粉末涂料在汽車零部件上的性能應用研究

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   摘要：結合粉末涂料在江淮汽車車廂生產線上的應用項目，介紹了粉末涂料的特點、施工工藝等，驗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裝飾性及涂膜性能。

    關鍵詞：粉末；電泳；配套性能；老化

    0 引言

    隨著國家和社會對環境的日益關注和重視，自2006年12月1日起開始強制執行汽車制造業清潔生產和涂裝標準，對汽車涂裝工業的三廢排放制定了各種嚴格的限制。粉末涂料以其利用率達到99%，無廢水廢渣廢氣（三廢）排放等技術特點，具有明顯的環保和節能優勢，并可極大地降低汽車車身及零部件的涂裝成本。為此我們開展了粉末涂料在汽車車廂上的應用研究。

    1 粉末涂裝工藝及裝備應用條件

    1.1 粉末涂料的特點

    粉末涂料由樹脂、顏填料、固化劑、助劑組成，無溶劑，具有明顯的環保優勢。根據不同的外觀、硬度、柔韌性，耐化學性，耐侯性等的性能要求，可應用具有相應性能特點的環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚酯樹脂等體系的粉末涂料。

    環氧樹脂體系硬而有韌性，可提供優異的機械性能、耐化學性和耐溶劑性，但其熱穩定性、耐光、耐候性較差。聚酯樹脂體系具備優異的熱穩定性和耐候性，可在汽車零部件上應用。丙烯酸樹脂體系具有良好的外觀效果及優異的保光保色性，可用于制備轎車卡車車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及其零部件在國外有成熟的應用案例，但在國內尚無整車應用經驗。其在汽車生產上的應用主要有2條工藝路線，即用于車身涂裝的工藝路線和零部件噴涂的工藝路線。其中車身粉末噴涂的工藝路線如下：

    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）→強冷→粉末清漆噴涂→烘干（180～200℃，/20min）→檢查精修→下線

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

    本項目是車廂項目，采用汽車零部件的粉末涂裝工藝路線：

    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

    其中如果涂裝金屬涂料則采用面涂噴粉線循環2遍的方式，即第1遍噴涂粉末金屬涂料，烘干后再進入面涂噴粉線進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境，粉末噴涂對溫濕度無嚴格的要求，推薦的最佳噴涂工藝條件：溫度18～25℃，相對濕度40%～60%，噴涂窗口管理范圍較寬，如圖1所示。噴涂室的自動段風速：0.3～0.4m/s，人工段風速：0.5～0.6m/s。

    1.3.2 烘干工藝條件

    根據外觀裝飾性要求的高低選擇烘干工藝條件。

    通常，車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 噴涂設備

    粉末涂料噴涂有熱熔和靜電附著2種方式，汽車零部件的粉末涂裝通常采用靜電噴涂。

    與傳統液態涂料靜電噴涂原理類似，接地的被涂物作為陽極，噴涂設備作為陰極，接上負高壓電，在兩極間形成高壓靜電場，陰極產生電暈放電，使噴出的涂料帶負電，按同性相斥、異性相吸的原理，使帶電的涂料在靜電場的作用下沿電力線方向移向被涂物，再經加熱熔融（固化）后成膜，粉末粒子的絕緣電阻都很高，當附著在被涂物后，其自身所保有的荷電量不能立即減少，能保持相當長的時間，在熱熔融前能不受重力、空氣流動和振動的影響，穩定地附著在被涂物表面。

圖2 粉末噴涂設備

    常用的噴涂裝備有自動往復機以及靜電噴槍，常用的靜電旋杯的供應商：ITW/SAMES/DURR

    自動噴涂推薦參數見表1。

表1 粉末涂料噴涂工藝參數表

    缺點：受制于粉末限制，機械臂手渦輪速度較慢，僅為液態涂料的30%，不適宜高節拍的自動噴涂線。

    1.4.2 噴粉供粉系統

    所謂粉，是小的固形物的集合體，它的細度至關重要。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，隨著粒子個數的增加產生了難操縱、易飛散、難管理等問題，因此設備設計中應重點考慮粉末的比表面積大及安全性問題。

    （1）粒徑（粒度）分布

    粉末粒子的直徑稱為粒徑，粉末涂料粉篩后，去除粗的粒子，得到規定粒徑分布范圍的粒子，在使用原粉和回收粉時需考慮此要素。通常粒徑在10μm以下的原粉需控制在10%的范圍內，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：粉末涂料的質量和體積之比，用于對粉末容器的選擇。

