免噴涂材料在汽車(chē)制造領(lǐng)域應(yīng)用的綜述

羅 宇

(菲亞特克萊斯勒亞太投資有限公司工程研發(fā)中心，上海 200240)

當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)飛速發(fā)展，新材料和新工藝被汽車(chē)上應(yīng)用的程度越來(lái)越廣泛。以往汽車(chē)內(nèi)外飾的塑膠產(chǎn)品通常會(huì)采用油漆噴涂工藝進(jìn)行后處理，以保證良好的外觀效果。然而，該工藝的工序繁雜，其處理過(guò)程對(duì)環(huán)境造成了很大的污染，且明顯增加產(chǎn)品的制造成本。免噴涂材料是一種自帶特殊色彩效果，經(jīng)注塑、擠出、模壓等成型后，無(wú)需涂裝即可滿足外觀顏色裝飾要求的熱塑性材料?；诿鈬娡考夹g(shù)的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程能夠減少干燥、噴漆、后處理等環(huán)節(jié)，因而能有效減少加工環(huán)節(jié)、降低成本、降低能源消耗、控制環(huán)境污染[1-2]。更加重要的是，免噴涂材料能夠?qū)崿F(xiàn)100%直接回收再利用，減少了噴漆產(chǎn)品回收處理過(guò)程中需要分離熱固性漆膜的工藝。隨著汽車(chē)ELV法令的推出，要求更多的車(chē)用熱塑性塑料能夠直接回收處理，使得免噴涂工藝成為汽車(chē)內(nèi)外飾應(yīng)用的一大趨勢(shì)[3]。

免噴涂材料概念最初由沙伯基礎(chǔ)(SABIC原GE)于2000年左右以VISUALFX@的商品名提出，主要是通過(guò)在聚合物基材中添加特殊顏料達(dá)到特殊的外觀效果。然而由于注塑免噴涂產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)涉及到：特殊顏料選擇、材料配方優(yōu)化、模具和注塑工藝等多種要素，前期該產(chǎn)品的推廣過(guò)程存在諸多問(wèn)題，只是在吹塑、擠出或者是一些不注重外觀的注塑小部件上應(yīng)用。2008年錦湖日麗首次提出CMP一體化解決方案，整合了產(chǎn)品的色彩(color)、材料(material)、模具(process)為一體的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式。該模式的提出逐漸推動(dòng)了色彩效果、材料體系、模具設(shè)計(jì)、工藝條件等方面與免噴涂技術(shù)的匹配性，從而進(jìn)一步提升了免噴涂產(chǎn)品的應(yīng)用范圍[4-5]。近年來(lái)，包括LG化學(xué)、金發(fā)科技、會(huì)通、聚賽龍等企業(yè)先后針對(duì)免噴涂整體解決方案推出了各具特色的免噴涂系列材料。隨著市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品的多樣化設(shè)計(jì)、綠色環(huán)保、低成本化的要求越來(lái)越高，工業(yè)界，尤其是汽車(chē)制造領(lǐng)域?qū)τ诿鈬娡考夹g(shù)及材料的關(guān)注度不斷增加。對(duì)免噴涂材料在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述是非常有必要的。

1 免噴涂材料在汽車(chē)制造領(lǐng)域方面的應(yīng)用

汽車(chē)內(nèi)外飾產(chǎn)品是免噴涂材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域，主要的應(yīng)用零部件包括：汽車(chē)門(mén)把手、側(cè)裙、防擦條、汽車(chē)車(chē)燈、保險(xiǎn)桿下護(hù)板、格柵亮條、立柱外護(hù)板、汽車(chē)導(dǎo)航儀面板、排檔器裝飾件、后視鏡殼體等[6]。汽車(chē)內(nèi)外飾產(chǎn)品通常具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大，機(jī)械性能要求高、功能化要求高等特點(diǎn)，對(duì)于應(yīng)用于汽車(chē)產(chǎn)品的免噴涂材料也提出了不一樣的要求。顏色效果方面，車(chē)用材料以高光黑色、防金屬銀色以及啞光效果為主。

