粉末涂料在汽車(chē)零部件上的性能應(yīng)用研究

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   摘要：結(jié)合粉末涂料在江淮汽車(chē)車(chē)廂生產(chǎn)線(xiàn)上的應(yīng)用項(xiàng)目，介紹了粉末涂料的特點(diǎn)、施工工藝等，驗(yàn)證了粉末涂料與電泳、密封膠的配套性，以及粉末涂層的外觀(guān)裝飾性及涂膜性能。

    關(guān)鍵詞：粉末；電泳；配套性能；老化

    0 引言

    隨著國(guó)家和社會(huì)對(duì)環(huán)境的日益關(guān)注和重視，自2006年12月1日起開(kāi)始強(qiáng)制執(zhí)行汽車(chē)制造業(yè)清潔生產(chǎn)和涂裝標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)汽車(chē)涂裝工業(yè)的三廢排放制定了各種嚴(yán)格的限制。粉末涂料以其利用率達(dá)到99%，無(wú)廢水廢渣廢氣（三廢）排放等技術(shù)特點(diǎn)，具有明顯的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢(shì)，并可極大地降低汽車(chē)車(chē)身及零部件的涂裝成本。為此我們開(kāi)展了粉末涂料在汽車(chē)車(chē)廂上的應(yīng)用研究。

    1 粉末涂裝工藝及裝備應(yīng)用條件

    1.1 粉末涂料的特點(diǎn)

    粉末涂料由樹(shù)脂、顏填料、固化劑、助劑組成，無(wú)溶劑，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。根據(jù)不同的外觀(guān)、硬度、柔韌性，耐化學(xué)性，耐侯性等的性能要求，可應(yīng)用具有相應(yīng)性能特點(diǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂等體系的粉末涂料。

    環(huán)氧樹(shù)脂體系硬而有韌性，可提供優(yōu)異的機(jī)械性能、耐化學(xué)性和耐溶劑性，但其熱穩(wěn)定性、耐光、耐候性較差。聚酯樹(shù)脂體系具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐候性，可在汽車(chē)零部件上應(yīng)用。丙烯酸樹(shù)脂體系具有良好的外觀(guān)效果及優(yōu)異的保光保色性，可用于制備轎車(chē)卡車(chē)車(chē)身外表面裝飾性涂層。

    1.2 工藝流程介紹

    使用粉末涂料涂裝汽車(chē)及其零部件在國(guó)外有成熟的應(yīng)用案例，但在國(guó)內(nèi)尚無(wú)整車(chē)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。其在汽車(chē)生產(chǎn)上的應(yīng)用主要有2條工藝路線(xiàn)，即用于車(chē)身涂裝的工藝路線(xiàn)和零部件噴涂的工藝路線(xiàn)。其中車(chē)身粉末噴涂的工藝路線(xiàn)如下：

    前處理→電泳→烘干→焊縫密封→粉末中涂→中涂烘干（160～180℃/15min）→檢查及中涂打磨→除塵→粉末面涂噴涂→烘干（150～160℃/8～10min）→強(qiáng)冷→粉末清漆噴涂→烘干（180～200℃，/20min）→檢查精修→下線(xiàn)

    其中對(duì)于素色涂料而言，可取消粉末清漆噴涂；如在車(chē)身質(zhì)量要求一般的情況下，可取消粉末中涂工序。

    本項(xiàng)目是車(chē)廂項(xiàng)目，采用汽車(chē)零部件的粉末涂裝工藝路線(xiàn)：

    前處理→電泳→烘干→焊縫密封→粉末面涂噴涂→烘干（180～200℃/20min）→檢查精修→下線(xiàn)

    其中如果涂裝金屬涂料則采用面涂噴粉線(xiàn)循環(huán)2遍的方式，即第1遍噴涂粉末金屬涂料，烘干后再進(jìn)入面涂噴粉線(xiàn)進(jìn)行粉末清漆噴涂及烘干。

    1.3 粉末涂裝工藝條件

    1.3.1 噴涂工藝條件

    相比水性涂料噴涂室溫濕度環(huán)境，粉末噴涂對(duì)溫濕度無(wú)嚴(yán)格的要求，推薦的最佳噴涂工藝條件：溫度18～25℃，相對(duì)濕度40%～60%，噴涂窗口管理范圍較寬，如圖1所示。噴涂室的自動(dòng)段風(fēng)速：0.3～0.4m/s，人工段風(fēng)速：0.5～0.6m/s。

