涂料循環(huán)對色差的影響

劉連寶，周夫東，宗健啟，劉苗苗，康海瑞，李大鵬

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車用戶趨于年輕化，年輕用戶對車身設(shè)計的時尚追求及品質(zhì)要求也在不斷提升。針對這一現(xiàn)象，汽車主機廠在進行造型設(shè)計時，往往考慮選用一些高飽和度、高閃爍感、有隨角異色效應(yīng)的涂料來吸引上述用戶。而為達成上述要求，涂料內(nèi)往往需要加入較多的效應(yīng)顏料（鋁粉、珠光粉、玻璃粉等），較多效應(yīng)顏料的加入，對效應(yīng)顏料定向排列及循環(huán)的穩(wěn)定性提出了較大要求[1-2]。本文結(jié)合某款色漆實際應(yīng)用問題，簡要分析涂料循環(huán)對色差的影響，以及影響效應(yīng)顏料定向的各種作用機理。

1 實驗部分

1.1 噴涂設(shè)備與施工參數(shù)

本文論述顏色為溶劑型5a 工藝，即整體漆層包括電泳、中涂、色漆、清漆。色漆外表靜電噴涂：0700機器人搭載VERSABELL III 霧化器，40 mm 噴杯，噴嘴直徑1.2 mm，發(fā)那科；氣噴槍噴涂：0250 機器人搭載AGMD0RO 槍頭，1.4 mm 噴嘴，發(fā)那科；整體噴涂厚度約為12 μm，靜電和空氣噴涂膜厚比例約為3∶1，色漆噴涂完成后閃干6 min，之后噴涂溶劑型清漆，膜厚約為43 μm，并于140 ℃下烘干30 min 以完成漆膜整體固化。噴房溫度控制為（23±2）℃，濕度控制為（65±5）%。

噴杯站工藝參數(shù)：出漆量180～240 mL/min，轉(zhuǎn)速40 000 r/min，成型空氣1為300 NL/min，成型空氣2為100 NL/min；氣噴槍站工藝參數(shù)：出漆量300～350 mL/min，霧化空氣為270 NL/min，矯形空氣為300 NL/min。

輸漆系統(tǒng)采用兩線繞管系統(tǒng)，供漆壓力800 k0a，回漆壓力350 k0a，主背壓650 k0a，主管內(nèi)流速為0.45 m/s。

1.2 性能測試

色差測試：采用多角度色差儀（mac-i，BYK 公司）進行測量，以L表示在某角度下的明度值，a表示在某角度下的紅綠色相值，b表示在某角度下的黃藍色相值，c表示在某角度下的飽和度，h表示在某角度下的色相角，G值表征涂料的整體顆粒感，以mdE表示考慮容差系數(shù)的相對色差。按照式（1）計算顏色閃爍系數(shù)FI；相對色差的計算如式（2），其中上標(biāo)0表示標(biāo)準(zhǔn)值，S為對應(yīng)的容差系數(shù)，單個測量點相對色差低于1.4為合格。

材料流變性能測量：采用流變儀（MCR102，安東帕）進行測量，將材料在400 s-1下攪拌30 s，之后靜置60 s 使材料穩(wěn)定，從1 s-1開始，以10 s-1為間隔，測量150 個點的黏度，每個點黏度測量時間0.6 s，獲得流變黏度曲線。

微觀形貌測試：采用手持放大鏡（拜斯特）進行拍攝，放大300倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 色板信息

表1 為該顏色的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)值，表2 為該顏色的容差系數(shù)，該顏色的特殊性主要體現(xiàn)在以下3 個方面：（1）FI 較大達到28.9，其他近似顏色FI 一般不超過20，因此該顏色是一個閃爍感很強的顏色，這是由于雖然相差36，與其他涂料相當(dāng)，但在45°時，該顏色的L即下降31.62 至6.38；（2）標(biāo)準(zhǔn)板測量的G0值達到8.2，金屬顆粒感強[3]；（3）從色相上看，a0與b0的變化也不是很大，但從h0可以看出，其色相角隨測量角度變化達到77.14°，這在顏色開發(fā)中比較少見。

表1 該顏色的色差數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)值Table 1 Standard value of this color

