汽車保險杠水性漆涂裝過程控制及應用

陳海華 閆振升

北京北汽模塑科技有限公司 北京市 102606

為保護人類生存環境，現今汽車涂裝發展趨勢是低公害、無公害化。水性漆的最大優點是涂層質量可以與傳統溶劑型漆相媲美，但VOC排放量卻小很多?；谝陨蟽瀯?，現如今國際上開始大力發展水性漆技術，且已廣泛應用于車身噴涂。近些年，中國汽車產業蓬勃發展，眾多高端汽車廠家已經實施水性漆的涂裝。作為汽車外飾件，尤其是保險杠產業肯定要跟隨各大汽車廠商，實施水性漆的涂裝戰略，降低VOC排放，響應國家藍天白云的號召。

1 水性漆的簡介

1.1 水性漆與溶劑型漆對比

在傳統的溶劑型涂料中不含有水性溶劑，其中主要由15%的固體與85%的揮發性有機物組成。在噴涂的過程中，溶劑型涂料VOC的排放量≥120g/m3，不僅會對人體造成傷害還會對周邊的環境造成極大的污染。相比之下，水性涂料則主要由10%的VOC、20%的固體以及70%的水性溶劑組成，其VOC排放量≤40g/m3。所以水性涂料是一種更環保、更符合國家綠水藍天號召的選擇，也是汽車噴涂行業以后發展的大勢所趨。

1.2 水性漆的優缺點

1.2.1 水性漆的優點

（1）水性漆主要以為水作為溶劑，節省了大量的資源，并且降低或消除了施工時火災的危險性；

（2）水性漆顯著降低了VOC的排放，減少了大氣污染，改善了作業環境；

（3）水性涂料對材質表面的適應性好，油漆圖層的附著力強，其在濕表面和潮濕環境中可以直接涂覆施工；

（4）由于相似相容，水性漆的噴涂工具可用水直接清洗進而大大減少了清洗溶劑的消耗。

1.2.2 水性漆的缺點

（1）水的表面張力大，污物易使涂膜產生縮孔，因而水性漆對施工過程中基材表面清潔度要求較高；

（2）水性漆對抗強機械作用力的分散穩定性差，要求輸送管道形狀良好，管壁無缺陷；

（3）水性漆對涂裝設備腐蝕性大，需采用防腐蝕襯里或不銹鋼材料，設備造價高；

（4）水性漆中水分含量較高，流平間、烘房需增加抽濕設備進而增大了能耗；

（5）水性漆需要用塑料桶進行運輸，進一步增加了成本。

1.3 水性漆的性能

（1）水性漆中顏料的分散性不佳；

（2）分散粒子的穩定性較差；

（3）水性漆的表面張力較大；

（4）水性漆的蒸發值和熱容值較高，其性能受溫度與濕度影響較大；

（5）水性漆中含水量較高，其導電性好；

（6）水性漆的腐蝕性較強；

（7）水性漆具有很好的流變行為。

2 水性漆設備的選取

2.1 水性漆的調漆與供漆系統

2.1.1 油漆攪拌

在油漆進行攪拌的過程中，如果攪拌速度過快，會導致其產生破乳現象，進而導致粘度急劇下降。反之，攪拌速度過慢，則會造成分散粒子的不均勻分布，從而影響涂裝效果。因此，對于水性漆的攪拌應當格外注意以下五點：

（1）攪拌溫度：23-25℃；

（2）攪拌器：使用攪拌杯，禁止使用葉輪（需根據油漆的剪切力選擇相應攪拌杯），如圖1所示；

（3）攪拌速度：90-140 r/min；

（4）攪拌目標：在攪拌時攪拌桶內的涂料不能混有空氣；

（5）攪拌驅動：使用電機攪拌，且保持轉速恒定。

2.1.2 粘度測量

由于水性漆的流變行為，用傳統的流杯測量其粘度值不具有重現性。因此需要利用旋轉粘度計測量出水性漆在高剪切速率及低剪切速率下的數據點，并將其繪制成流變曲線才能給出水性漆完整的流變行為。目前常使用的轉子型號為MV-DIN和NV-DIN。由于水性漆的腐蝕性較大，調漆、供漆系統所用的調漆罐及管道以及前處理和噴涂室等容易受潮部位均需要采用不銹鋼或塑料材質，以確保其穩定的性能。