    1.3.2 烘干工藝條件

    根據(jù)外觀(guān)裝飾性要求的高低選擇烘干工藝條件。

    通常，車(chē)廂零部件烘干條件為：180～190℃、20min。

圖1 粉末噴涂溫濕度窗口

    1.4 粉末涂料的工藝裝備

    1.4.1 噴涂設(shè)備

    粉末涂料噴涂有熱熔和靜電附著2種方式，汽車(chē)零部件的粉末涂裝通常采用靜電噴涂。

    與傳統(tǒng)液態(tài)涂料靜電噴涂原理類(lèi)似，接地的被涂物作為陽(yáng)極，噴涂設(shè)備作為陰極，接上負(fù)高壓電，在兩極間形成高壓靜電場(chǎng)，陰極產(chǎn)生電暈放電，使噴出的涂料帶負(fù)電，按同性相斥、異性相吸的原理，使帶電的涂料在靜電場(chǎng)的作用下沿電力線(xiàn)方向移向被涂物，再經(jīng)加熱熔融（固化）后成膜，粉末粒子的絕緣電阻都很高，當(dāng)附著在被涂物后，其自身所保有的荷電量不能立即減少，能保持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，在熱熔融前能不受重力、空氣流動(dòng)和振動(dòng)的影響，穩(wěn)定地附著在被涂物表面。

圖2 粉末噴涂設(shè)備

    常用的噴涂裝備有自動(dòng)往復(fù)機(jī)以及靜電噴槍?zhuān)�常用的靜電旋杯的供應(yīng)商：ITW/SAMES/DURR

    自動(dòng)噴涂推薦參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 粉末涂料噴涂工藝參數(shù)表

    缺點(diǎn)：受制于粉末限制，機(jī)械臂手渦輪速度較慢，僅為液態(tài)涂料的30%，不適宜高節(jié)拍的自動(dòng)噴涂線(xiàn)。

    1.4.2 噴粉供粉系統(tǒng)

    所謂粉，是小的固形物的集合體，它的細(xì)度至關(guān)重要。20μm的粉末粒子集合體，比表面積大大增加，具有易帶靜電、易受潮、易受熱、易燃燒、易附著在物體上的特點(diǎn)，隨著粒子個(gè)數(shù)的增加產(chǎn)生了難操縱、易飛散、難管理等問(wèn)題，因此設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮粉末的比表面積大及安全性問(wèn)題。

    （1）粒徑（粒度）分布

    粉末粒子的直徑稱(chēng)為粒徑，粉末涂料粉篩后，去除粗的粒子，得到規(guī)定粒徑分布范圍的粒子，在使用原粉和回收粉時(shí)需考慮此要素。通常粒徑在10μm以下的原粉需控制在10%的范圍內(nèi)，篩分去除粒徑＞50μm粉末粒子，中位粒徑D50控制為38～42μm。粒徑分布如圖3所示。

圖3 粉末粒徑分布圖

    體積密度：粉末涂料的質(zhì)量和體積之比，用于對(duì)粉末容器的選擇。

    安息角：粉末積存難易程度的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，供料斗設(shè)計(jì)和確定風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速。

    （2）粉末爆炸極限

    可燃物與空氣混合比例表示粉末涂料的爆炸范圍（上限、下限），不同樹(shù)脂的粉末涂料的爆炸極限略有不同，在設(shè)計(jì)粉房排氣量時(shí)需考慮爆炸極限。

    一套完善的噴粉供粉系統(tǒng)，通常包括粉末噴涂室、空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)、噴粉供粉系統(tǒng)、粉末一級(jí)二級(jí)過(guò)濾回收系統(tǒng)，工件識(shí)別及電控系統(tǒng)，設(shè)備供應(yīng)商根據(jù)外觀(guān)質(zhì)量、產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)能力等，進(jìn)行充分的計(jì)算，計(jì)算書(shū)應(yīng)包含粉槍數(shù)量、出粉量、抽風(fēng)量、上粉率等系統(tǒng)完整參數(shù)。噴粉供粉系統(tǒng)示意圖如圖4。

圖4 噴粉供粉系統(tǒng)圖

    2 粉末性能試驗(yàn)及討論

    在選定的粉末涂裝工藝基礎(chǔ)上，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制板，驗(yàn)證涂層配套性、粉末涂層外觀(guān)、機(jī)械性能、耐久性能等。

    2.1 粉末涂料涂裝配套性研究

    研究粉末涂料與車(chē)廂涂裝前處理材料、普通陰極電泳涂料、底面合一陰極電泳涂料的配套性能，分別與前處理電泳配套后進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，粉末涂料與電泳涂料配套后的性能測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 粉末涂料與電泳漆配套后的性能測(cè)試項(xiàng)目

    2.1.1 粉末涂料與底面合一電泳涂料的配套性驗(yàn)證

    由于粉末面涂烘烤溫度為180～190℃，而通常電泳涂層干燥溫度僅150～160℃，存在不配套的風(fēng)險(xiǎn)。為避免前處理材料性能差異對(duì)粉末涂料性能的影響，本配套實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)三元磷化板，分別進(jìn)行了普通電泳涂料、底面合一電泳涂料與粉末的配套實(shí)驗(yàn)，由于車(chē)廂涂裝線(xiàn)采用底面合一電泳涂料，因此重點(diǎn)對(duì)粉末與底面合一電泳涂料的配套性進(jìn)行驗(yàn)證。

