车用塑料件涂料及其涂装

     摘要:阐述了汽车塑料件涂料涂装常见的失效形式及分析、塑料件损伤的修理方法和车用塑料件涂装常见的涂料种类。同时介绍了汽车塑料件的喷涂前处理、喷涂施工及硬塑料件的喷涂方法。

关键词:车用塑料;涂料涂装;施工方法

1 引言
塑料件在汽车上的普遍使用对于汽车工业的发展具有重要意义,它不仅能减轻汽车的质量、节约能源,使汽车更加安全舒适,它还比金属更耐大气腐蚀、耐汽油,易于加工成型而降低生产成本等。时下许多汽车部件均已采用工程塑料或者聚合物基复合材料。塑料件涂覆涂料不仅可以改善其表面性质,有时还可以实现性能的改进。汽车灯罩与反光镜材料以塑料代替玻璃就得益于光固化涂料的处理技术。聚碳酸酯具有易加工成型、质量轻、柔性强、不易破碎等优点,但它的表面强度不够,不耐刻划和刮擦,而且耐候性差,易变黄。采用光固化涂料改善其表面性质,不仅可大大节省涂装时间而且涂层有很好的光学耐擦性能,并可满足长期耐候性要求。因此,如今聚碳酸酯灯罩已完全代替玻璃
灯罩。汽车反光镜也是用塑料制成,但要求有很高的反光性能,为此,塑料表面须经3 次紫外光照射处理。首先塑料要经过紫外光照射使表面产生光化学反应而增加表面张力,以利于光固化涂料的流平与附着;经过涂布光固化清漆后,塑料表面变得平坦而易于金属化;然后在真空沉积箱中完成金属沉积。在塑料表面金属化后还需要涂布一层光固化涂料,以保护金属反光层[1]。

2 汽车工程塑料代替金属材料的发展趋势
随着合成化学工业的发展,塑料品种越来越多,性能也不断地提高,采用工程塑料代替各种金属材料是一种技术进步。塑料的耐腐蚀性能好、密度低,有些工程塑料的力学性能不亚于金属材料。汽车要省油,就要轻量化,因此塑料在汽车上的应用在全世界呈增长的趋势。塑料不仅应用于内饰件,现已发展到制造外饰件和车身的外表件(如前后保险杠、挡泥板、车轮罩、车门、仪表板、保护板、水箱面罩等),塑料件在轿车上的用量已占总量的15%以上。汽车塑料件涂装的目的是提高其外表装饰性。当汽车塑料件在使用中因事故受到损伤或涂层老化时,就需对其进行修补涂装。但因塑料品种、材质和软硬不一,除SMC、PA、PBT 等品种外,一般不耐高温,因而增加了塑料涂装的难点;另一难点是聚合系列塑料的表面能低,表面极性小,涂料的湿润性差,往往造成涂膜的附着力差。针对上述塑料涂装上的难点和各工业部门对塑料件涂装的要求,有些涂料公司已开发出了塑料用系列涂料。

3 汽车塑料件涂装常见的失效形式及分析
涂膜的附着机理有2 种:机械附着和化学附着,其中化学附着包括静电力、吸引力、氢键的作用力和化学亲合力等。在汽车外饰塑料件三涂层(底漆+色漆+清漆)结构中,附着力不良分为底漆与底材、色漆与底漆、清漆与色漆间3 种形式。
底漆与底材间附着力不良,主要是由于底漆与底材不配套或底材表面前处理不好所导致的;色漆与底漆间附着力不良,主要是底漆表面污染及其它原因导致底漆表面活性点减少,一般该现象多发生于1K 或2K 免烘烤底漆喷涂后放置时间过长等情况;清漆与色漆间的附着力不良,大多系色漆与清漆的配套性问题。

涂层起泡基于半透膜理论的渗透压作用:水分子透过涂膜与涂层或底材上的盐分或吸水性物质等结合,当水分子聚集到足够的量而形成溶液时就会膨胀产生应力,由于渗透压的作用促使泡不断变大。这种泡在涂层干燥过程中有些可以消失,有些则永久存在。
起泡的主要原因有:基材表面处理不良,残留油污、可溶性盐等物质;涂装过程中溶剂不适当地挥发,成膜后内部残留溶剂;涂料配方中存在可溶性颜填料。
涂膜老化是由于受到了内外光热自由基及氧化作用的影响,化学结构发生了改变,从而导致涂膜粉化、失光、变色。影响因素是阳光辐照、温度、湿度、雨、雾、水、冰、雪等。耐候性能的优劣与涂料配方中原材料的抗老化性能有着直接关系。

