基于ABS基材的水披覆轉(zhuǎn)印工藝應(yīng)用研究

廖勇 陳三林 倪雪輝

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)是依靠水的壓力，將聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）膜上的油墨圖案均勻轉(zhuǎn)印到產(chǎn)品表面，同時使油墨與PVA材料分離[1-2]。該工藝最大特點和優(yōu)勢是不僅適用于平面基材的裝飾，也適用于曲面及凹面等不規(guī)則基材的裝飾，同時還可以在塑料、金屬、陶瓷、木材等不同材質(zhì)的產(chǎn)品上進行裝飾[3-4]。通過選擇合適的圖紋，可在產(chǎn)品表面獲得如木紋、云石、翡翠等各種逼真的圖案紋理效果[5]，因此具有較大應(yīng)用價值。目前水披覆轉(zhuǎn)印工藝在汽車內(nèi)飾件、電子產(chǎn)品上應(yīng)用比較普遍[6]，在家電行業(yè)中有一定的應(yīng)用，但在空調(diào)上的應(yīng)用較少。目前行業(yè)內(nèi)對水披覆工藝中的油墨、PVA膜片及圖案印刷研究較多，但對水披覆工藝具體參數(shù)的公開報道較少。

在空調(diào)行業(yè)中ABS塑料應(yīng)用較廣[7]，常作為外觀及結(jié)構(gòu)件，但ABS注塑件外觀相對單一，為豐富空調(diào)外觀，將水披覆轉(zhuǎn)印工藝應(yīng)用到空調(diào)行業(yè)中。本文研究了水披覆轉(zhuǎn)印工藝在ABS基材上的應(yīng)用，探討了底漆羥值、轉(zhuǎn)印槽水溫、活化時間、工件入水角度及UV面漆硬度等對水披覆轉(zhuǎn)印效果的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

原料：水披覆膜，型號I1309-F，廣州學(xué)創(chuàng)化工有限公司；活化劑，型號S601，上海高鳴化工有限公司；底漆，型號K-1190，惠州飛凱化工有限公司；面漆，型號YX-1107，江門億鑫化工有限公司。

儀器：實驗室水噴柜，華緯設(shè)備有限公司；烘箱，F(xiàn)R-1210型，吳江吳越烘箱設(shè)備有限公司；UV固化機，UVA-322型，東莞心舟工業(yè)設(shè)備有限公司；水轉(zhuǎn)印槽，東莞易紅機械設(shè)備有限公司；清洗設(shè)備，東莞益煒有限公司；靜電噴槍，W101型，昆山大東揚自動化設(shè)備有限公司；百格刀，3M膠帶，秒表；水煮箱，DK-8AS型，上海合恒儀器設(shè)備有限公司。

1.2 工藝流程

水披覆工藝主要流程如圖1所示，其中前處理主要是使用白電油除去注塑件表面油污，并通過靜電噴槍進行靜電除塵，以保證基材與底漆之間具有良好的附著力，噴涂底漆主要用于遮蓋基材缺陷并為水披覆轉(zhuǎn)印油墨提供良好的附著；水披覆轉(zhuǎn)印包含三個連續(xù)過程，即水披覆膜在水面上的延展、溶劑對轉(zhuǎn)印膜層油墨的活化以及圖案轉(zhuǎn)印工序；噴涂面漆主要用于保護轉(zhuǎn)印圖案不受破壞。

圖1 水披覆工藝流程圖

1.3 水披覆實驗過程

（1）底漆噴涂及固化

使用空氣噴槍噴涂底漆，噴涂氣壓為0.35～0.55 MPa，噴幅為4～10 cm，噴涂距離為（15±5）cm，噴涂膜厚為（15±2）μm，噴涂結(jié)束后將樣件置于60℃烘箱中烘烤20 min。

（2）水披覆轉(zhuǎn)印

將水披覆膜在轉(zhuǎn)印槽中鋪展開，并用噴槍將活化劑噴涂于水披覆膜上使油墨活化，然后將噴涂完底漆的ABS工件以一定角度壓入水中，使水披覆膜上的圖案轉(zhuǎn)印到工件上，并水洗工件表面，最后置于60℃烘箱中烘烤20 min。