    驗(yàn)證條件如下：

    （1）阿克蘇諾貝爾粉末涂料與普通電泳涂料烘烤溫度180℃/20min。

    （2）配套驗(yàn)證，粉末面涂烘烤溫度為180℃/20min。

    粉末涂料與電泳漆配套驗(yàn)證性能如圖5所示。

圖5 粉末涂料與電泳漆驗(yàn)證性能

    經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，性能均滿(mǎn)足商用車(chē)涂層外觀(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

    2.2 粉末涂料與密封膠的配套性驗(yàn)證

    因正常的PVC焊縫密封膠的烘干條件為140℃/20min，而一般粉末涂料的烘干條件均為180～200℃/20min以上，為驗(yàn)證焊縫密封膠能否與粉末涂料實(shí)現(xiàn)濕碰濕以及在高溫下是否出現(xiàn)開(kāi)裂、附著力下降等問(wèn)題，我們進(jìn)行了密封膠與粉末面漆的配套性驗(yàn)證。

    2.2.1 試驗(yàn)板制備

    主要制板工藝流程如下：

    前處理→底面合一電泳板→烘干→刮涂密封膠→噴涂粉末面涂→烘烤→檢測(cè)性能

    具體步驟如下：

    （1）分別選取4塊電泳板；

    （2）用玻璃膠噴槍將密封膠擠出4道平行直線(xiàn)膠附著在電泳板上，并且將其中2道刮涂成平面；

    （3）將上述試驗(yàn)板分別噴涂高光有色粉末涂料，再進(jìn)行烘干，烘干條件分別為180℃/20min和200℃/10min；

    （4）檢測(cè)各種性能。

    2.2.2 粉末涂料與密封膠的配套性比較

    粉末涂料與密封膠的配套實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明：粉末涂料與密封膠在兩種烘干條件下，均配套性良好，可滿(mǎn)足工藝要求。

表3 粉末涂料與密封膠的配套實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    3 粉末涂料車(chē)廂整板噴涂驗(yàn)證

    在上海某粉末噴涂實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了車(chē)廂整板噴涂藍(lán)、白色粉末面涂驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，涂膜外觀(guān)裝飾性的優(yōu)劣以涂膜外觀(guān)及色差數(shù)據(jù)等指標(biāo)來(lái)衡量。一般情況下，要求車(chē)廂涂膜：色差△E≤0.5～1.0；涂膜外涂膜平滑度(長(zhǎng)波LW值)≤10～15，橘皮數(shù)據(jù)（短波SW值）≤20～25，鮮映性(DOI)≥80為合格。

    4 結(jié)語(yǔ)

    文中所述的粉末涂料與電泳底漆具有良好的配套性，與密封膠配合無(wú)障礙，配套后涂層的綜合性能滿(mǎn)足車(chē)廂產(chǎn)品的涂裝要求，可應(yīng)用與實(shí)際生產(chǎn)。粉末涂料應(yīng)用趨勢(shì)是逐漸實(shí)現(xiàn)低溫固化，粉末金屬涂料與粉末清漆無(wú)法實(shí)現(xiàn)“干碰干”施工要求，不同粉末有色涂料之間換色時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，需對(duì)噴涂室及粉末回收系統(tǒng)進(jìn)行吹掃處理，粉末噴涂生產(chǎn)線(xiàn)速度不宜過(guò)快，不適用于顏色較多的乘用車(chē)生產(chǎn)。但粉末涂料應(yīng)用于產(chǎn)品顏色較為單一的車(chē)廂等汽車(chē)零部件的噴涂，工藝控制整體較液體涂料簡(jiǎn)單方便，同時(shí)粉末涂料工藝裝備費(fèi)用遠(yuǎn)低于液體涂料，集成式的噴粉供粉回收系統(tǒng)，生產(chǎn)線(xiàn)制作、安裝調(diào)試周期及運(yùn)行能耗均較大幅度縮短，粉末涂料的利用率極高，且無(wú)廢水，廢渣，廢氣排放，具有極大的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

    綜合以上，粉末涂料具有明顯的環(huán)保、投資、管理、運(yùn)行能耗較低等優(yōu)勢(shì)，適宜于在顏色單一的汽車(chē)零部件。

    本文摘自13屆車(chē)用涂料與涂裝技術(shù)研討會(huì)論文集，安徽江淮汽車(chē)股份有限公司工藝工程院邢汶平總監(jiān)將于4月14-15日在天津“第13屆環(huán)保車(chē)用涂料與涂裝研討會(huì)暨2015年汽車(chē)涂料專(zhuān)委會(huì)年會(huì)”做大會(huì)主題報(bào)告并參加產(chǎn)業(yè)鏈互動(dòng)。（更多資訊請(qǐng)登錄：全球涂料網(wǎng) http://www.srglobaltrade.com/）