1.1 高光澤免噴涂材料的應(yīng)用

高光免噴涂材料在汽車(chē)上的應(yīng)用主要集中在汽車(chē)前格柵、立柱外飾板、后視鏡外殼等產(chǎn)品。目前，主要應(yīng)用的材料包括: 高光澤ASA材料、PMMA材料、PMMA /ASA合金和耐候級(jí)聚碳酸酯等材料等[7-8]。對(duì)這類(lèi)產(chǎn)品的主要要求包括：高光澤(光澤度要求大于60°)，耐候(需滿足氙燈老化和佛羅里達(dá)暴曬的要求)，耐沖擊(滿足格柵零件的低溫落球沖擊)等要求。具體不同材料類(lèi)型制作高光產(chǎn)品的對(duì)比如表1所示。

表1 高光免噴涂材料的對(duì)比

上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心李征等基于即冷即熱成型工藝(RHCM)分別利用PC/ABS和PC材料制作了MG5的高光烤漆效果中央面板產(chǎn)品[9-10]。最終產(chǎn)品的外觀效果、光澤度以及表面硬度等方面相對(duì)于常規(guī)工藝具有較大的提升。泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司趙穎等研究了PC材料在汽車(chē)高光格柵上的應(yīng)用[11]。項(xiàng)目選擇沙伯基礎(chǔ)(SABIC)的聚碳酸酯(LEXAN SLX系列)材料結(jié)合順序閥進(jìn)膠設(shè)計(jì)和即冷即熱工藝制備了具有優(yōu)異外觀效果的格柵產(chǎn)品。

依靠特殊的材料配方設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型工藝高光免噴涂材料在汽車(chē)內(nèi)外飾上的應(yīng)用越來(lái)越多。零部件產(chǎn)品能夠通過(guò)各個(gè)主機(jī)廠相應(yīng)產(chǎn)品的耐光照、熱老化、飛石沖擊、耐刮擦、耐化學(xué)品性能等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 金屬效果免噴涂材料的應(yīng)用

金屬效果免噴涂材料主要是在樹(shù)脂基材中加入不同形貌和外觀效果的金屬粉，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)金屬效果。汽車(chē)內(nèi)外飾的金屬效果主要是采用電鍍和噴涂方式實(shí)現(xiàn)金屬銀效果為主。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，樹(shù)脂基材的配方體系、金屬粉的形貌、表面處理工藝、加工工藝等因素對(duì)最終產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)效果影響都非常大[12-13]。廣州市聚賽龍工程塑料股份有限公司袁海兵等研究了不同形貌的金屬粉對(duì)于聚丙烯樹(shù)脂基材的外觀效果及力學(xué)性能的影響[14]。結(jié)果表明，具有球形結(jié)構(gòu)的金屬粉體填充能夠有效的改善產(chǎn)品的流痕溶解痕等外觀缺陷。

金屬效果的免噴涂材料在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及到外飾的側(cè)裙、底護(hù)板、裝飾條、內(nèi)飾的車(chē)門(mén)把手、中控裝飾條、儀表板等。廣州汽車(chē)集團(tuán)有限公司汽車(chē)工程研究院鐘國(guó)留等人研究了金屬效果聚丙烯材料在汽車(chē)側(cè)裙上的應(yīng)用性能[15]。通過(guò)Moldflow分析、材料配方設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)和加工工藝等方面的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了材料的加工性能、產(chǎn)品外觀效果和產(chǎn)品的應(yīng)用性能達(dá)到噴涂產(chǎn)品要求。該產(chǎn)品的免噴涂工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)于縮短產(chǎn)品生產(chǎn)流程、降低環(huán)境污染、降低產(chǎn)品成本等方面都具有重要意義。諾博汽車(chē)系統(tǒng)高劍波等系統(tǒng)的分析了金屬效果的聚丙烯材料在汽車(chē)保險(xiǎn)杠產(chǎn)品上應(yīng)用的可行性，以及該方案將具備的優(yōu)勢(shì)[16]。江鈴汽車(chē)股份有限公司的劉倩等驗(yàn)證了免噴涂材料在汽車(chē)側(cè)踏板端頭上的應(yīng)用，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料及工藝可行性和實(shí)驗(yàn)性能等方面研究了免噴涂材料的應(yīng)用價(jià)值[17]。結(jié)果表明免噴涂材料在該產(chǎn)品上的應(yīng)用能夠有效的解決成型后產(chǎn)品表觀和內(nèi)部顏色一致長(zhǎng)期使用過(guò)程中有掉色等問(wèn)題。

