浅谈汽车闪光漆明度的影响因素

0 引言
面漆赋予汽车车身装饰性和防护性功能。车身的装饰性一般要求漆膜平整光滑、丰满度好、光泽高、鲜映性高,从视觉上能给人们以光亮如镜的感觉。面漆的颜色分为本色和金属色两类,其中金属闪光漆和珠光漆因具有特殊的“闪光效果”,赋予车身金属质感和随角异色性,在汽车涂装中已广泛应用。闪光漆是介于中涂漆和罩光清漆之间的涂料。闪光漆的颜料主要是起闪光作用的片状效应颜料,包括金属铝粉、珠光粉或两者混用,还有起着色作用的透明着色颜料。效应颜料在漆膜中产生透射、反射、折射,加上着色颜料的颜色效果,可产生不同程度的金属质感及闪烁感,从而增强面漆的装饰效果。效应颜料特殊的片状结构,产生了“闪光效果”,也是金属闪光漆与本色漆相比易产生色差的重要原因。

1 影响闪光漆明度值的因素及控制方法
直接影响明度值的因素是漆膜反射光量的大小,而闪光漆的反射光量主要取决于最终固化漆膜中的效应颜料。效应颜料反射光量受其类型、含量、粒径大小、形状、排列状态等多种因素的综合影响。闪光漆涂装过程的材料、设备、喷涂工具、工艺布置、喷涂参数、施工环境、涂料雾化方式、底材粗糙度等因素都影响到效应颜料的状态,最终影响到漆膜的明度。
1.1 效应颜料的类型、含量、粒径大小的影响
1.1.1 涂料本身的影响
闪光漆中效应颜料的含量越高和粒径越大,明度值越高,反之则明度值越低。涂料供应商应保证批次间产品的一致性,使用厂应对每批产品进行检验,根据颜色不同把色差控制在可接受的范围内,确保生产线使用的涂料合格。
1.1.2 涂料雾化方式的影响及控制方法
闪光漆喷涂有旋杯和喷枪雾化2 种方式,由于两者雾化原理的不同,造成最终形成漆膜中效应颜料的含量不同,从而导致漆膜明度值上的差异。
1.1.2.1 雾化方式
一般空气喷枪雾化的涂料液滴尺寸为5~50 μm,旋杯雾化的涂料液滴尺寸为25~50 μm。太小的雾化涂料液滴中效应颜料含量很少(尤其是小于效应颜料颗粒尺寸的漆雾),理想的雾化效果是涂料液滴中的树脂刚好包裹效应颜料。空气喷枪雾化的特点:涂料液滴以10~15 m/s 速度被压缩空气吹向被喷涂物表面时,容易随着物体表面气流方向的转换而改变运行方向(即发生反弹),使细小漆雾(含很少的效应颜料,主要组成为树脂)偏离被喷涂物,形成过喷而损失掉。较大的涂料液滴(主要含效应颜料)由于其本身的质量较大,故不易偏离其运行轨道,依靠惯性沉积在被喷涂物表面。结果漆膜中的效应颜料含量高于涂料中含量,即颜基比增大,因此涂膜的明度值高,目视评价发亮。
旋杯雾化的特点:靠旋杯高速旋转形成的离心力雾化,涂料液滴沿着旋杯的径向离开旋杯,在成形空气和静电场的作用下以大约4 m/s 的速度向喷涂物表面运行。细小的涂料液滴由于其本身质量较轻,容易沿着电场方向到达被涂物体表面;较大的涂料液滴(含有较多效应颜料)由于重力作用在到达被喷涂物表面前损失掉。结果是漆膜中的效应颜料含量低于涂料中含量,即颜基比减小,因此涂膜的明度值低,目视评价发暗。
现在我国车身闪光漆大多采用旋杯+ 喷枪(Bell+Gun)自动静电喷涂工艺,而保险杠、门把手等外饰件实现自动静电喷涂困难,多为人工或自动空气喷枪喷涂。
1.1.2.2 控制方法
传统闪光底漆静电旋杯喷涂后必须采用空气喷枪喷涂,即Bell+Gun 工艺,底色漆采用空气喷枪喷涂,有利于效应颜料重新进行定位,提高明度值,以满足外饰塑料件(常采用人工空气喷枪喷涂)和人工点修补的色差要求,以及更好体现动态闪光效果。但空气喷枪的涂料利用率低(40% 左右),且漆雾大,易造成漆膜缺陷,返工率高。
最新的闪光漆喷涂采用杯加杯(Bell+Metallic-Bell)或(Metallic-Bell +Metallic-Bell)工艺,Metallic-Bell 即新型旋杯(俗称金属杯)同时满足空气喷枪的色差和旋杯涂料利用率高的要求。根据上述要求,ABB、DÜRR、FANUC 和Sames 公司都开发了此类喷杯,但分别有自己的技术特点(见表1)。Metallic-Bell的喷杯转速和成形空气量比普通旋杯大,漩涡式成形空气方向与旋杯旋转方向,即涂料雾化后飞行的方向(图1 中宽箭头)相反吹出,成形空气与雾化后的漆雾有一定相对速度,可使闪光漆雾化得更好、粒径更小,从而可达到与空气喷枪相近的喷涂效果,涂料利用率提高到80%左右。
表1 静电旋杯喷涂系统技术特点

