熱燙印制品耐溫水性失效分析及工藝優(yōu)化

胡學(xué)川 , 李又兵 , 張繼祥 ，王鈴

(1. 重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054 ；（2. 重慶平偉汽車零部件有限公司，重慶 400026 ；3. 重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

熱燙印工藝是一種常見的表面處理技術(shù)，它通過將熱敏箔或熱熔膠與印刷材料結(jié)合，利用熱力和壓力將圖案轉(zhuǎn)移至基材表面。熱燙印的實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)印，是把熱燙印膜上面的電化鋁通過熱和壓力的作用轉(zhuǎn)移到承印物上面的工藝過程。熱燙印時(shí)熱燙印膜的黏結(jié)層熔化與承印物表面形成附著力，同時(shí)熱燙印膜的離型劑中的硅樹脂與載體薄膜發(fā)生分離，載體薄膜上面的電化鋁就被轉(zhuǎn)移到承印物上面。熱燙印后僅保護(hù)層、金屬層和粘接層留在零件上。

國(guó)內(nèi)熱燙印工藝研究起步較晚，在近幾年才開始得到發(fā)展。國(guó)內(nèi)的熱燙印油墨生產(chǎn)商主要采用進(jìn)口原材料進(jìn)行生產(chǎn)，熱燙印工藝主要應(yīng)用來裝飾汽車內(nèi)部和外觀部件，如汽車前杠格柵、方向盤、儀表板、門板等。國(guó)內(nèi)的研究人員主要關(guān)注熱燙印油墨顏色穩(wěn)定性、適應(yīng)性和基材選擇等方面的研究，以提高熱燙印工藝的可靠性和實(shí)用性。王開等[1]闡述了熱燙印技術(shù)在汽車內(nèi)外飾的應(yīng)用趨勢(shì)，提出新型熱燙印的技術(shù)方案，根據(jù)基本原理以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)多方面分析，為類似的外觀零件實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)。李莎等[2]對(duì)燙印工藝在產(chǎn)品中應(yīng)用的可行性分析進(jìn)行了研究，提高此工藝的成熟應(yīng)用。程道強(qiáng)[3]針對(duì)燙印技術(shù)在汽車內(nèi)外飾零件開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題及改善方向進(jìn)行歸納總結(jié)，為燙印技術(shù)在汽車內(nèi)外飾件的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。胡迪航等[4]對(duì)熱燙印薄膜在高溫高濕環(huán)境下的失光缺陷進(jìn)行了分析及性能優(yōu)化。谷曉杰等[5]對(duì)汽車熱燙印工藝零件的缺陷及處理辦法做出詳細(xì)研究分析。高旭東等[6]通過對(duì)開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，從燙印生產(chǎn)工藝、零件造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燙印效果影響因素等方面做了闡述。陳玲等[7]對(duì)大尺寸、造型復(fù)雜的汽車外飾零件采用熱燙印技術(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行研究。柴凱等[8]從燙印的定義、工藝流程、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等幾個(gè)方面對(duì)燙印技術(shù)有更深的論述。楊光亮等[9]探討燙印膜片工藝的生產(chǎn)制造，造型要求和材料要求，對(duì)膜片的物理性能和耐候性能等進(jìn)行分析對(duì)比。黃世鎮(zhèn)[10]闡述熱燙印前格柵的設(shè)計(jì)開發(fā)關(guān)鍵要點(diǎn)，為后續(xù)的熱燙印前格柵開發(fā)提供新的設(shè)計(jì)思路。

相比國(guó)內(nèi)，國(guó)外熱燙印工藝的應(yīng)用和發(fā)展要成熟和廣泛些，特別是在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，熱燙印技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾和外觀部件上。美國(guó)的研究主要關(guān)注于熱燙印油墨的顏色穩(wěn)定性、耐久性和環(huán)保性等方面的研究。歐洲的研究主要關(guān)注于熱燙印工藝的自動(dòng)化和智能化發(fā)展，以提高生產(chǎn)效率和降低成本。Plastics Engineering group[11]提出了汽車格柵的熱燙印工藝及實(shí)際的運(yùn)用成果。Qinghua Chen[12]提出了一種熱燙印膜的熱壓技術(shù)，其中包含高精度，可靠性，功能性，安全性，易用性，穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)。Qing Hua[13]提出了一種具有特殊無縫特性的環(huán)保節(jié)能壓箔膜。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，熱燙印技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)和問題，特別是耐溫水性實(shí)驗(yàn)面臨的挑戰(zhàn)最大，常實(shí)驗(yàn)失敗，性能不合格。因此如何解決該問題成為我們研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 熱燙印耐溫水性能的要求

