汽車保險杠水性漆工藝應用研討

高明，張煥亮，毋瑩，李蘭蘭

（浙江吉利新能源商用車集團有限公司，浙江 杭州 310000）

根據《京津冀及周邊地區2018-2019 年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》(以下簡稱《方案》)要求，自2019 年1 月1 日起，“2 + 26”城市中汽車原廠涂料即用狀態下的VOCs(揮發性有機化合物)含量限值為580 g/L。2020 年3 月4 日國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會批準發布了強制性國家標準GB 24409-2020《車輛涂料中有害物質限量》，對汽車用零部件涂料中的VOCs 進行了限量要求，底漆為≤700 g/L，色漆≤770 g/L，清漆≤560 g/L。隨著國家環保壓力的持續加大，VOCs 的排放管控越來越嚴格，采用低VOC 的環境友好型涂料(如水性漆)替代溶劑型涂料，是較徹底地解決VOCs對大氣污染的治本措施。

1 現狀調研

從表1 可以看出，溶劑型底漆和溶劑型色漆均不滿足《方案》中VOCs 低于580 g/L 的要求。對體系內部各供應商的低溫溶劑型產品的橫向排查也可確定目前使用的溶劑型底漆和色漆均不滿足排放要求。

表1 某基地保險杠噴涂生產線上溶劑型3C1B 涂料在施工狀態下的VOCs 含量 Table 1 Contents of VOCs in solvent-based paints used in 3C1B process for spraying bumpers under working conditions

從表2 可以看出，國內汽車保險杠的主流噴涂工藝依然為溶劑型3C1B 工藝，只有部分廠商的底漆或/和色漆采用了水性漆工藝。究其原因，主要有二：一是水性漆與施工特性有關，其施工難度、施工條件等均比溶劑型油漆更大或更高；二是各地區的環評/環保單位也要求采用水性漆，但對于新建的主機廠，保險杠噴涂與車身噴涂是作為一個整體申報時保險杠噴涂比車身涂裝小得多，即對于主機廠而言，其水性漆的總占比還是滿足要求的。而對于零部件廠而言，涂料的水性化勢必是未來的趨勢和發展方向。

表2 國內主要整車廠和保險杠噴涂廠的生產工藝及涂料水性化調研情況 Table 2 Investigation on production process and application of waterborne paints in main auto manufacturers and bumper spraying plants in China

2 保險杠噴涂工藝

2.1 前處理

無論是水性還是溶劑型涂料，也無論是3C1B 還是3C2B 工藝，前處理必不可少。前處理現有兩種：一種為傳統的且依然為主流的水洗工藝，采用脫脂劑對保險杠表面進行清洗，清洗完成后進行水分烘干，優點是清洗效果好，缺點是投資大、占地面積大、運行能耗大等；另一種是干式前處理，采用雪花或干冰進行處理，其原理為固態干冰或雪花覆蓋在工件表面后體積急速膨脹(約增大700 倍)，通過膨脹力令工件表面的油污、雜質剝離并將其帶走，優點是占地面積小、能耗小，缺點是清洗效果欠佳，需要人工擦拭等作為輔助[1]。

2.2 火焰處理

保險杠材料的主流是改性PP(聚丙烯)，其表面張力一般僅為31 mN/m 或是更低，而低表面張力表面對油漆的浸潤性和附著性均很差。為提高工件噴漆后涂膜的附著力，國內及歐美系大都有火焰處理工藝，即采用1 000 ～ 2 000 °C 的高溫火焰處理工件表面[2]。由于火焰的氧化降解作用，PP 表面的碳鏈降解并生成活性基團(如被氧化成羧基等)，從而達到材料表面改性和活化的目的，提高了材料的表面張力(可達到40 mN/m 以上)。近幾年，有保險杠材料廠商開發出免火焰處理材料，通過添加少量極性助劑就可以有效提高PP 的表面張力[3]。此方法既改善了基材表面活性，又減少了涂裝線的火焰處理室體和專有設備的投入費用，還降低了生產運行時的能耗費用。