（3）面漆噴涂與固化

面漆噴涂膜厚為（20±2）μm，其噴涂參數(shù)同底漆噴涂參數(shù)一樣，噴涂結(jié)束后將樣件在自然狀態(tài)下流平2 min，然后將樣件置于60℃烘箱中預(yù)熱5 min，再放入UV固化機中固化，固化能量為800 mJ/cm2。

1.4 性能測試

（1）附著力測試

按GB/T 9286-2021《色漆和清漆 劃格試驗》進行測試，測試結(jié)果0級為最佳，5級為最差。

（2）耐水煮測試

將樣件于60℃水中煮6 h，取出后用濾紙吸干表面的水份，立即觀察外觀，靜置24 h后進行附著力測試。

（3）溶解時間測試

將水披覆膜裁剪成4 cm×4 cm大小，并置于不同溫度的水槽中進行溶解性測試，用秒表記錄溶解的時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 底漆對水披覆工藝性能的影響

底漆在水披覆工藝中主要起到遮蓋基材缺陷并為水披覆轉(zhuǎn)印油墨提供良好的層間附著力的作用，同時底漆的好壞也影響到水披覆膜的耐水煮性能。對不同羥值單組分底漆進行了層間附著力及耐水煮性能研究。

底漆樹脂對水披覆性能的影響如表1所示，由表1可知，附著底漆樹脂中羥值含量從2 mgKOH/g逐步增大到20 mgKOH/g時，底漆對水披覆油墨的層間附著力從1級增大到0級，表明底漆樹脂羥值含量增加有利于提高底漆與水披覆油墨的層間附著力。這是因為羥基為極性基團，這些極性基團與水披覆油墨之間形成相互作用的吸附點，隨著羥值增加，底漆樹脂與水披覆油墨之間吸附點增加，分子間作用力增加，從而使附著力增加。

表1 底漆樹脂對水披覆性能的影響

水煮性能可以在一定程度上反映出涂層的濕熱附著力，從表1可知，隨著附著底漆樹脂中羥值含量增加，水煮后的外觀穩(wěn)定性出現(xiàn)下降趨勢，而水煮后附著力出現(xiàn)先增加后減小的趨勢。這是因為羥基為親水性極性基團，水分子透過底漆與羥基形成結(jié)合水，羥基含量越大形成結(jié)合水的能力越強，在外觀上最終出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，從而影響層間附著力，引起附著力下降，因此底漆樹脂羥值在6～15 mgKOH/g范圍內(nèi)較佳。

2.2 水溫對水披覆膜性能的影響

2.2.1 水溫對膜溶解時間的影響

在水披覆工藝當中，水主要起兩個作用，一是水溶性PVA膜片，二是提供足夠的壓力，使浮于水面上的油墨圖案通過水的壓力將圖案完整、緊密貼合在工件上。圖2為水溫對水披覆膜溶解性能的影響圖，從圖2可知，隨著水溫升高，水披覆膜溶解時間變短，這是因為PVA膜為水溶性高分子，在水溫升高時，水分子運動加劇，同時溫度升高也使得高分子鏈段更加容易舒展，二者共同作用使PVA膜溶解時間變短，當水溫超過40℃時，PVA膜溶解時間減少不明顯，從生產(chǎn)效率及節(jié)能角度考慮，水溫為40～50℃較佳。

圖2 水溫對水披覆膜溶解性能的影響

2.2.2 水溫對水披覆效果的影響

水溫對水披覆效果的影響如表2所示，由表可知，當水溫低于35℃時，水披覆工序結(jié)束時工件表面出現(xiàn)了PVA顆粒殘留并有圖案變形現(xiàn)象，這主要是因為水溫太低時，PVA膜不能很好地溶解于水中，故后期水洗工序無法徹底清洗掉殘留的PVA膜；另外因水溫較低，PVA溶解時間延長，使得油墨溶脹變形。當水溫高于60℃時水披覆圖案出現(xiàn)變形甚至破裂，這是因為高溫水濕的環(huán)境下水分子運動加劇使PVA膜溶解過快，導(dǎo)致油墨層樹脂受熱的運動加劇而出現(xiàn)圖案變形甚至破裂。因此水溫控制在40～50℃較適宜。