熱燙印耐溫水性能是評(píng)估熱燙印產(chǎn)品質(zhì)量和耐久性的重要指標(biāo)之一。各主流汽車廠對(duì)熱燙印制定了相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)范，明確了熱燙印的性能要求，主要為熱燙印膜的附著力、耐磨性、耐水性、高低溫交變、耐濕熱、化學(xué)液體、ELV、耐候性等。但對(duì)我們開發(fā)的熱燙印項(xiàng)目來看，耐溫水面臨的挑戰(zhàn)最大。以某主機(jī)廠的熱燙印實(shí)驗(yàn)規(guī)范為例，其耐溫水性要求如表1。

表1 熱燙印膜耐溫水性規(guī)范

2 熱燙印產(chǎn)品主要失效分析

2.1 失效形式

對(duì)新開發(fā)熱燙印產(chǎn)品做實(shí)驗(yàn)，在40 ℃的去離子水中浸泡240 h 后進(jìn)行水洗，放置2 h 后檢查膜層狀態(tài)并測(cè)試附著性。試驗(yàn)后試樣不得出現(xiàn)裂紋、起泡、分層及其他影響使用功能的缺陷。與未進(jìn)行試驗(yàn)的零件相比，產(chǎn)品表面外觀不得有變化。二次附著力測(cè)試，小于1 級(jí)或“X” 無脫落。

以某車型格柵為例，材料為ASA, 熱燙印工藝，開發(fā)過程中多次發(fā)現(xiàn)耐溫水性實(shí)驗(yàn)失敗。主要表現(xiàn)為耐溫水后，熱燙印面起泡導(dǎo)致不合格。其失效照片見圖1。

圖1 熱燙印格柵產(chǎn)品局部氣泡缺陷圖

2 失效原因分析

對(duì)于以上失效，需從熱燙印機(jī)理上分析原因。熱燙印機(jī)理是將熱燙印膜的黏結(jié)層熔化并與素材表面形成附著力，同時(shí)將保護(hù)層、電化鋁與載體層分離，使其保護(hù)層和電化鋁層被轉(zhuǎn)移到素材上。對(duì)熱燙印工藝對(duì)素材的表面要求很高。同時(shí)，電化鋁層延展性低于塑膠，素材與膠粘層有氣泡或者易揮發(fā)小分子存在，在耐溫水的實(shí)驗(yàn)條件下，可能細(xì)小的微孔或空隙生長(zhǎng)或擴(kuò)大形成氣泡而將電化鋁層頂起，即為熱燙印起泡。故對(duì)于耐溫水性實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)起泡導(dǎo)致不合格等失效現(xiàn)象，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下，可能有以下幾個(gè)主要原因：

（1）基材塑料材料未充分干燥：在注塑前，塑料顆粒烘烤溫度和時(shí)間很重要，若設(shè)置不當(dāng)，可能造成塑料在螺桿塑化過程中有少許水分子存在，導(dǎo)致注塑出的產(chǎn)品含有少許水分，從而導(dǎo)致熱燙印后水氣包裹在產(chǎn)品內(nèi)。

（2）熱燙印材料不合適：熱燙印材料中添加的顏料、助劑等成分選擇不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致熱燙印失效。例如，添加過多的顏料或者添加了不耐高溫的成分，都會(huì)導(dǎo)致印刷品表面起泡和附著力不好的現(xiàn)象。

（3）熱燙印參數(shù)不正確：在進(jìn)行熱燙印時(shí)，如果溫度、壓力、時(shí)間等參數(shù)不正確或不穩(wěn)定，也會(huì)導(dǎo)致印刷品表面產(chǎn)生起泡或附著力不合格等問題。

（4）印刷材料表面受潮或處理不當(dāng)：在熱燙印之前，需要對(duì)印刷材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，例如酒精擦拭，去油、除塵等。

（5）工藝操作不正確：在進(jìn)行熱燙印的過程中，如果操作不正確，例如在熱燙印前直接用有汗的水直接觸摸坯件或者熱印時(shí)間過長(zhǎng)，或者吹水槍里面的氣體含有水分或者熱印壓力不夠等，都可能會(huì)導(dǎo)致印刷品表面產(chǎn)生起泡和附著力不合格的現(xiàn)象。