4 汽车塑料件的损伤修理
塑料件的损伤与黏结剂。一般来说,塑料件表面的涂膜受到损伤总要波及到零件本体,使之产生相应的损伤,如划痕、裂纹、擦伤、撕裂、刺穿等。要修复损伤的涂膜,首先要将塑料件修复,使之达到喷涂面漆的要求,对于上述损伤的修理,通常采用化学黏结剂黏结法。常用的黏结剂有2 种:一种是以环氧树脂或氨基甲酸乙酰为基体与硬化剂混合调匀而成的黏结剂;另一种是以聚酯为基体与硬化剂混合调匀的黏结剂。近年来,有“超级胶”声誉的氰基丙烯酸酯以其新颖的特性,被逐步运用于塑料的黏结之中。
塑料件划痕和裂纹的修理。塑料件的划痕和裂纹通常采用黏结剂修理,其修理工艺如下:用水和塑料清洁剂清洗待修理部位,对结合部位表面进行除蜡、脱脂处理;使用黏结剂之前,应将塑料件加热至20 ℃左右;将催化剂喷至裂纹一侧,然后在该侧敷好黏结剂;将划痕或裂纹两侧按原来位置对好,迅速压紧,约1 min 后即可获得良好的黏结效果。黏结部位应有3 ~ 12 h 的硬化时间,以达到最大的黏结强度。
塑料件擦伤、撕裂和刺穿的修理。擦伤、撕裂和刺穿的修理工艺大致如下:用有去除石蜡、油脂和硅树脂功能的溶剂浸湿干净的抹布,彻底清除损伤部位的污物,然后擦拭干净;将擦伤孔边6 ~ 10 mm 宽处磨削成斜面以便于黏结,磨削出粗糙表面有利于黏结;用精细砂轮削去修理部位边缘的涂料,使孔边附近3 cm 左右表面的涂料全部被清除掉,然后进行必要的清洁处理;对孔边进行火焰处理,改进黏结性能。使用喷灯火焰在斜面处不断移动,使斜面处略呈棕色为止;用去硅树脂和去蜡剂清洗修理部位的背面,然后贴上带有强黏结剂的铝箔和能防潮的胶带,把孔完全覆盖住;按照说明准备黏结材料。大多数黏结剂都分别装在2 根管中,在一块金属板面或木板上分别挤出等量的黏结材料,将它们充分搅拌,混合均匀,待用;用刮板把混合好的黏结剂分两步填充到孔洞中,第一步填充孔底,第二步将孔洞填平。动作要快,因为这种黏结剂在2 ~ 3 min 内会固化。填充完毕,硬化1 h 后用粗细砂轮磨去表面的凸点,并清除修理部位的碎屑、灰尘等污物;第二次调好的黏结剂填满修理部位,用刮板刮平整形。待干固后用80# 砂纸把周围修整出一个粗轮廓,然后再用180#和240# 砂纸打磨,对表面精修。如出现高低不平或针孔,可用填充剂填平;用320# 砂纸进行最后的精磨,打磨后清洁修理部位,做好涂面漆的准备。

5 车用塑料件常用涂料
目前塑料件的材质主要有PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PS(聚苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PC(聚碳酸酯)、POM(聚氧甲烯)、聚酰胺和聚酰醚等。
ABS 的极性较大,可直接涂覆面漆。但需要满足以下条件:①ABS 塑料件表面的脱模剂需要处理干净;②要选用适当体系的涂料,如丙烯酸系、聚氨酯系和环氧系涂料;③塑料件本体颜色是黑色,成品需要白色,则白色面漆的膜厚要高,才能够完全遮盖黑色,否则达不到预期效果。因此在这种情况下,一般需要先进行浅色底漆涂装来遮盖底材的颜色以提高白色面漆的遮盖力。一般含有底漆涂层的涂膜丰满度和附着力比仅有面漆涂层的要好。
PS、HIPS(高抗冲聚苯乙烯)等塑料对溶剂敏感,容易被溶剂侵蚀,且耐温性较差,一般选择常温自干的热塑性丙烯酸漆、改性丙烯酸漆或硝基漆等,并需选择极性配套的稀释剂,以达到提高附着力的目的。
PP、PE 等非极性的聚烯烃,因涂料在其表面难以润湿和附着,且这些材质耐溶性很强,涂装难度最大,比较实用的办法是加涂一层薄层底漆,在面漆与底材之间起承上启下的作用。底漆选用需满足2 个要求:①对塑料底材必须有良好的结合力;②不能过分溶蚀塑料表面。涂料中的稀释剂对塑料底材有一定的膨润度,膨润层加强了底漆与底材的附着力。
如某汽车厂塑料件涂装生产线采用PPG 的产品,代号为A11-4607103GA 的双组分底漆,75 ℃烘干30min,附着力很好。有的厂家采用免烘烤型底漆,取消了底漆烘干工序,但此工艺只能适用于部分底材,膜厚要比双组分底漆薄10 μm,面漆丰满度也不如双组分的好。又如某厂用单组分聚氨酯底漆涂覆于PP 底材,常温下10 min 干燥成膜,附着力能达到工艺要求[2]。