    安息角：粉末積存難易程度的關鍵標準，供料斗設計和確定風管內風速。

    （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），不同樹脂的粉末涂料的爆炸極限略有不同，在設計粉房排氣量時需考慮爆炸極限。

    一套完善的噴粉供粉系統，通常包括粉末噴涂室、空調送風系統、噴粉供粉系統、粉末一級二級過濾回收系統，工件識別及電控系統，設備供應商根據外觀質量、產線生產能力等，進行充分的計算，計算書應包含粉槍數量、出粉量、抽風量、上粉率等系統完整參數。噴粉供粉系統示意圖如圖4。

圖4 噴粉供粉系統圖

    2 粉末性能試驗及討論

    在選定的粉末涂裝工藝基礎上，模擬生產現場進行制板，驗證涂層配套性、粉末涂層外觀、機械性能、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行相關性能測試，粉末涂料與電泳涂料配套后的性能測試項目見表2。

表2 粉末涂料與電泳漆配套后的性能測試項目

    2.1.1 粉末涂料與底面合一電泳涂料的配套性驗證

    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℃，存在不配套的風險。為避免前處理材料性能差異對粉末涂料性能的影響，本配套實驗采用標準三元磷化板，分別進行了普通電泳涂料、底面合一電泳涂料與粉末的配套實驗，由于車廂涂裝線采用底面合一電泳涂料，因此重點對粉末與底面合一電泳涂料的配套性進行驗證。

    驗證條件如下：

    （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）配套驗證，粉末面涂烘烤溫度為180℃/20min。

    粉末涂料與電泳漆配套驗證性能如圖5所示。

圖5 粉末涂料與電泳漆驗證性能

    經上述實驗驗證，性能均滿足商用車涂層外觀質量標準。

    2.2 粉末涂料與密封膠的配套性驗證

    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，為驗證焊縫密封膠能否與粉末涂料實現濕碰濕以及在高溫下是否出現開裂、附著力下降等問題，我們進行了密封膠與粉末面漆的配套性驗證。

    2.2.1 試驗板制備

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

    （4）檢測各種性能。

    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驗結果見表3。試驗結果表明：粉末涂料與密封膠在兩種烘干條件下，均配套性良好，可滿足工藝要求。

表3 粉末涂料與密封膠的配套實驗結果

    3 粉末涂料車廂整板噴涂驗證

    在上海某粉末噴涂實驗室進行了車廂整板噴涂藍、白色粉末面涂驗證實驗，涂膜外觀裝飾性的優劣以涂膜外觀及色差數據等指標來衡量。一般情況下，要求車廂涂膜：色差△E≤0.5～1.0；涂膜外涂膜平滑度(長波LW值)≤10～15，橘皮數據（短波SW值）≤20～25，鮮映性(DOI)≥80為合格。

    4 結語

    文中所述的粉末涂料與電泳底漆具有良好的配套性，與密封膠配合無障礙，配套后涂層的綜合性能滿足車廂產品的涂裝要求，可應用與實際生產。粉末涂料應用趨勢是逐漸實現低溫固化，粉末金屬涂料與粉末清漆無法實現“干碰干”施工要求，不同粉末有色涂料之間換色時間相對較長，需對噴涂室及粉末回收系統進行吹掃處理，粉末噴涂生產線速度不宜過快，不適用于顏色較多的乘用車生產。但粉末涂料應用于產品顏色較為單一的車廂等汽車零部件的噴涂，工藝控制整體較液體涂料簡單方便，同時粉末涂料工藝裝備費用遠低于液體涂料，集成式的噴粉供粉回收系統，生產線制作、安裝調試周期及運行能耗均較大幅度縮短，粉末涂料的利用率極高，且無廢水，廢渣，廢氣排放，具有極大的環保優勢。

    綜合以上，粉末涂料具有明顯的環保、投資、管理、運行能耗較低等優勢，適宜于在顏色單一的汽車零部件。

    本文摘自13屆車用涂料與涂裝技術研討會論文集，安徽江淮汽車股份有限公司工藝工程院邢汶平總監將于4月14-15日在天津“第13屆環保車用涂料與涂裝研討會暨2015年汽車涂料專委會年會”做大會主題報告并參加產業鏈互動。（更多資訊請登錄：全球涂料網 http://www.soutuliao.com/）