表2 水溫對水披覆效果的影響

2.3 活化時間對水披覆效果的影響

活化劑主要成分為二甲苯、甲苯、甲基異丁基酮的混合物，將其噴涂于轉(zhuǎn)印膜上，其主要作用是將轉(zhuǎn)印膜上的呈烘干狀的油墨圖案活化成溶脹狀態(tài)，使圖案保持完整性，從而使圖案層與PVA分離[8]。活化時間對水披覆效果的影響如表3所示，由表可知，隨著活化劑活化時間的增加，轉(zhuǎn)印圖案呈現(xiàn)出圖案不全—良好—變形的階段性變化，這主要是因為在活化時間較短時，油墨層未充分軟化溶脹，部分油墨與底漆之間無法充分潤濕，導(dǎo)致圖案不能完整轉(zhuǎn)印到底漆上；隨著活化時間延長，油墨與底漆之間可以充分接觸并附著，從而圖案較完整；但隨著活化時間進一步增加，油墨進一步膨脹而出現(xiàn)紋路積壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致圖案變形。因此從圖案效果上看，活化時間為15～30 s較佳。

表3 活化時間水披覆效果影響

2.4 轉(zhuǎn)印入水角度對水披覆效果的影響

入水角度是指工件緩慢入槽時工件與水平面的夾角，工件入水角度對水披覆效果影響較大。工件轉(zhuǎn)印入水角度對水披覆效果的影響如表4所示，由表可知，工件以較低入水角進行轉(zhuǎn)印時，水披覆產(chǎn)品表面出現(xiàn)局部紋變的現(xiàn)象，這主要是因為入水角度太小，工件與水披覆膜在瞬間接觸面積較大，接觸界面的氣泡被包覆而無法及時排出，后期進行烘干時氣泡破裂而發(fā)生圖案局部紋變；當入水角度增大時，接觸界面的氣泡排出較快因而轉(zhuǎn)印的圖案效果較好；當入水角度進一步增加時，工件對水披覆膜的拉伸較大從而使圖案變形。因此入水角度控制在30°～45°較佳。

表4 轉(zhuǎn)印角度對水披覆效果的影響

2.5 面漆硬度對水披覆效果的影響

為保護轉(zhuǎn)印圖案不被破壞，需要在轉(zhuǎn)印層上噴涂一層透明的面漆作為保護層，為提高生產(chǎn)效率，選用UV光油進行工藝研究。面漆硬度對水披覆性能影響如表5所示，由表可知，隨著UV光油硬度增加，面漆與水披覆層附著力呈現(xiàn)下降的趨勢，這是因為UV光油硬度與交聯(lián)度有關(guān)，交聯(lián)度越大硬度越高，光油中可自由旋轉(zhuǎn)的極性分子鏈減少，與水披覆層油墨吸附點減小，從而導(dǎo)致附著力下降。另外，隨著UV光油硬度增加，水煮后附著力先增加后減小，水煮外觀依次呈現(xiàn)出起泡、正常和開裂的現(xiàn)象，這主要是光油硬度較低時，交聯(lián)密度較低，對水分子屏蔽作用較小，從而出現(xiàn)起泡問題；當UV光油硬度過大時，光油內(nèi)應(yīng)力較大而出現(xiàn)水煮開裂問題，因此面漆硬度控制在HB至F之間較佳。

表5 面漆硬度對水披覆性能影響

3 結(jié)論

水披覆轉(zhuǎn)印工藝可極大提升空調(diào)外觀視覺效果，本文研究了水披覆轉(zhuǎn)印工藝在ABS基材上的應(yīng)用，探討并分析了底漆羥值、轉(zhuǎn)印槽水溫、活化時間、工件入水角度及UV面漆硬度等對水披覆效果的影響，得出如下結(jié)論：

（1）隨著底漆羥值含量增加，底漆與水披覆膜之間的附著力從1級提高至0級，水煮耐水性先提高后降低；羥值含量為6～15 mgKOH/g時，層間附著力及耐水煮性能合格。

（2）隨著水溫增加，水披覆膜溶解時間變短，同時轉(zhuǎn)印膜圖案發(fā)生形變；水溫為40～50℃時，水披覆轉(zhuǎn)印效果較好。

（3）活化時間為15～30 s時，水披覆轉(zhuǎn)印效果較好。

（4）隨著轉(zhuǎn)印入水角度的增大，圖案發(fā)生變形，轉(zhuǎn)印入水角度為30°～40°時，水披覆轉(zhuǎn)印效果較好。

（5）面漆硬度處于HB與F之間時，面漆耐水煮性能及層間附著力較佳。