（6）工裝或設(shè)備方面存在問題：熱燙印工裝模具的壓力不均，受熱不均、精度不夠等，都可能對(duì)產(chǎn)品表面產(chǎn)生不良的現(xiàn)象。

因此，為了避免熱燙印產(chǎn)生起泡導(dǎo)致不合格的問題，需要從多個(gè)方面進(jìn)行全面的分析和控制。

3 熱燙印耐溫水性能的提升措施

如前所述，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下，對(duì)于影響熱燙印耐溫水性能因素，歸納為三個(gè)方面：熱燙印原輔材料、熱燙印硬件（熱燙印模具、素材、熱夾具和設(shè)備等）和熱燙印工藝。因此需要從這幾個(gè)方面進(jìn)行提升。

3.1 原輔材料

在熱燙印零件和熱燙印膜原材料的選擇中，應(yīng)考慮到其性能穩(wěn)定性和適應(yīng)性，優(yōu)先選用具有高溫穩(wěn)定性和耐水性的材料。熱燙印零件一般燙印格柵基材為ASA、PMMA+ASA、PC 等改性材料，有一定吸水性，原材料和燙印素材要烘干。同時(shí)禁止使用脫模劑，避免燙印表面被油污等污染，在燙印前，要對(duì)燙印表面進(jìn)行除塵、清潔，進(jìn)一步去除油污等。保證燙印附著力重要工序。熱燙印膜材料主要有PET 薄膜、PVC 薄膜和PU 薄膜等。一般選用進(jìn)口的國(guó)外熱燙印膜。選用高品質(zhì)熱燙印膜外，還需對(duì)熱燙印零件所用原材料ASA、PMMA+ASA、PC 等改性材料（主要是ASA）進(jìn)行優(yōu)化，減少材料中的水分和其它小分子，降低原材料的吸水率。

3.2 熱燙印硬件

熱燙印硬件主要從熱燙印模具、素材、熱燙印夾具和設(shè)備方面來考慮：①注塑模具熱燙印塊處的拋光度, 模具平整性；②素材不允許有毛刺、縮印、熔接線和壓力線，以及刮擦傷等；③素材注塑過程中，禁止使用脫模劑，避免熱燙印表面被油污等污染；熱燙印前，對(duì)熱燙印表面進(jìn)行除塵、除污處理；④精確調(diào)試熱燙印工裝，提高壓印模具和夾具的精度，并保證凹凸壓印模塊位置固定，提高精度和吻合度；⑤保證各熱燙印區(qū)域壓力均勻，溫度可控。

3.3 熱燙印工藝

熱燙印工藝的控制也對(duì)熱燙印耐溫水性能具有重要的影響。在熱燙印過程中，溫度、壓力和時(shí)間三者匹配不當(dāng)都會(huì)影響燙印的外觀和性能。

因此，針對(duì)前面車車型格柵具體的失效產(chǎn)品，分析可能存在的影響因素，結(jié)合耐溫水性能的提升措施，對(duì)相關(guān)因素全面分析并進(jìn)行排除，找出主要原因，列出了耐溫水實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生氣泡的關(guān)鍵影響因素，具體如下：

（1）基材ASA 塑料材料未充分干燥。

（2）熱燙印工藝參數(shù)配合不妥當(dāng)。

（3）半成品放置過久受潮。

（4）吹水槍里面的氣體含有少量水分。

4 改進(jìn)措施及改進(jìn)效果

基于以上關(guān)鍵影響因素，改善措施如下表2。

表2 耐溫水性實(shí)驗(yàn)失效的改善措施

通過以上措施改善后，產(chǎn)品無氣泡、裂紋、分層或附著力不良等問題，滿足產(chǎn)品外觀及耐溫水等性能實(shí)驗(yàn)要求。改善效果產(chǎn)品外觀見圖2。

圖2 工藝改善后的產(chǎn)品外觀圖

5 結(jié)論

（1）影響熱燙印性能因素主要有熱燙印原輔材料、熱燙印硬件（熱燙印模具、素材、熱燙印夾具和設(shè)備等）和熱燙印工藝。

（2）熱燙印耐溫水性能的提升措施主要從以上三方面進(jìn)行優(yōu)化改善，滿足外觀及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）改善熱燙印工藝后，可以有效地解決產(chǎn)品耐溫水易產(chǎn)生氣泡、裂紋、分層或附著力不良等問題，提高產(chǎn)品的耐用性以及整體質(zhì)量，使其更加符合使用及性能要求。