硅橡膠墊片造成的油漆污染問題解決

王天雨 李宗禮 吳迪

摘要：在某款車生產(chǎn)中，舉升門鉸鏈墊片附近出現(xiàn)了油漆縮孔的污染現(xiàn)象，此缺陷出現(xiàn)頻率較高，需要現(xiàn)場進行打磨返修，極大影響生產(chǎn)效率。經(jīng)過氣相色譜，質(zhì)譜等試驗檢測確定污染物為甲基環(huán)硅氧烷，產(chǎn)生原因為硅橡膠墊片在經(jīng)過油漆車間烘烤的時候，有析出小分子的甲基環(huán)硅氧烷，導致了油漆污染。根據(jù)該問題，將舉升門鉸鏈墊片由硅橡膠改成了三元乙丙橡膠，徹底解決了油漆污染問題。

關鍵詞：舉升門鉸鏈墊片 硅橡膠 涂裝車間污染問題

中圖分類號：U465.4+2?? 文獻標志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230206

Solution of Painting Pollution Caused by Silicon Rubber Gasket

Wang Tianyu， Li Zongli， Wu Di

（Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 202301）

Abstract： In the production of a vehicle， the painting shrinkage appeared near the liftgate hinge gasket. This defect occurred frequently and needed to be polished and repaired on site， which greatly affected the production efficiency. The pollutant was determined to be methyl cyclosiloxane by gas chromatography， mass spectrometry and other tests. The cause is that when the silicone rubber gasket is baked in the paint workshop， small molecules of methyl cyclosiloxane are precipitated， which leads to paint pollution. According to this problem， the liftgate hinge gasket was changed from silicone rubber to ethylene propylene diene monomer rubber， which completely solved the problem of paint pollution.

Key words： Liftgate hinge gasket， Silicone rubber， Pollution in painting workshop

作者簡介：王天雨（1991—），男，碩士學位，研究方向為后蓋鉸鏈方向。

參考文獻引用格式：

王天雨， 李宗禮， 吳迪. 硅橡膠墊片造成的油漆污染問題解決[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 40-44.

WANG T Y， LI Z L， WU D. Solution of Painting Pollution Caused by Silicon Rubber Gasket[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 40-44.

1 前言

油漆工藝中的烘烤車間承擔了所有車輛的電泳漆烘烤任務，因此它的運作效率和穩(wěn)定直接影響到整個工廠的效率。烘烤車間的烘烤溫度曲線會因工廠不同而有差異，但大致是在180～200 ℃，烘烤30～40 min。硅橡膠具有優(yōu)異的耐熱性、耐寒性、介電性、耐臭氧和耐大氣老化等性能，硅橡膠突出的性能是使用溫度寬廣，能在-60～250 ℃甚至更大溫度區(qū)間內(nèi)長期使用。烘烤車間的溫度和硅橡膠優(yōu)良的耐熱性能是選擇硅橡膠作為舉升門鉸鏈墊片的原因，也是造成油漆縮孔污染現(xiàn)象的原因。介紹由硅橡膠引起的油漆污染問題并探究其解決方案。

2 污染物確認

2.1 確認污染物來源

如圖1所示為某項目油漆縮孔污染現(xiàn)象實物圖。油漆縮孔即是漆膜中小的圓形的凹坑（圖2）。如圖3所示縮孔中心有低表面張力的物質(zhì)存在，其與周圍的涂料存在表面張力差，這個差值就是縮孔形成的動力，促使周圍的液體流體向四周背離縮孔污源而流開成凹陷-縮孔。表面張力差由甲基環(huán)硅氧烷造成。

油漆縮孔現(xiàn)象會造成汽車油漆表面明顯的外觀缺陷，必須經(jīng)過返修修復。如果生產(chǎn)線上產(chǎn)生大量的油漆縮孔污染現(xiàn)象，那么涂裝車間需要花費大量的人工成本進行修復，造成極大的經(jīng)濟損失。因此，需要通過GC-MS等試驗確認污染物，并驗證使用新材料的可行性。

