多顏色粉末涂料在汽車車廂上的開發(fā)應(yīng)用

常錦龍，李金

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

目前，汽車車廂面漆噴涂多采用傳統(tǒng)溶劑型油漆，需要增加廢氣收集治理設(shè)施，故存在投資巨大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較高、企業(yè)經(jīng)營(yíng)壓力較大等問題。粉末涂料具有無“三廢”(廢水、廢渣、廢氣)排放的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)其利用率高達(dá)95%，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，并可極大地降低涂裝成本。為滿足環(huán)保法規(guī)要求，不增加生產(chǎn)成本，筆者所在公司組織開展了粉末涂料在汽車車廂上的應(yīng)用研究。

1 粉末涂裝工藝及裝備

粉末噴涂工藝的原理與油漆靜電噴涂基本相同。工件通過輸送鏈進(jìn)入噴粉房的適宜位置后，靜電發(fā)生器通過噴槍槍口的電極針向工件方向的空間釋放高壓靜電(負(fù)極)，使從噴槍口噴出的粉末和壓縮空氣的混合物以及電極周圍的空氣電離(帶負(fù)電荷)。工件經(jīng)過掛具通過輸送鏈接地(接地極)，這樣就在噴槍和工件之間形成一個(gè)電場(chǎng)，粉末涂料在電場(chǎng)力和壓縮空氣壓力的雙重推動(dòng)下到達(dá)工件表面，依靠靜電吸引在工件表面形成一層均勻的涂層。

粉末涂料由固態(tài)樹脂、顏填料、固化劑和助劑組成。粉末涂料靜電附著后絕緣電阻都較高，能安定地附著在被涂物表面，在加熱步驟中經(jīng)加熱熔融、流平，高分子之間發(fā)生化學(xué)交聯(lián)固化而成膜。成膜后的樹脂具備優(yōu)異的耐候性、耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性及機(jī)械性能。

1.1 工藝流程

1.1.1 素色粉末噴涂生產(chǎn)工藝流程

前處理→電泳→烘干→焊縫密封→粉末素色面漆噴涂→烘干(160～180 °C，8～10 min)→強(qiáng)冷→檢查精修→下線。該工藝與油漆噴涂工藝相比工序不變，只將噴涂面漆改為噴粉。

1.1.2 兩種金屬粉末噴涂工藝路線

路線一：前處理→電泳→烘干→焊縫密封→金屬粉末噴涂→烘干(160～180 °C，8～10 min)→強(qiáng)冷→粉末罩光噴涂→烘干(180～200 °C，20 min)→檢查精修→下線。

路線二：前處理→電泳→烘干→焊縫密封→金屬粉末噴涂→烘干(160～180 °C，20 min)→檢查精修→下線。

路線一的優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)小，但需要進(jìn)行兩次粉末噴涂，且在金屬粉末噴涂完成后需要進(jìn)行一個(gè)高溫短時(shí)間的烘干過程，導(dǎo)致生產(chǎn)線過長(zhǎng)，生產(chǎn)能耗較高；路線二與素色粉末工藝的路線相同，更簡(jiǎn)潔，但缺點(diǎn)是對(duì)金屬粉末涂料的要求較高，需要一次成膜就能得到所需要的外觀質(zhì)量，施工要求也較高。

1.3 粉末涂料的工藝設(shè)備及串色解決方案

1.3.1 噴涂設(shè)備

粉末噴涂設(shè)備主要由粉房、供粉系統(tǒng)、大旋風(fēng)回收系統(tǒng)、噴槍等組成，如圖1所示。

圖1 粉末噴涂設(shè)備Figure 1 Powder spraying equipment

粉末噴涂之所以比較經(jīng)濟(jì)，主要原因是其理論利用率高達(dá)95%，但實(shí)際利用率還與方案設(shè)計(jì)、人員操作、生產(chǎn)組織等密切相關(guān)。單從設(shè)備角度分析，粉末利用率與大旋風(fēng)分離效率、回收粉使用率這兩個(gè)指標(biāo)有關(guān)。大旋風(fēng)的作用是使得粉末顆粒與風(fēng)分離，粉末顆粒落入回收盒后由回收粉泵送回供粉桶進(jìn)行重新利用，其分離效果與內(nèi)壁結(jié)構(gòu)、風(fēng)管角度設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等有關(guān)(即由設(shè)備的基本特性決定，效率最大能達(dá)到97%)。