表2 該顏色的容差系數(shù)Table 2 Tolerance value of this color

綜上，該涂料存在很強的隨角異色性，開發(fā)難度較大，為達到該目標(biāo)，從圖1 涂料色板的放大圖可以看出，該涂料采用大直徑的銀元型鋁粉以及一定量的珠光粉制造閃爍效果，且標(biāo)準(zhǔn)色板中鋁粉的定向排列較好。

圖1 涂料標(biāo)準(zhǔn)板的放大照片F(xiàn)ig.1 0icture of standard paint palette

2.2 涂料循環(huán)1周色差變化

表3 是涂料新到現(xiàn)場后的色差絕對值，表4 是涂料在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)1周的色差絕對值，本文基于上述數(shù)據(jù)對涂料循環(huán)與色差變化的原因進行分析。

表3 新到涂料現(xiàn)場噴涂后的色差Table 3 Measure result of fresh paint

表4 現(xiàn)場循環(huán)1周后噴涂后的色差Table 4 Measure result of paint after 1-week circulation

圖2是各部件ΔL、Δa、Δb絕對值在各角度的平均變化，可以看出，ΔL的變化最大，Δa、Δb的絕對變化在各角度與ΔL的變化近似等比例。圖3 是不同位置色差變化，可以看出，立面變化要大于平面。系統(tǒng)排查現(xiàn)場變量，除涂料循環(huán)時間差異外，無其他影響因素。

圖2 循環(huán)前后ΔL、Δa、Δb的絕對變化Fig.2 Absolute change of Lab value before and after the circulation

圖3 車身位置色差變化Fig.3 Color difference change value sorted by body position

2.3 色差變化的原理分析

2.3.1 效應(yīng)顏料排列的影響

色差儀的測量原理為使用標(biāo)準(zhǔn)光源照射并接收分析反射到的光線。當(dāng)光線照射到效應(yīng)顏料上時，在效應(yīng)顏料邊緣發(fā)生漫反射，在效應(yīng)顏料中心發(fā)生鏡面反射，在效應(yīng)顏料制造工藝與表面處理情況相同時，鏡面反射的比例隨效應(yīng)顏料粒徑的增大而增大，即使用更大的效應(yīng)顏料，特別是反射性更好的效應(yīng)顏料，將會增大材料的閃爍程度[4]，這是該涂料選用較大效應(yīng)顏料的原因。

比較循環(huán)前后材料各色相的絕對值，可以發(fā)現(xiàn)小角度的ΔL明顯下降，大角度的ΔL輕微下降，同時Δa、Δb向原點移動，對此認(rèn)為其原因在于效應(yīng)顏料的排列變差，以一片效應(yīng)顏料考慮時，如圖4a 所示，當(dāng)效應(yīng)顏料平行于漆面排列時，可將測量光線反射入小角度，而當(dāng)效應(yīng)顏料傾向于豎直時，則反射光線角度向大角度移動。以整個漆層考慮，如圖4b所示，當(dāng)整個漆層內(nèi)效應(yīng)顏料大部分趨于平鋪時，整個漆層類似鏡面反射，小角度獲得的反射光線多，形成明顯的閃爍感；而當(dāng)整個漆層內(nèi)效應(yīng)顏料排布趨于雜亂且色漿暴露出來，整個漆層發(fā)生漫反射的同時對光線的吸收作用增強，導(dǎo)致小角度ΔL變暗明顯，大角度ΔL亦輕微變暗，顏色飽和度降低，即Δa、Δb趨向于向原點變化。

圖4 效應(yīng)顏料排列的影響示意圖Fig.4 Schematic diagram of the influence of pigment arrangement

2.3.2 影響效應(yīng)顏料排列的幾種作用

（1）樹脂對效應(yīng)顏料的固定作用。

對可能導(dǎo)致兩次車身色差變化的工藝參數(shù)進行排查，唯一變量在于涂料在管路內(nèi)循環(huán)1周時間。眾所周知，涂料中的樹脂靠極性鍵等作用形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，涂料在管路中長期循環(huán)剪切，不可避免地會影響樹脂的性能[5]。

由于成品涂料是復(fù)合體系，很難應(yīng)用電子顯微鏡、色譜、紅外等表征樹脂的狀態(tài)，因此開發(fā)了流變曲線測試方法從宏觀變化討論樹脂狀態(tài)。圖5 是涂料在循環(huán)前后流變曲線的狀態(tài)，由于系統(tǒng)中涂料基礎(chǔ)黏度會有差異，因此只討論黏度的變化趨勢，不討論其絕對值。