6 汽车塑料件的喷涂前处理
汽车塑料件的喷涂工艺流程: 坯件打磨→化学处理→除尘→喷底漆→色漆(或金属闪光漆)→罩光→烘烤→交验→合格品入库→不合格品返修或脱漆汽车塑料件喷涂前的表面处理。通常塑料分为硬塑料(刚性塑料)和软塑料(半刚性塑料)。汽车制造厂提供的塑料备件,有的已经涂过底漆,有的未涂底漆。对于后者,应使用专门的塑料底漆、底漆密封剂或乙烯清漆来提高涂层的附着力。

表面处理先用面漆的稀释剂或推荐的溶剂彻底清洗塑料件,要用中性洗涤剂,并将零件用清水洗净擦干。对需要喷涂底色漆的部位用400# 砂纸打磨,要喷涂透明清漆的混涂区域用600# 或更细的砂纸打磨,并用表面清洁剂擦净。
硬塑料件的表面处理。对于新的零部件,必须用干净的抹布蘸上酒精擦拭其表面;用去蜡、去油脂清洗剂彻底清洗表面;打磨已暴露出来的玻璃纤维,手磨时,使用220# 或280# 砂纸;用磨光机打磨时,用80# ~ 120#砂纸;用干净布重新擦干净表面;如果有需要填平的焊缝、气穴,应在整个表面上涂1 层车身填充剂,干燥之后,再打磨、清洁,最后再涂1 层保护层或2 层环氧铬酸盐涂料;按照包装上的说明,将腻子涂在表面上,干燥之后用细砂纸磨光,用压缩空气吹除灰尘,用黏性抹布擦拭干净;涂面漆。

软塑料件的表面处理。对于未涂底漆的软塑料零部件处理方法如下:用一块在水中浸湿的布蘸上去蜡、去油脂和除硅清洗剂清洁整个表面,并擦干;用320#砂纸打磨划伤处和用填充剂修补过的表面,吹除灰尘,并用黏性抹布擦拭干净;调制并涂覆4 层中等干燥的软性腻子;让表面干燥至少1 h,然后用400# 砂纸进行打磨,清除所有光泽,为涂面漆做准备。

塑料化学处理。汽车塑料件化学处理是去除塑料制品上的涂料、脱模剂及低分子添加剂等杂质,主要采用有机溶剂和化学溶液两类。虽然有机溶剂成本和毒性都比化学溶液高,但有机溶剂清洗具有工艺短、处理过程简单、不需加热及烘烤、设备投资少等诸多优点,因而被塑料涂装厂家广泛采用。在汽车塑料件清洗剂的选择上,应从对油脂、脱模剂的清洗效果,溶剂对清洗材料的溶解情况、溶剂的毒性等几方面来考虑。
由于塑料的抗溶剂性能优良,对溶剂的溶解性没有特殊要求,附在塑料件上的油脂、脱模剂可分为植物油和矿物油2 类,因而在清洗溶剂的选择上,可选用极性溶剂醇、酮、酯与非极性的烃类或芳烃类组成的混合溶剂。实践证明:该混合溶剂有优异的除油效果,并且清洗后的废溶剂可作不合格涂装件的脱漆剂使用,这样既降低了生产成本,又减少了环境污染。作为化学清洗用有机溶剂,当确定了配方中各组分的类别后,还应考虑各类溶剂的沸点及挥发速率等因素。适中的沸点和挥发速率,保证塑料件清洗完成后,附在产品上的溶剂能迅速挥发以利于下道加工,如溶剂选择不当,沸点太低、挥发速率过快,会因溶剂的大量挥发而造成浪费;如挥发速率太慢,使残留在产品上的溶剂长时间不能挥发完全,会给后处理和涂装的质量带来不利影响。经试验,异丙醇和洗涤汽油的混合溶剂清洗效果良好,该清洗溶剂已在生产中广泛使用。