1.3.2 熱輻射烘干系統(tǒng)

粉末涂膜的烘干條件為：160～180 °C，20 min。烘干系統(tǒng)可以采用熱風(fēng)循環(huán)和紅外輻射兩種方式。本項(xiàng)目的生產(chǎn)線在切換為粉末噴涂之前采用熱風(fēng)循環(huán)烘干系統(tǒng)(要求140 °C)，切換后考慮到烘干溫度提升對(duì)能源的損耗以及粉末涂料熔融階段所需溫度較高，因此在現(xiàn)有生產(chǎn)線基礎(chǔ)上引進(jìn)催化紅外加熱技術(shù)，見圖 2。在升溫一區(qū)采用紅外輻射加熱，確保粉末涂料快速熔融，升溫二區(qū)和保溫區(qū)保留熱風(fēng)循環(huán)烘干系統(tǒng)，確保粉末涂料完全固化。與傳統(tǒng)熱風(fēng)循環(huán)烘干系統(tǒng)相比，催化紅外加熱技術(shù)通過燃?xì)庠诩訜岚灞砻娈a(chǎn)生氧化反應(yīng)，將多數(shù)的熱以中波紅外線的形式輻射出去，專門加熱涂料中的羧基與烴基分子，故只對(duì)涂料加熱，對(duì)板材無明顯加熱效果，加熱過程無需點(diǎn)火，完全無焰，絕對(duì)防爆。

圖2 催化紅外加熱系統(tǒng)示意圖Figure 2 Schematic diagram of catalytic infrared heating system

1.3.3 多種顏色噴粉的串色問題

由于同一個(gè)粉房生產(chǎn)多種顏色，在大旋風(fēng)內(nèi)部一般會(huì)殘留雜色粉末，當(dāng)雜色粉末混入新粉末而進(jìn)入回收系統(tǒng)后，就會(huì)產(chǎn)生串色質(zhì)量問題。為避免此問題，一般換色后需要空噴5～10 min，以便將設(shè)備內(nèi)部殘留的雜色粉末帶出，然后才進(jìn)行工件噴涂。由于空噴的粉末不再被利用，因此該方法雖然可以避免串色，但造成大量的粉末浪費(fèi)，降低了粉末利用率和經(jīng)濟(jì)性。為保證粉末利用率，并避免串色等質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)了干碰干的噴涂工藝：第一遍噴涂回收粉，第二遍噴涂新粉，兩遍噴涂在同一個(gè)粉房進(jìn)行，兩遍之間不烘干，實(shí)際仍是一遍成膜。如圖3所示，自動(dòng)噴槍組1和2噴涂回收粉末，自動(dòng)噴槍組3和4噴涂新粉?；厥辗蹆?nèi)混入的雜色會(huì)被新粉覆蓋，漆膜表面仍為全新粉末，質(zhì)量不受影響，此方案可實(shí)現(xiàn)回收粉末的100%利用。

圖3 干碰干粉末噴涂裝置示意圖Figure 3 Schematic diagram of dry-on-dry powder spraying equipment

2 汽車車廂用粉末涂料的開發(fā)驗(yàn)證

2.1 多顏色粉末涂料的開發(fā)及其外觀技術(shù)指標(biāo)

針對(duì)的汽車車廂生產(chǎn)線為重型、輕型商用車匹配車廂，采用“硅烷前處理 + 底面合一陰極電泳 + 粉末噴涂”的工藝，顏色繁雜，多達(dá)30種以上。對(duì)該生產(chǎn)線2年內(nèi)排產(chǎn)的顏色進(jìn)行梳理，明確開發(fā)9種顏色的粉末涂料，它們?cè)?年內(nèi)的總排產(chǎn)量中占比達(dá)95%以上，量產(chǎn)主色有漢玉白、尊貴藍(lán)和炫麗紅，特殊顏色有炫酷黑、工程黃、旺旺紅、水晶紫、蜜橙和郵政綠，另外確保剩余小顏色產(chǎn)量的VOCs(揮發(fā)性有機(jī)物)排放滿足國(guó)家規(guī)定的限值要求。