ITW 的闪光漆喷涂对旋杯不作调整,而是调整喷涂方式:采用BASE-1“软喷”,BASE-2“硬喷”。“软喷型”是旋杯的喷涂参数采用大流量、小成形空气,大喷幅、大喷涂间距、高电压、低旋杯移动速度,涂料利用率高,目的是增加成膜后遮盖底色;“硬喷型”是旋杯的喷涂参数采用小流量、大成形空气,小喷幅、小喷涂间距、低电压、高旋杯移动速度,涂料利用率相对偏低,目的是调整效应颜料的定向排列,提高明度。关于闪光漆雾化方式对比实例:一条生产线采用Bell+Gun 工艺,另一条生产线单纯考虑涂料利用率而采用Bell+Bell 工艺(两条生产线悬杯都用普通杯)。结果在喷涂同一厂家、型号、批次的银色金属闪光漆时,两条线生产车身的色差很大,整体上ΔE 在9 左右,ΔL 值在8 左右(Bell+Bell 的暗),主要表现在明度上。颜色管理上造成外饰塑料件不得不按两套标准色板控制,人工点修补困难,人工返修的单件和车身的色差不可接受等很多困难。所以在生产线前期工艺规划时,闪光漆喷涂方式的选择尤为重要,除了正确选择车身的喷涂方式,还应统筹考虑外饰塑料件的喷涂方式,尽可能做到与车身一致,否则会给后期的颜色管理带来很大的隐患和困难。

1.2 效应颜料在漆膜中排列状态的影响
漆膜中效应颜料的排列状态直接影响金属闪光漆的光泽、闪光指数(FI)、随角异色效果及颜色的一致性,主要表现在明度上。
1.2.1 涂层体积收缩率的影响及控制方法
涂层体积收缩率的定义是经过一定时间的闪干溶剂挥发后,涂层与涂料刚喷涂到被涂物上涂层体积的比值。通常湿膜固体分越高,涂层的体积收缩率越小,其收缩压力不足以使湿膜内部效应颜料水平排列,而呈杂乱排列,涂膜明度值低,目视评价发暗。闪光漆配方中添加乙酸丁酸纤维素(CAB)树脂,利用其结构对称性的大分子结构,提高底色漆的干燥速率,增大体系低固体分下的黏度,使涂膜快速收缩,借助于这种快速的收缩力,将铝粉拉平,协助定向排列,阻止效应颜料在湿漆膜中杂乱无章的运动和防止回溶现象。通过调整涂料中CAB用量、涂料的固含量、溶剂挥发速度,增大涂膜干燥时体积收缩率,有利于效应颜料的定向排列。生产线上定期检测闪光漆的湿膜固体分和各涂层的膜厚,并将其控制在相对稳定的范围内,对于颜色的管理和控制很重要。
1.2.2 雾化方式的影响
雾化方式的不同最终造成漆膜中效应颜料的铺展程度差异,从而导致明度值上的差异。空气喷枪较静电旋杯雾化的涂料微粒飞向被喷涂物表面的速度快得多,效应颜料在漆膜中的铺展程度大,所以前者涂膜的明度值高,目视评价发亮(见图2)。