对聚丙烯塑料件喷漆时,要使用一种专门的底漆,聚丙烯塑料很坚硬,使用传统的内部树脂漆打底后便可涂面漆,其表面处理过程如下:用去蜡和除硅清洗剂清洗表面;按照包装说明,涂一层较薄的聚丙烯底漆,让底漆快速干燥1 ~ 10 min;在快速干燥期间,涂一层传统的内部树脂面漆,并让面漆干燥,然后才可以安装这一零部件。

7 汽车塑料件的喷涂施工
涂料的选配和施工作业。参照涂料供应商提供的色卡以及汽车厂的颜色标号选定丙烯酸面漆、清漆,进行调色,然后按说明书介绍的稀释比稀释涂料。大多数外用硬性塑料件不需要用底漆,有些涂料生产厂仍然建议在涂色漆前使用底漆,但不应用磷化底漆、金属处理剂和柔软剂等。
按施工要求进行喷涂,用漆量以完全遮盖为宜,不要太多,一般有2 ~ 3 层中厚湿涂层即可。等底色漆干透后再涂透明清漆。对于软性塑料的修补施工最好采用全修补的办法,这是因为整板进行打磨、清洗后对涂料的附着力极为有利。保险杠用塑料一般分为两大类:第一类是聚氨酯和其它类似塑料;第二类是聚丙烯、乙丙酸橡胶或其它塑料。修整保险杠之前,首先要鉴别保险杠覆盖层的材料是由哪一类塑料制成,然后采用不同的方法和涂料进行施工。
汽车塑料件喷涂底漆。塑料涂装用底漆包括三大类:氯化聚烯底漆、氯化聚烯烃与其它树脂掺合作底漆;以氯化聚烯烃与其它化合物或单体进行接枝共聚作底漆,它的作用是增加塑料的活性基团,提高底材与涂层之间的附着力。底漆以无色和浅色为主,保证塑料制品喷面漆后与车身颜色一致。底漆施工时涂层应均匀,需喷面漆的部位应全部喷底漆,并保持适当的厚度以提高底漆与面漆之间的结合力。

汽车塑料件喷涂面漆。喷金属闪光漆注意事项:喷涂时应调节好涂料的出漆量、施工黏度和喷涂压力。黏度太低,漆液固体含量低,涂料遮盖力差,漆膜易流挂、发花;黏度太高易产生针孔,涂料雾化不好,不利于流平,涂层表面粗糙,如喷枪出漆量太大,施工时对工艺参数必须严格控制。对于保险杠、镜框等塑料件,涂料施工黏度比喷光滑表面略高,改善涂层对底材的遮盖力。塑料涂装用稀释剂,其挥发速率应比金属涂装稀释剂的挥发速率稍快,因汽车塑料件外观形状比较复杂,如挥发速率太慢,表干时间长,涂层易流挂。
对于汽车涂料,内饰件侧重于耐溶剂性,涂料的使用较为复杂,包含有多个品种,主要根据底材的要求来考虑;而外饰件侧重于耐水性、抗石击性、耐候性及装饰性。大多数硬塑料不需涂底漆,面漆就能很好地黏附在其表面上;在半硬性(柔性)塑料的涂层中需要加入柔性剂,能使漆层在基体膨胀时具有一定的变形能力而不致脱落或开裂。对于塑料件的喷涂,最好使用厂家提供的整套配套材料,如柔性剂、面漆、内涂层材料、冲淡剂和稀释剂等。