涂料開發(fā)驗(yàn)證采用生產(chǎn)線同一型號(hào)試板，并隨線進(jìn)行前處理電泳制板，后統(tǒng)一在粉末開發(fā)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行噴粉及性能檢測(cè)，粉末試板涂膜外觀技術(shù)指標(biāo)均滿足開發(fā)前制定的技術(shù)指標(biāo)，并完成外觀數(shù)據(jù)檢測(cè)評(píng)審確認(rèn)。以炫麗紅為例，粉末試板涂膜外觀及其技術(shù)指標(biāo)達(dá)成情況見表1。

表1 炫麗紅粉末涂層外觀技術(shù)指標(biāo)及其達(dá)成情況Table 1 Technical indicators for evaluating the appearance of a brilliant red powder coating and achievement of them

2.2 粉末涂料配套性研究

涂裝線前處理采用鋯鹽?硅烷復(fù)合型無磷轉(zhuǎn)化工藝(即硅烷前處理工藝)，具有不含重金屬的環(huán)保特性，在冷軋鋼板、熱軋鋼板等板材表面均能形成良好的轉(zhuǎn)化膜，與陰極電泳漆配套性良好，電泳質(zhì)量損失小，生產(chǎn)過程中渣的生成量低。所用的黑色雙組分底面合一陰極電泳漆能夠與前處理和粉末面漆形成優(yōu)良的配套。為驗(yàn)證粉末涂料與前處理電泳漆的配套性，考察了相應(yīng)配套后的耐鹽霧和耐濕熱性能，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)與測(cè)試方法見表2。

表2 粉末涂料與前處理電泳配套性測(cè)試的項(xiàng)目Table 2 Property tests for evaluating the compatibility of powder paint with pre-treatment and electrocoating process

采用A、B兩種硅烷前處理材料分別與底面合一陰極電泳漆和純環(huán)氧陰極電泳漆交叉制板，配套粉末涂料后的性能測(cè)試結(jié)果見表 3。由未噴涂粉末的前處理電泳板鹽霧擴(kuò)蝕的結(jié)果可知，底面合一電泳漆對(duì)硅烷前處理具有選擇性，不同型號(hào)硅烷前處理搭配底面合一電泳時(shí)的表現(xiàn)不同。而不同類型硅烷前處理與純環(huán)氧電泳漆的搭配都具有良好的防腐性能。噴涂粉末后，在前處理電泳底漆的防腐前提下，涂膜的防腐性能均有提升，且耐鹽霧和耐濕熱測(cè)試后的附著力、硬度、耐沖擊等機(jī)械性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表3 耐鹽霧及耐濕熱性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Salt spray and moisture and heat resistance test results

2.3 粉末涂料外觀及涂膜性能驗(yàn)證

為確定粉末涂層的顏色、外觀、耐候性、耐化學(xué)品性、耐老化等性能是否達(dá)到了汽車涂裝產(chǎn)品的質(zhì)量要求，開展了相關(guān)性能驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)氙燈老化、耐水、耐濕熱、耐溫變、大氣曝曬等重點(diǎn)性能也進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證。經(jīng)檢查，所有項(xiàng)目均滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。以炫麗紅為例，各項(xiàng)測(cè)試的技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果見表4，其中大氣曝曬持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，仍在檢測(cè)中。

表4 (續(xù)) 車用粉末涂料的技術(shù)要求Table 4 (Continued) Technical requirements of powder paint for automobile

表4 車用粉末涂料的技術(shù)要求Table 4 Technical requirements of powder paint for automobile

3 結(jié)論

粉末工藝是國(guó)家推薦使用的環(huán)保經(jīng)濟(jì)型新工藝，已初步在汽車工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用。為進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，滿足生產(chǎn)線環(huán)保排放的要求，需要加強(qiáng)對(duì)粉末涂料的應(yīng)用研究，開發(fā)更多色彩的粉末涂料，并盡快在汽車上應(yīng)用，以降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)的法律風(fēng)險(xiǎn)和效益壓力，進(jìn)一步提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，從而走上輕量化綠色節(jié)能之路。