PVC 膠與水性中涂漆“濕碰濕”工藝的應用實踐

周夫東，劉連寶

（一汽?大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011）

隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)保相關法規(guī)對汽車涂裝的要求越來越嚴格，節(jié)約設備投資、減少單車能耗成為汽車主機廠增強競爭力的重要方向。PVC(聚氯乙烯)膠與水性中涂漆“濕碰濕”工藝是指在PVC膠濕膜表面直接噴涂水性中涂漆，然后隨水性中涂漆一起進入烘干爐進行烘干固化。該工藝因采用了低VOC(揮發(fā)性有機物)的環(huán)境友好型水性漆，同時取消了PVC膠烘干工序，節(jié)省了PVC膠烘干設備的投資與占地，減少了涂裝生產(chǎn)中PVC膠烘干的能源消耗，在環(huán)保、投資、能耗等方面具有很大優(yōu)勢，故越來越多的主機廠開始選用該工藝。PVC膠與水性中涂漆“濕碰濕”工藝與傳統(tǒng)工藝的流程對比見圖1。

圖1 傳統(tǒng)PVC膠與中涂漆噴涂工藝與“濕碰濕”工藝的流程對比 Figure 1 Comparison between traditional process and wet-on-wet process for application of PVC sealant and midcoat

但因為該工藝取消了傳統(tǒng)的PVC膠烘干工序，所以對PVC膠和水性中涂漆的材料性能以及施工匹配性提出了更高的要求。本文結合涂裝車間現(xiàn)場實踐，對該工藝的材料和工藝管理進行探討，供行業(yè)參考。

1 PVC膠的管理

PVC膠通常由聚氯乙烯樹脂(30%，質量分數(shù)，下同)、增塑劑(35%)、填料(30%)、溶劑(2%)、附著力促進劑(2%)及各種功能助劑(1%)構成，能夠滿足汽車密封、防石擊、阻尼降噪等性能要求，具有良好的耐久性。在實際的PVC膠與水性中涂漆“濕碰濕”工藝實施過程中，PVC膠需要配套多種顏色的水性中涂漆，因此從便于生產(chǎn)應用的角度出發(fā)，業(yè)內主要通過調整和優(yōu)化PVC膠以滿足該工藝施工和產(chǎn)品質量的要求。

1.1 溶劑的優(yōu)化

在“濕碰濕”工藝中，常發(fā)生針孔、失光、縮孔、附著力不良等缺陷，其原因有以下3點：溶劑揮發(fā)過快，增塑劑析出，以及黏度不適宜。此時，可以通過調整密封膠中脂肪烴低分子量溶劑的含量，控制溶劑揮發(fā)的速率、增塑劑的析出狀態(tài)以及材料的黏度，提高PVC膠抗表面張力的遷移性[1]，從而改善PVC膠與水性中涂漆的匹配性。

制備了不同溶劑含量的PVC膠，并噴涂30 μm水性中涂漆，于160 °C下烘干20 min，研究了PVC膠溶劑含量對與水性中涂漆匹配性的影響，結果見表1。可以看出，降低PVC膠溶劑含量能夠顯著降低水性中涂漆的針孔、起泡缺陷，其主要原因在于控制了溶劑的揮發(fā)速率。將該實驗成果應用于某車型涂裝現(xiàn)場生產(chǎn)，解決了該車型的針孔缺陷(見圖2)。因此，在施工黏度允許的情況下，降低PVC膠的溶劑含量對針孔的產(chǎn)生有抑制作用，建議溶劑含量控制在1.0% ~ 2.5%。

表1 PVC膠溶劑含量對其與水性中涂漆匹配性的影響 Table 1 Effect of solvent content of PVC sealant on its compatibility with water-based midcoat

圖2 PVC膠溶劑含量分別為3%(a)和2%(b)時“濕碰濕”工藝的涂裝效果 Figure 2 Wet-on-wet painting effectiveness when the content of solvent in PVC sealant was 3% (a) and 2% (b), respectively

1.2 增塑劑組成的優(yōu)化

根據(jù)涂裝工藝流程，PVC膠噴涂完成后，其濕膜需要放置一定時間才能進入噴房噴涂中涂漆。而濕膜長時間放置容易造成增塑劑析出(見圖3)，從而導致不沾漆、縮孔、橘皮等缺陷。這是由于PVC膠中的增塑劑一般為線性鄰苯二甲酸酯類，自身不揮發(fā)，但具有流動性，在室溫下容易向PVC膠表面遷移。因此增塑劑的控制是材料管理的核心要素之一。

圖3 PVC膠增塑劑析出導致的漆膜缺陷 Figure 3 Defect caused by precipitation of plasticizer from PVC sealant