1.2.3 静电喷涂与非静电喷涂
静电喷涂方式:理论上在电场的作用下涂膜中的铝粉片因为荷电同性相斥,严重影响其平行定位,部分铝粉与被涂物呈垂直排列状态影响光的反射,使涂膜外观不佳。因而静电喷涂涂膜的明度值低,目视评价发暗。
非静电喷涂方式:涂膜中的铝粉片与被涂物呈定向平行排列状态,涂膜的明度值高,目视评价发亮。
1.2.4 施工参数及环境的影响
闪光漆喷涂后溶剂挥发,涂料黏度增大,漆膜收缩,是效应颜料定向排列的根本原因。喷涂湿膜薄或环境温度高、湿度低、溶剂挥发快时,漆膜收缩后,铝粉平行于漆膜排列的倾向性大。喷涂湿膜趋厚或环境温度低、湿度高、溶剂挥发慢时,溶剂挥发,漆膜收缩后,其膜厚空间扩大,效应颜料随机排列趋向加大,则平行于漆膜的定向排列趋向减少。例如闪光漆的黑边效应就是因工件边缘涂膜厚造成效应颜料的杂乱排列而形成的。溶剂挥发过慢,使效应颜料在湿膜中发生过度移动或杂乱无章的运动,分布和定向排列不匀,造成漆膜发花(即颜色不均匀),出现明暗相间的斑印、条纹和色相杂乱现象。防治方法是提高漆膜干燥程度,改善漆膜膜厚均匀程度和铝粉排列,防止底色漆再溶解所产生的发花、斑纹、条纹等弊病。溶剂挥发太快,喷涂后黏度增大,漆膜迅速干燥而未充分流平,使效应颜料失去定向排列的时间和空间,造成漆膜表面粗糙、失光,颜色发暗,鲜映性(DOI)值大幅下降等弊病。防治方法是添加高沸点溶剂,避免雾化漆液溶剂过度挥发,使湿膜具有一定的流平性,其次可降低雾化压力,增加吐漆量,缩短闪干时间等。
1.2.5 打磨痕的影响
如果在涂覆闪光漆前的打磨处理不当,造成打磨部位砂纸痕较重。当砂纸痕的尺寸达到一定程度时,效应颜料不足以水平遮盖砂纸痕,导致效应颜料在砂纸痕的区域排列混乱,与其他部位相比明度值偏低。打磨用的砂纸型号一般不使用低于600# 的水砂纸。另外,应规范打磨操作人员的作业要领和技术动作,打磨压力一般控制在2.5~4 kg。
1.2.6 罩光清漆与闪光漆配套性的影响
罩光清漆中的溶剂对闪光漆产生“再溶解”,罩光漆与闪光漆存在树脂迁移,清漆渗透到闪光漆中参与反应(或反向迁移),会导致已定向排列的效应颜料重新取向而混乱排列,造成漆膜发黑、返粗,明度值降低,目视评价发暗。调整清漆溶剂的溶解度参数和闪光漆溶剂的挥发速度,以及两者的配套性可改善此弊病。当不同厂清漆和闪光底漆配套使用前,除了要做好两者间的涂层配套性实验,还要做好两者间的工艺性验证,以避免出现批量色差问题。