2.3 噴涂工藝

保險杠的溶劑型3C1B 是一種主流且成熟的工藝，近幾年新建的生產線基本采用了全噴涂機器人及大比例循環風的方式運行，此方式最大的優勢是降低了能耗，同時取消了濃縮轉輪的投入，噴漆廢氣可直接進入RTO(蓄熱式焚燒爐)進行燃燒。

水性3C1B 工藝比溶劑型需要更為嚴格的施工環境，而且在底漆和色漆后均需要進行閃干，以保證漆膜的含水率降低到一定的水平，否則易產生針孔等漆膜弊病。

經與各大油漆廠家進行詳細的技術交流，梳理出保險杠水性噴涂線的現狀及應用情況(見表3)：歐美系是一大類，大多為3C2B，其底色漆的水性漆比例已經高達60%[4]；國內和日系是另一大類，一般采用水性3C1B 工藝。

表3 2 種典型水性噴涂線的應用情況 Table 3 Application of two typical water-based spraying lines

3 水性漆配套試驗驗證

3.1 驗證方案

對歐美涂料廠家采用的3C2B 工藝和日系涂裝廠家采用的3C1B 進行試驗驗證。水性導電底漆分為1K 和2K，色漆為1K 水性漆，清漆為2K 溶劑型。各油漆廠家推薦的涂料類型及施工參數驗證方案見表4。需要特別說明的是，表4 僅作參考，不同主機廠、不同保險杠材料在選擇上可能有所不同。

表4 不同涂料廠家的涂料類型及施工參數 Table 4 Process parameters of paints from different suppliers

3.2 檢驗標準

由于水性漆還沒有相應的漆膜檢測標準體系，經商談先以本司溶劑型涂料標準為藍本，對照已有應用的國內與合資品牌車企的水性涂料標準，尋找出差異點，并整理出水性漆試驗檢測標準，見表5。

表5 低溫水性漆的漆膜性能要求 Table 5 Requirements of coating properties for low-temperature waterborne paint

3.3 試驗結果

本文只選取了2 個廠家的試驗結果，見表6。經驗證，除沃爾瓦格的高壓水沖擊受試驗設備限制只做到70 bar 之外，其他均合格。

表6 2 家產品的試驗結果 Table 6 Test results of products from two suppliers

4 應用

參照前期對水性漆材料的驗證結果，結合項目自身的特點，規劃設計了一條30 JPH 的保險杠(PP 材料)涂裝線，選擇了3C1B 水性漆噴涂工藝，即“PP 靜電底漆 + 水性色漆 + 高固含雙組分清漆”，前處理采用“人工擦拭 + 干冰處理”的工藝方案。

涂裝線的工藝流程：上件→人工擦拭→干冰處理→底漆噴涂→流平→色漆噴涂→預烘干→清漆噴涂→烘干→拋光/檢查→下件。

底漆噴涂：膜厚6 ～ 8 μm，流平時間≥10 min。

色漆噴涂：烏雅黑膜厚10 ～ 15 μm，簡約白膜厚20 ～ 25 μm。 色漆預烘干：升溫時間120 s，保溫時間240 s，強冷120 s。 清漆噴涂：膜厚50 ～ 55 μm，流平時間≥8 min。

烘干：溫度85 ～ 90 °C，時間25 ～ 30 min。

主要工藝設備：噴漆室采用干式噴房，恒溫恒濕設計，冬季溫度(23 ± 2) °C，夏季溫度(25 ± 2) °C，相對濕度(65 ± 5)%；調漆間和輸調漆系統按照水性漆技術要求設計；采用機器人自動空氣噴涂系統噴色漆，清漆采用機器人自動靜電噴涂。

經過3 個多月的現場多輪調試，最終檢測漆膜外觀數據，見表7。

表7 保險杠噴涂成品的橘皮測量數據 Table 7 Result of orange peel measurement for the sprayed bumpers

目前該涂裝線已形成批量生產能力，且可實現最終的漆膜外觀品質及性能要求，附著力達到0 級，鉛筆硬度達到HB，光澤、DOI 均能達到85 以上。

這一項目的實際應用可為新建保險杠涂裝線規劃和老線改造升級提供參考。