通?？稍黾痈叻肿恿吭鏊軇┑谋壤?，因為其本身的遷移較弱，且能夠對小分子量增塑劑起到一定的固定作用，提高PVC膠與電泳層的匹配性。其次是嚴格控制增塑劑總量[2]，以改善增塑劑析出缺陷。值得注意的是，不同電泳樹脂體系與增塑劑有機基團的作用形式也有差別[3]。如圖4所示，將同樣的PVC膠分別涂在A線和B線的電泳板上，放置24 h后在B線電泳板上的增塑劑析出寬度達到8 mm，而在A線電泳板上無析出。這說明相同PVC膠在不同電泳板上的析出有明顯差異，需要優(yōu)化增塑劑種類，以改善增塑劑的析出及PVC膠與油漆的張力關系，避免出現(xiàn)潤濕不良導致的不沾漆等缺陷。

圖4 A(a)、B(b)兩條不同涂裝線中電泳板上涂覆的膠條增塑劑析出寬度 Figure 4 Width of plasticizer separated out from the PVC sealant sprayed on electrocoated sheets on painting line A (a) and B (b), respectively

1.3 黏度的控制

黏度是PVC膠最重要的施工參數(shù)，能夠指導PVC膠的現(xiàn)場實際噴涂，避免出現(xiàn)膠條過寬、過窄、流淌等缺陷。在實驗室模擬不同PVC膠黏度對匹配性的影響，結果發(fā)現(xiàn)當PVC膠黏度分別為80、88和97 Pa·s時，PVC膠與水性中涂漆的匹配性基本不受影響，試片均無針孔產(chǎn)生(見圖5)。但在調整黏度時，應注意溶劑量的變化會否導致針孔的產(chǎn)生。

圖5 PVC膠的黏度對其與水性中涂漆匹配性的影響 Figure 5 Effect of viscosity of PVC sealant on its compatibility with water-based midcoat

2 水性中涂漆的管理

2.1 中涂漆膜厚度的影響

中涂漆膜過薄無法對PVC膠產(chǎn)生有效遮蓋，容易使中涂漆、面漆產(chǎn)生透底色的現(xiàn)象；中涂漆膜過厚除容易產(chǎn)生流掛、發(fā)花等傳統(tǒng)缺陷外，也容易產(chǎn)生針孔、起泡等缺陷。因很難測定PVC膠上的油漆厚度，故選擇在PVC膠邊緣10 mm處的漆膜厚度作為參考。如圖6所示，由于靜電噴涂的邊緣效應，當中涂漆平面膜厚為45 μm時，PVC膠上(試板凸起膠條)的漆膜厚度遠高于常規(guī)位置，達到108 μm；同時，由于膠條與板材交接位置的毛細作用，該位置產(chǎn)生了油漆聚集，膜厚高達339 μm。水性中涂漆膜厚過厚時，在PVC膠和水性中涂漆的共同預烘干階段，水性漆表面干燥導致PVC膠中溶劑及油漆內部的水分難以揮發(fā)，在后續(xù)烘干過程中，溶劑與水分逸出會將已經(jīng)部分干燥的中涂漆頂起，造成針孔和起泡缺陷。

圖6 圈中涂漆平面膜厚為45 μm時PVC膠條處的缺陷狀態(tài)(橫截面顯微圖像) Figure 6 Cross-sectional micrograph showing the defect of PVC sealant when the thickness of water-based midcoat was 45 μm in the marked area

表2總結了某生產(chǎn)線不同參考膜厚下的針孔狀態(tài)。可以看出過大的噴涂量會加劇針孔現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，“濕碰濕”工藝的中涂漆膜厚度一般控制在20 ~ 30 μm。

表2 某車型后蓋中涂漆膜厚對缺陷的影響 Table 2 Effect of thickness of water-based midcoat on its defects of rear cover for a model of car

2.2 中涂漆黏度的影響

水性中涂漆的黏度對中涂施工質量影響較大，黏度過低易造成流掛，過高則易造成漆膜外觀不良。在實驗室模擬不同中涂漆黏度對其與PVC膠匹配性的影響，結果見表3?？梢钥闯觯斨型科岬酿ざ葹?30 ~ 60 s時，PVC膠與水性中涂漆的匹配性基本不受影響。因水性中涂漆通過加入去離子水來調整黏度，在以上黏度范圍內的加水量很少，故材料固體分和干膜厚度受到的影響較小。

表3 中涂漆黏度對其與PVC膠匹配性的影響 Table 3 Effect of viscosity of water-based midcoat on its compatibility with PVC sealant

3 工藝管理

3.1 PVC膠濕膜放置時間的控制

PVC膠濕膜放置一段時間后再進行烘干，容易出現(xiàn)發(fā)泡、開裂、附著力降低等質量缺陷。這是由于PVC膠在沒有完全固化前，容易受到溫度和濕度的影響。PVC膠的親水性使得材料在沒有完全固化前容易吸收空氣中的水分，隨著水分子的不斷累積，加熱時水分子受熱氣化，體積膨脹，將材料撐起并隨著材料固化形成氣泡[4]。在特殊天氣條件(如有雨的潮濕天氣及夏季)下或因停產(chǎn)放假而關閉空調設施時，涂裝車間內的溫濕度比正常生產(chǎn)要高很多，更容易出現(xiàn)此類缺陷(如圖7所示)。