圖5 循環(huán)前后的流變曲線Fig.5 Rheological curve before and after the cyclation

未循環(huán)過的涂料如圖6a 所示，隨著剪切的施加，在初始階段樹脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被打散（見圖6b），黏度略有下降，剪切力繼續(xù)增加，黏度保持穩(wěn)定，說明樹脂對效應(yīng)顏料的固定作用穩(wěn)定有效。涂料在系統(tǒng)內(nèi)長時間循環(huán)后，樹脂的極性鍵被破壞，不再是良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而是形成了圖6c 示意的小樹脂團，因此材料整體黏度較低，樹脂對效應(yīng)顏料的固定作用明顯降低。隨著剪切施加，小樹脂團被打散繼而與整體作用導(dǎo)致低剪切下的黏度上升，隨剪切的加劇，樹脂又部分喪失了對效應(yīng)顏料的固定作用，用以固定效應(yīng)顏料的化學(xué)鍵空出并與其他樹脂極性鍵相互作用導(dǎo)致高剪切時材料黏度增加[6]。

圖6 樹脂存在狀態(tài)示意Fig.6 Schematic diagram of resin state

上述試驗說明，材料長時間循環(huán)導(dǎo)致材料樹脂性能損失，進而導(dǎo)致其對效應(yīng)顏料的固定作用變差，效應(yīng)顏料排布趨向于雜亂無章，為本次問題的關(guān)鍵因素。對此，選擇增加蠟液，提高樹脂體系的穩(wěn)定性，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用驗證，16 d無涂料補加情況下，噴涂色差如表5 所示，mdE達到1.14，可以保證日常生產(chǎn)使用，該問題得以消除。

表5 添加蠟液現(xiàn)場循環(huán)16 d后的色差Table 5 Measure result of wax-added paint after 16-day circulation

（2）溶劑揮發(fā)對效應(yīng)顏料的攪動作用。

涂料中的溶劑組分在自然閃干或強制閃干過程中，由于其揮發(fā)速度差異產(chǎn)生的表面張力差而形成貝納德旋渦，這一作用對濕膜產(chǎn)生一種擾動，不利于效應(yīng)顏料的平鋪，這種攪動作用隨著溶劑的持續(xù)揮發(fā)而減弱?，F(xiàn)場采用更高的成型空氣量并配合減少出漆量，色差狀態(tài)好轉(zhuǎn)，但并未從根本解決問題。

（3）重力的疊加影響。

如圖7 所示，在車身平面，貝納德旋渦在垂直于漆面上的分力與重力互相減弱，而在車身立面，二者則呈90度，因此，位于車身立面的效應(yīng)顏料需要更強的樹脂固定作用以保證效應(yīng)顏料的排布，這也是本文中顏色立面色差變化大于平面色差變化的原因。

圖7 三種微觀力的影響Fig.7 Schematic diagram of the influence of three microscopic forces

（4）減薄作用。

噴涂后漆膜在閃干過程中，由于涂料表面張力作用，效應(yīng)顏料不能突破漆膜與空氣界面，這使效應(yīng)顏料傾向于被壓平，對于溶劑型涂料，其溶劑組分在噴涂過程中大量揮發(fā)，噴涂到車身時，溶劑含量僅為原組分的10%～30%，閃干過程中膜厚變化較小，壓平作用較?。欢鴮τ谒云?，由于水的蒸發(fā)潛熱很大，導(dǎo)致其揮發(fā)速度較慢，噴涂到車身后，溶劑（包含水與有機溶劑）比例仍占原組分的50%～60%，在后續(xù)強制閃干時，膜厚變化大，因此該顏色在水性漆車間，沒有出現(xiàn)類似問題。

3 結(jié)語

本文通過數(shù)據(jù)分析與實驗驗證，闡述了材料效應(yīng)顏料排列對色差的影響，并分析了材料噴涂后各種力對色差的作用機理：（1）效應(yīng)顏料的排列不佳使小角度的明度降低，色相趨于原點；（2）樹脂對效應(yīng)顏料的固定作用可抵抗溶劑揮發(fā)時的擾動，在色差控制中起到?jīng)Q定作用，長期循環(huán)會導(dǎo)致該能力減弱；（3）重力作用在立面會增加對樹脂固定的需求。