塑料喷单色热固性汽车面漆时,涂层附着力是涂装的一大难点,它受诸多因素的影响。如涂料质量、施工条件、涂层厚度、烘烤温度等都会影响漆膜附着力,不考虑其它因素,就涂料自身而言,如用汽车面漆直接涂装,附着力很不稳定,有时会造成大批产品因附着力达不到要求而返工。附着力问题在白色面漆涂装中更加明显,经常出现因附着力差而导致涂装后产品成批脱漆。鉴于上述情况,部分塑料涂装厂家采用先喷白色面漆,然后再喷一层清漆,虽然该方法能解决附着力不良的问题,但需增加一道涂层,相应增加了涂装成本,从经济效益的角度看是不可取的。如采用热塑性塑料面漆,各层次之间与汽车本身涂层的色差不易控制,不能满足小批量、快速变换颜色的需求,为减少塑料件喷漆后与车身色差问题,目前汽车塑料涂装厂家,直接采用汽车涂装用面漆。为解决汽车单色面漆喷涂塑料件附着力不良的问题,最有效的方法是对汽车面漆进行调整,使之适合塑料件涂装,并满足附着力要求。生产实践表明,塑料制品涂装时,在涂料中添加附着力促进剂和不改变颜色的前提下改变颜料的体积浓度是一种行之有效的方法,已在生产中得到成功应用[3]。

8 汽车硬塑料件的喷涂
内部硬塑料件的喷涂。硬塑料(如ABS)件一般不需要喷底漆和腻子;内部塑料件面漆的颜色由车身编码牌上的调整号决定,其面漆主要用丙烯酸漆。涂料厂都向用户提供内部漆图表,包括内部漆的供应号、名称、光泽系数及调整号。内部硬塑料件的喷漆方法如下:用溶剂清洗塑料件表面,按调整号码喷涂一般的内部丙烯酸漆;按规定时间干燥漆层,然后再装到车上。外部硬塑料件的喷涂。汽车外装饰用塑料件主要包括前后保险杠、扰流板、轮眉、镜壳、车门手柄等部件。汽车保险杠、扰流板、轮眉等塑料件都是注塑成型的,颜色主要有白色和黑色,为提高塑料件的外观装饰效果,满足塑料件与本身同色或用户对颜色的特殊需求,通过改变塑料自身的颜色是无法达到的,须喷涂不同颜色的面漆。
外部硬塑料件一般也不必喷底漆即可喷面漆,但也有个别厂家建议先喷一层底漆再喷面漆的情况,不论哪种情况,喷面漆的方法相同:用清洗剂彻底清洗零件表面;喷涂适当颜色的面漆;待漆面完全干燥后,再把零件装到车上;对玻璃纤维件喷漆之前,应先涂腻子再按照喷涂车身钢板的方法喷面漆。对原先已喷过气塑膜化合物的硬塑料件进行局部修理前,需先喷一层助黏剂。操作时用400# 湿砂纸打磨损坏部位,然后涂底漆、涂助黏剂再喷面漆。

弹性塑料件的喷涂。大多数弹性(半硬)塑料件的漆层中需要加入弹性剂,以使漆面在变形时不致开裂,加入了弹性剂的漆面称为弹性漆层,其喷涂方法如下:用400# 砂纸彻底打磨整个表面,并用清洁剂清洗整个表面;按照制造厂的规定,将底漆、弹性剂和溶剂混合在一起,混合时先将底漆与弹性剂混合,再根据车间的温度加入适量的溶剂;将喷枪压力调到规定值,喷涂足量的双层湿涂层,以便完全遮盖表面;底涂层干燥30 ~60 min,然后喷涂光亮层,待干燥后装在车上使用。
塑料件喷涂实例。以聚丙烯保险杠喷涂为例,此塑料件喷漆时,由于这种塑料很硬,应先喷一层专门的底漆———内部聚丙烯漆,然后才能喷面漆,具体喷涂工艺操作如下:用溶剂清洁表面;按制造厂要求,喷涂经过稀释的、混合均匀的聚丙烯底漆,干燥1 ~ 2 h,然后喷涂面漆;喷涂比例适当(含硬化剂)的丙烯酸磁漆,干燥8 h,确保漆层硬化(由于是硬塑料件,面漆中不加弹性剂);采用底层加亮漆层时,应先喷底漆,干后再喷丙烯酸漆,干燥15 ~ 30 min,再喷光亮漆层。

参考文献:
[1] 肖永清.汽车的发展与未来[M].北京:化学工业出版社,2004:195-200.
[2] 陆刚.现代车用材料应用技术[M].北京:中国电力出版社,2007:205-210.
[3] 刘波.汽车涂装美容技术问答[M].北京:金盾出版社,2008:160-170.

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