圖7 某品牌PVC膠濕膜在溫度30 °C、相對濕度70%的條件下放置56 h后的表面(a)及內部(b)的狀況 Figure 7 External (a) and internal (b) surface state of wet PVC film after being placed under conditions of temperature 30 ℃ and relative humidity 70% for 56 hours

在具體生產(chǎn)過程中，PVC膠濕膜放置時間一般不要超過48 h(見表4)。車間應根據(jù)PVC膠特性和環(huán)境溫濕度來設置合理的PVC膠濕膜放置時間，更好地組織生產(chǎn)，如節(jié)假日前把儲備車拉空，預防面漆工序前車身滯留。

表4 某涂裝車間PVC膠濕膜在不同溫濕度下的放置時間 Table 4 Upper limit of time for placing wet PVC films under different temperatures and humidity in a paint shop

3.2 烘干爐溫曲線的控制

如前所述，PVC膠與水性中涂漆“濕碰濕”后需要共同進入烘干爐內固化，這就要求PVC膠和水性中涂漆的烘干窗口有一定的重疊，因此需要嚴格控制爐溫曲線，以避免出現(xiàn)批量針孔、起泡、流掛等缺陷。

PVC膠一般在40 ℃以上就會因聚氯乙烯樹脂吸收增塑劑而開始產(chǎn)生膨潤。當溫度達到凝膠溫度(一般為60 ~ 80 °C，見圖8)時，PVC膠的膨潤急速進行，其黏度急劇升高，脂肪烴溶劑等小分子物質開始揮發(fā)，PVC膠半固化。此時，若材料凝膠溫度較高，則PVC膠雖然溫度已較高，但沒有固化，在高溫熱脹的作用下造成PVC膠產(chǎn)生起泡、開裂等缺陷。當溫度繼續(xù)升高至固化溫度(一般至少130 ~ 140 ℃)時，PVC膠從表面開始完全固化。若溫度超過180 ℃，由于受聚氯乙烯材料熱性能的影響，PVC膠將迅速分解[5]。

圖8 PVC膠凝膠曲線 Figure 8 Gelation curve of PVC sealant

水性中涂漆是以水為分散介質的涂料，其中水含量達到50%以上。由于水的沸點為100 ℃，同時水的蒸發(fā)潛熱高，但相對蒸發(fā)速度慢，因此要求水性中涂漆在80 ~ 85 ℃進行預烘干，在此階段90%以上的水必須要從涂膜中揮發(fā)掉，否則會導致針孔和起泡缺陷。然后水性中涂漆升高到150 ℃以上交聯(lián)固化成膜。可見，烘干爐預烘干溫度和時間對PVC膠與水性中涂漆噴涂工藝的車身質量有著非常重要的影響。預烘干段既要滿足PVC膠凝膠溫度的要求，又要滿足水性中涂漆水分揮發(fā)的要求。實驗室模擬現(xiàn)場條件，設計了考察不同預烘干溫度和時間對車身質量影響的試驗，結果見表5。當預烘干溫度在80 ℃(能同時滿足PVC膠凝膠溫度的要求)時，隨著預烘干時間延長，起泡缺陷逐漸消失，能夠滿足濕碰濕工藝的車身質量要求。當預烘干溫度達到100 ℃以上時，由于已經(jīng)達到了水的沸點，因此針孔和起泡缺陷明顯增多。

表5 預烘干溫度對PVC膠與水性中涂漆匹配性的影響 Table 5 Effect of flash drying temperature on compatibility of PVC sealant and water-based midcoat

因此PVC膠與水性中涂漆“濕碰濕”工藝的預烘干溫度和時間的窗口分別為80 ~ 85 ℃和10 ~ 15 min，烘干溫度和時間的窗口分別為150 ~ 180 ℃和15 ~ 20 min(見圖9)。

圖9 理想PVC膠與水性中涂漆“濕碰濕”工藝的烘干爐溫度?時間曲線 Figure 9 Ideal baking temperature vs.time curve of PVC sealant and water-based midcoat in wet on wet process

4 結論

PVC膠與水性中涂漆“濕碰濕”工藝作為環(huán)保降耗的綠色工藝，有著廣泛的應用前景。本文從材料與工藝2個角度，總結了幾點關鍵要素：(1)調整PVC膠材料配方，使溶劑含量為1% ~ 2.5%，黏度為80 ~ 97 s，同時增加高分子量增塑劑的比例，嚴格控制增塑劑總量并優(yōu)化其類型，以滿足“濕碰濕”工藝匹配性的要求；(2)通過控制水性中涂漆噴涂厚度(20 ~ 30 μm)和黏度(30 ~ 60 s)，可以有效改善針孔、起泡現(xiàn)象；(3)根據(jù)現(xiàn)場工況，確定PVC膠濕膜放置時間一般不要超過48 h，避免PVC膠在高溫高濕情況下長期放置；(4)關注烘干爐溫度曲線，使預烘干溫度和時間的窗口分別為80 ~ 85 °C和10 ~ 15 min，烘干溫度和時間的窗口分別為150 ~ 180 °C和15 ~ 20 min，以滿足PVC膠和中涂漆的匹配性要求。