of orange peel measurement for the sprayed bumpers

目前該涂裝線已形成批量生產(chǎn)能力，且可實(shí)現(xiàn)最終的漆膜外觀品質(zhì)及性能要求，附著力達(dá)到0 級(jí)，鉛筆硬度達(dá)到HB，光澤、DOI 均能達(dá)到85 以上。

這一項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用可為新建保險(xiǎn)杠涂裝線規(guī)劃和老線改造升級(jí)提供參考。