1.3 效应颜料形状和大小变化的影响
1.3.1 输调漆系统对效应颜料状态的影响
一般规模生产的车身涂装线都有集中供漆系统,为保证涂料混合均匀,要求涂料在供漆系统内以0.3~0.5 m/s 的流速不间断循环,这样对涂料有一定的降级作用,尤其是当集中供漆系统设备选用或设计不合理、循环时间过长时降级作用更为明显。供漆系统一般由循环罐、搅拌器、调漆罐、柱塞泵、过滤器、稳压器、管中管换热器、管路、背压阀、弯头、三通、阀门等管件组成。循环过程中涂料受到搅拌器、柱塞泵及管路管件等的机械摩擦和高剪切力的影响,引起效应颜料状态的变化。效应颜料破碎,粒径变小;效应颜料弯曲、变形,都改变了其表面特性,造成漆膜明度值变小,目视评价偏暗。
1.3.2 应对措施
1.3.2.1 合理选用供漆系统和设备
集中供漆系统组件的选用除了考虑材料、压力、流量等方面与主循环泵的匹配,对于闪光漆而言还要选用低剪切的元件。
(1) 新型金属漆过滤器:传统的过滤器目数太高,金属片被阻拦;目数太低,杂质也能通过。GRACO 的金属闪光漆专用振荡式过滤器,滤孔为长方形,能通过空气加振方式调整金属片的方向,沿长孔方向通过而杂质则被截留,能更好地保证金属闪光漆的质量和喷涂效果。
(2) 对搅拌器的要求是使涂料在罐中平稳地翻腾,不产生旋涡混入空气,对于金属闪光漆,还应该选用低剪切搅拌器,搅拌器转速一般不超过60 r/min。
(3) 背压阀用于控制管路中的压力以满足喷涂的要求,金属闪光漆要选用低剪切型的背压阀。GRACO的自动背压阀,可以根据系统的工作状况(喷涂或循环)进行自动调整,在喷涂时提高系统的压力而不喷涂时降低系统的压力,能更好地保证系统的安全和涂料的品质。
(4) 涂料罐内壁要求电解抛光处理,不能有沟槽和死角,焊缝必须经过打磨和抛光。
供漆系统的质量将直接影响到涂装质量,所以要针对特定的材料、工艺要求及生产要求选择合适的循环系统、元件及管路,系统选用不当将会造成涂料的衰退、色差,甚至系统堵塞。
1.3.2.2 合理调整循环系统方式
对于长期不用(3 个月以上)的涂料,一般将系统中的涂料打出,然后用溶剂对循环系统进行清洗,再次使用时重新投入新漆,系统内的涂料或溶剂可少量多次加入;或将系统中涂料调整到最小循环液位,适当调低背压和泵频(一般为原来的2/3),但一定要保证涂料要求的最低流速,再次使用时投入新漆并充分混合。批量喷涂前,要先喷涂工件或样板进行颜色确认,以避免盲目生产出现批量色差问题。
1.3.2.3 选用循环稳定性好的涂料
闪光漆本身的循环稳定性也是控制的重要指标,由于颜料的特性差异(铝粉较珠光粉软,易变形),在不同的颜色上也有一定差异,铝粉含量高、颜色浅的涂料循环稳定性差,而珠光颜料较铝粉颜料涂料的循环稳定性好。考虑涂装线柔性化生产的需要,在集中供漆系统正常情况下,一般要求闪光漆正常循环1 个月不应出现较大的颜色变化。

2 结语
金属闪光漆的颜色管理和色差控制一直是汽车厂的一大难题,而其控制难点主要表现在明度上。通过对影响闪光漆明度的各种因素的分析,实施闪光漆的喷涂稳定控制,必须从工厂前期的工艺规划开始到设备选型、喷涂工具选型、材料选择,进货检验、操作的标准化、喷涂参数及生产现场环境控制等各阶段、各环节上统筹考虑对闪光漆喷涂的明度影响问题,在各阶段对此问题予以充分的考虑与重视,只有这样才能减少后期工艺调试过程中的整改工作量,起到事半功倍的效果。

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