由于金屬效果顏料與樹(shù)脂基材之間的相容性，鋁粉類(lèi)顏料的熱穩(wěn)定性，以及顏料與樹(shù)脂基材在模腔內(nèi)的流動(dòng)性能差異等問(wèn)題，造成金屬效果免噴涂材料在成型過(guò)程中極易產(chǎn)生流痕、熔接線、氣紋、發(fā)暗等不良現(xiàn)象[18-20]。如何利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料配方、顏料優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)以及成型工藝等方面的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的免噴涂金屬效果是當(dāng)前免噴涂產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的研究重點(diǎn)。

1.3 啞光效果免噴涂材料的應(yīng)用

實(shí)際上，啞光效果的免噴涂材料已開(kāi)始在汽車(chē)內(nèi)飾上得到了大量的應(yīng)用，例如，用低光澤PC/ABS生產(chǎn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向柱上下蓋、遮陽(yáng)板、手套箱、副儀表板本體和B立柱安全帶支架等；用PA/ABS生產(chǎn)儀表時(shí)鐘罩、儀表罩、出風(fēng)口面板和兩側(cè)蓋板等；用低光澤ABS生產(chǎn)遮陽(yáng)板、門(mén)板上裝和門(mén)板拉手盒等。對(duì)于材料而言，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的整體消光效果需要在材料中混入一定比率的不相融組分(例如，啞光級(jí)的ABS，PC/ABS等)，甚至做成兩種或者多種相容性差的材料合金(PA/ABS合金，PBT/ABS合金等)[21]。利用材料表面不同成分的散射現(xiàn)象，結(jié)合產(chǎn)品表面的皮紋處理，最終實(shí)現(xiàn)制品的啞光效果。

上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司李欣達(dá)等先后研究了微交聯(lián)SAM和ABS橡膠相大小對(duì)PC/ABS材料光澤度的影響[22-23]。結(jié)果表明，特殊的改性助劑結(jié)構(gòu)以及材料中橡膠相的大小對(duì)于材料的光澤度影響較大。當(dāng)ABS材料與結(jié)晶性樹(shù)脂做成合金之后具有非常優(yōu)異的啞光效果，能夠滿足汽車(chē)內(nèi)飾產(chǎn)品的相應(yīng)要求。浙江眾泰汽車(chē)制造有限公司賀麗麗等[24]系統(tǒng)研究了影響內(nèi)飾用聚丙烯材料光澤度的因素。結(jié)果表明，材料中滑石粉種類(lèi)、添加量、樹(shù)脂及增韌劑的類(lèi)型以及產(chǎn)品顏色等均對(duì)最終制品的光澤度產(chǎn)生影響。特殊結(jié)構(gòu)的消光劑也能夠有效降低材料和最終制品的光澤度。

啞光效果產(chǎn)品在外飾上的應(yīng)用會(huì)讓車(chē)身顯得更加優(yōu)雅、高貴，并能夠更清晰地突出車(chē)身的輪廓；在內(nèi)飾產(chǎn)品的應(yīng)用可以減少駕駛員的視覺(jué)疲勞，提高駕駛的安全性?；谝陨显?，啞光效果免噴涂材料在汽車(chē)內(nèi)外飾上的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

2 免噴涂材料在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用存在的主要問(wèn)題

免噴涂材料經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，工業(yè)界已經(jīng)在大量的汽車(chē)內(nèi)外飾的產(chǎn)品上開(kāi)展了應(yīng)用嘗試，并取得了卓有成效的成果。然而，產(chǎn)品外觀效果實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)品表面的外觀缺陷，材料的耐候性能以及材料的耐刮擦性能等關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，依然是影響該工藝廣泛應(yīng)用的重點(diǎn)。