根據(jù)經(jīng)驗，金屬裸板不會產(chǎn)生油漆污染，如圖4鉸鏈的物料清單中，含非金屬材料的物料為墊片、襯套和緊固螺母（噴黑漆）。通過正交試驗對污染物來源進行確認。從生產(chǎn)線上隨機選取12個鉸鏈作為樣品，將鉸鏈固定于金屬板上作為試驗裝置（圖5）。每4個為一組，每組分別去掉墊片、襯套和螺母，試驗結(jié)果如圖6～圖7所示。最后將試驗裝置掛在舉升門鉸鏈位置處，隨整車一起過電泳和烘房（圖8），分別記錄帶有污染的數(shù)量，最終測試結(jié)果如表1所示。

由表1測試結(jié)果分析得出，墊片是造成污染物的主要原因。

2.2 墊片成分分析

鉸鏈墊片的作用是密封防水，在下雨、洗車等工況下，阻止液體進入艙內(nèi)，因此墊片是保證用戶體驗的關鍵零件。

鉸鏈墊片材料為甲基乙烯基硅橡膠（Vinyl Methyl Quality，VMQ）。VMQ具有優(yōu)異耐高溫性能，同時其含有少量的乙烯基側(cè)鏈，使之有更多種類的過氧化物可供硫化使用，抗壓縮永久變形性能獲得顯著的改進。低的壓縮變形反映了它作為密封件在高溫下具有較佳的支撐性，是較常用的一種硅橡膠[1]。基于以上原因，選擇硅橡膠作為鉸鏈墊片材料。

2.3 確認污染物成分

2.3.1 SEM-EDS檢測污染物形成元素

掃描電鏡及能譜儀（Scanning Electron Microssopy and Energy Dispersive Spectrometer，SEM-EDS）以電影攝影顯像方式，用聚焦電子束在樣品表面掃描時激發(fā)產(chǎn)生的某些物理信號來調(diào)制成像，其放大倍數(shù)為30 000倍，可檢測表面元素組成。在污染物中選取5點（圖9）做EDS測試并分別標記為01、02、03、04及05，點05的EDS測試圖譜如圖10所示。

從5個點的EDS檢測結(jié)果（表2）中可以看出，污染物中含有Si元素，只有鉸鏈墊片中含有硅元素，因此可以確認Si元素來源于硅橡膠墊片。

2.3.2 GC-MS 試驗確認污染物成分

氣相色譜（Gas Chromatography，GC）的流動相為惰性氣體，氣-固色譜法中以表面積大且具有一定活性的吸附劑作固定相。當組分的混合樣品進入色譜柱后，由于吸附劑對每個組分的吸附力不同，經(jīng)過一定時間后，各組分在色譜柱中的運行速度也就不同。吸附力弱的的組分容易被吸附下來，最先離開色譜柱進入檢測器，而吸附力最強的組分最不容易被吸附下來，因此最后離開色譜柱。如此，各組分得以在色譜柱中彼此分離，循序進入檢測器中被檢測，記錄下來[2]。

測試樣品的質(zhì)譜（Mass Spectrometry，MS）。質(zhì)譜分析法是通過對被測樣品離子的質(zhì)荷比的測定來進行分析的一種分析方法。被分析的樣品首先要離子化，然后利用不同離子在電場或磁場的運動行為的不同，把離子按質(zhì)荷比（m/z）分開而得到質(zhì)譜，通過樣品的質(zhì)譜和相關信息，可以得到樣品的定性定量結(jié)果[2]。

氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）的有效結(jié)合既充分利用色譜的分離能力，又發(fā)揮了質(zhì)譜的定性專長，優(yōu)勢互補，結(jié)合譜庫檢索，可以得到較滿意的分離機鑒定結(jié)果[2]。

GC-MS試驗檢測的樣品準備如下：第1組墊片樣品經(jīng)過二次硫化，即200 ℃，烘烤4 h；第2組墊片樣品為供應商在供品。檢測結(jié)果如表3。從檢測中可以看出供應商在供品中有揮發(fā)性甲基環(huán)硅氧烷殘留，經(jīng)過二次硫化過的硅橡膠墊片沒有揮發(fā)性甲基環(huán)硅氧烷殘留。

3 解決方案及驗證

3.1 二次硫化

由供應商交樣前對硅橡膠墊片進行二次硫化，即在200 ℃下對硅橡膠墊片進行4 h烘烤，提前析出硅氧烷，以達到避免油漆污染的目的。按照生產(chǎn)測試經(jīng)驗，樣品數(shù)量按照10、50、500等逐漸增加，以驗證大批量生產(chǎn)問題。