2.1 外觀缺陷

塑料在注塑成型過(guò)程中復(fù)雜的熱力學(xué)歷程，不僅影響免噴涂塑料顏料填充物的取向及分布，而且能改變樹(shù)脂基體的結(jié)晶形貌，使得塑件產(chǎn)品的視覺(jué)效果變差[21]。Park等通過(guò)模流分析和實(shí)際注塑成型分析了金屬鋁顏料在產(chǎn)品成型過(guò)程的分布問(wèn)題。結(jié)果表明，在正常流動(dòng)區(qū)域產(chǎn)品無(wú)表面缺陷，當(dāng)熔體經(jīng)過(guò)孔、縫結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生熔接線，熔體在肋結(jié)構(gòu)附近流動(dòng)時(shí)，觀察到鋁薄片為不規(guī)則取向，試樣表面顯示出流線。在注射成型過(guò)程中，由于免噴涂塑料的顏料填充物與基材的相容性、流變性能熱穩(wěn)定性的差異，最終形成流痕、溶解線、氣紋等外觀缺陷。

2.2 耐候問(wèn)題

車(chē)用的常規(guī)噴涂產(chǎn)品由于有噴涂層的遮蓋，不需要直接接受外界日光的直接照射，因此，對(duì)于材料沒(méi)有具體的耐候要求。但是，當(dāng)產(chǎn)品直接用免噴涂材料制作時(shí)，對(duì)材料的耐候要求則需要相應(yīng)的提高[28]。通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司張舒寧，中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司劉鑫等詳細(xì)的研究了金屬效果的聚丙烯材料在分別不同類(lèi)型的自然暴曬試驗(yàn)場(chǎng)和3種典型的實(shí)驗(yàn)室人工加速老化試驗(yàn)條件下進(jìn)行相關(guān)性研究和老化試驗(yàn)[29-31]。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于免噴涂材料而言，自然暴曬和人工加速試驗(yàn)之間的相關(guān)性并不明顯。老化試驗(yàn)之后材料的色差保持率較好，但是光澤度保持率并不理想。

應(yīng)用于汽車(chē)外飾產(chǎn)品的免噴涂材料的耐候性能除了與樹(shù)脂基材、耐候體系的選擇直接相關(guān)之外，同樣的還與材料顏料體系的選擇有重要關(guān)系。針對(duì)汽車(chē)主機(jī)廠對(duì)于外飾產(chǎn)品的耐候要求，對(duì)免噴涂材料的耐候性能進(jìn)行系統(tǒng)研究是后續(xù)的重要研究方向。

2.3 耐劃傷性能

耐刮擦性能是免噴涂材料在汽車(chē)內(nèi)外飾產(chǎn)品上替代噴涂工藝產(chǎn)品過(guò)程中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。當(dāng)前，解決免噴涂材料表面耐刮擦性的主要方法是：一方面，在材料中加入特殊結(jié)構(gòu)的耐刮擦助劑以提高材料的耐刮擦或者耐摩擦性能；另外一方面，引入即冷即熱的成型工藝提高原材料的表面硬度和光澤度。金發(fā)科技林吉龍等以聚丙烯樹(shù)脂為基體，研究了不同的分散劑和耐刮傷劑對(duì)于材料綜合性能的影響[32]。結(jié)果表明，通過(guò)加入合適的顏料分散劑和耐刮擦劑能夠有效解決了免噴涂產(chǎn)品各向異性的缺陷，實(shí)現(xiàn)各向同性的免噴涂美學(xué)外觀，同時(shí)保證材料具有優(yōu)異的耐劃傷性，滿足汽車(chē)行業(yè)對(duì)材料的耐劃傷需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

免噴涂材料極大地滿足了汽車(chē)內(nèi)外飾零件的綠色設(shè)計(jì)和降成本需求，是汽車(chē)制造領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。在大量的研究基礎(chǔ)之上，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)在免噴涂材料在汽車(chē)零部件上的應(yīng)用做了大量的嘗試，并在許多典型的內(nèi)外飾產(chǎn)品上形成了實(shí)際的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。盡管，當(dāng)前針對(duì)某些特殊汽車(chē)內(nèi)外飾產(chǎn)品的應(yīng)用依然存在一定的局限性，但是，隨著模流分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料性能、模具結(jié)構(gòu)、成型設(shè)備、工藝參數(shù)等相關(guān)技術(shù)的深入開(kāi)發(fā)研究和技術(shù)升級(jí)，免噴涂材料在汽車(chē)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。