第1組樣品為二次硫化硅橡膠墊片10個（圖11）。第2組樣品為二次硫化硅橡膠墊片50個（圖12）。重復前文中介紹的油漆匹配性試驗，樣品測試結(jié)果如表4所示。

從2次油漆匹配性試驗中可以看出，同樣的二次硫化條件下，200 ℃，4 h，第1次能夠完全消除油漆污染，第2次卻不能完全消除。因此，二次硫化的方法并不能穩(wěn)定解決油漆污染問題。

3.2 硅含量檢測

3.2.1 檢測標準原理

通過熱失重分析確認有油漆污染的墊片和無油漆污染墊片中的含硅量差異，通過這個差異制定供應商硅橡膠墊片的收貨標準，例如無油漆污染的墊片含量為2%，每批次墊片中隨機抽取10個墊片，進行熱失重實驗，質(zhì)量丟失大于2%，即該批次墊片不合格，重新供貨。

3.2.2 試驗結(jié)果

樣品組A：無油漆污染的試驗組的墊片3個，并且未經(jīng)二次硫化（圖13）。

樣品組B：有油漆污染的試驗組的墊片3個，并且未經(jīng)二次硫化（圖14）。

從表5中可以看出，有油漆污染的試驗組的墊片的硅氧烷含量確實比無油漆污染的試驗組的墊片含量高，但是差異很小，只有0.25%，而一個墊片的質(zhì)量僅為1.5 g，差異太小，難以檢測，供應商工藝也難以到達這個水平。

3.3 更改墊片材料

三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）是乙烯、丙烯和少量的非共軛二烯烴的共聚物，是乙丙橡膠的一種，EPDM有成熟的應用經(jīng)驗，廣泛應用于密封件，橡膠管和橡膠墊等，其擁有良好的耐老化性能，耐天候性能，電絕緣性能，耐化學腐蝕性能[3]，因此成為墊片的新選擇。之前選擇硅橡膠，是因為硅橡膠比EPDM性能更優(yōu)異，尤其是耐高溫性能。

3.3.1 驗證

油漆匹配性試驗：選擇與硅橡膠墊片相同尺寸規(guī)格的EPDM墊片作為樣品，除材料外其余全部相同，進行油漆匹配性試驗。測試結(jié)果如圖15所示，未出現(xiàn)油漆縮孔問題，證明EPDM可以解決油漆污染問題。

對EPDM墊片進行生產(chǎn)線驗證。在量產(chǎn)項目中切換墊片材料為EPDM，發(fā)現(xiàn)所有車輛的鉸鏈附近沒有出現(xiàn)油漆污染的縮孔問題（圖15）。同時，隨機抽取若干輛車，再經(jīng)過涂裝車間烘烤后進行拆解，目測EPDM未見明顯變形及碎裂（圖16），同時雨淋試驗也全部通過。滿足功能要求之后，根據(jù)相關標準，對材料進行硬度測試等材料性能測試，結(jié)果全部通過。

對EPDM墊片進行耐久試驗驗證。在某個項目中的開關尾門耐久試驗中，切換鉸鏈墊片材料為EPDM，在經(jīng)過一整個整車壽命的耐久試驗之后，對車輛進行拆解。如圖17所示，EPDM墊片有少許變形，但邊緣完整，無碎裂等失效形式。

經(jīng)過上述試驗驗證，EPDM適合作為鉸鏈墊片，并且成本比硅橡膠墊片更加低廉。

4 結(jié)論

a.硅橡膠墊片經(jīng)過高溫烘烤會有硅氧烷析出，從而造成油漆縮孔污染。

b.二次硫化工藝可以改善油漆縮孔污染現(xiàn)象，但是該工藝并不穩(wěn)定，并不能每次都完全提前析出硅氧烷。

c.硅橡膠墊片不適合用于需要通過油漆車間的零件，總裝零件不受限制，例如塑料舉升門，鉸鏈墊片仍然可以使用硅墊片。

d.EPDM墊片可以通過油漆車間的烘烤，代替硅橡膠作為舉升門鉸鏈墊片的原材料。

參考文獻：

[1] 趙旭濤， 劉大華. 合成橡膠工業(yè)手冊[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2006： 1049-1087.

[2] 陸立明. 熱分析應用基礎[M]. 上海： 東華大學出版社， 2010： 106–107.

[3] 唐斌， 李曉強， 王進文. 乙丙橡膠應用技術[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2005： 343.