圖1 攪拌杯

2.1.3 輸漆管道

對于水性漆的輸氣系統需要做鈍化處理，供漆泵應采用雙向柱塞泵或電動泵，禁止使用上下式柱塞泵。輸送管道采取不銹鋼管或合金材料以防止生銹腐蝕。此外，漆房的地面應當鋪設鋼板并接地：（1）防止靜電產生；（2）對于散落的油漆及灰塵易于清理以便于維持干凈的噴涂環境。

2.2 噴涂設備

由于水性漆具有電導率高及電阻低的特性，采用傳統的內加電機器人進行噴涂會產生漏電現象，因此國內外目前大多數車身噴涂使用外加電噴涂，其加電方式為外加電極，具有涂料利用率高、成本低的優點，同時也有電極穩定性較差、電極易受污染等不足。如噴涂保險杠等塑料件，由于零件本身導電性差，應避免使用外加電噴涂，應選擇國外同步的水性漆內加電方式噴涂，才能達到很高的涂料利用率，并能避免外加電電極易受污染等不足；水性漆內加電方式噴涂缺點是系統設備比較復雜、成本投入高、維護要求高，生產高端高附加值零件時可采取此方案。圖3、圖4和圖5為三種不同的加電方式。

水性漆對于其它噴涂設備的要求相比于溶劑型涂料更為苛刻。由于水性漆分散性較差，旋杯頭或空氣帽特別容易受到污染，因此噴涂機械手必須配備專門的洗槍機等清洗設備，并在噴涂過程中盡量使用高氣壓、高霧化噴槍，避免采用HVLP噴槍；而換色閥、齒輪泵、空氣馬達等零配件需使用不銹鋼材質；機器人霧化單元要求較高，旋杯的轉速應達到30-60krpm，因而旋杯應選取鈦合金材質；水性漆噴涂使用的軟管需為特氟龍材料。

與溶劑型漆相比，水性漆對流量和漆霧變化更為敏感。如有不當，則易造成噴涂缺陷，如漆膜發花和針孔等。因此目前水性面漆施工普遍采用旋杯加噴槍的噴涂方式，該種模式有效于流體環路控制、霧化空氣控制、瞬時觸發控制、噴槍目標距離控制等，進而有效解決相關的噴涂缺陷。

圖3 外加電（適合車身噴涂）

圖4 彈匣式

圖5 囊式內加電

2.3 過程設備

由于水性漆具有含水量高、電導率高、分散性較差等特性，其噴涂中對于過程設備的要求主要集中在以下幾點：

（1）在噴涂過程中，容易受潮濕部位設備需采用不銹鋼材質；

（2）水性漆烘房需增加控制濕度裝置；

（3）流平間需增加控制濕度裝置；

（4）所有過程設備密封處應使用不含硅的密封膠；

（5）文丘里水泵需要使用不銹鋼泵體；

（6）用堿性溶液進行預處理容易結垢，因而停線時需用雙氧水進行循環清洗，時間要達到4個小時以上；

（7）預處理所有水要使用DI水，電導率應嚴格控制，嚴禁超標運行以確保表面清洗效果；

（8）對于噴房文丘里漆渣的處理，由于藥劑添加不同，因而必須與溶劑型文丘里分開，建議每個噴房都有相對獨立的文丘里，以達到漆渣處理的要求。此外還可以使用刮渣機。

3 水性漆保險杠涂裝工藝設置

在水性漆保險杠涂裝工藝過程中，最為主要的幾個環節依次為：產品擺放、塑件預處理、塑件除濕烘干、火焰處理、底漆噴涂與烘干、面漆噴涂與烘干以及清漆噴涂與烘干。

3.1 產品擺放方式

處于裝車狀態擺放時，有利于涂料水平流平，桔皮狀態可以迅速提高。如反置的話，產品尖角處容易產生漆滴、流掛等缺陷。因而，在噴涂過程中，產品合適的擺放方式格外重要。

3.2 塑件預處理

在這個環節中，主要含括上件、預處理水洗（主脫脂→熱水脫脂→漂洗I→漂洗II→新鮮DI水漂洗）、抖水、吹水、水分烘干等幾大步驟。該操作的主要目的是為了清除塑件上的雜質、油污等，以便于提高噴涂的合格率；

3.3 塑件火焰處理

預處理后，塑件需要通過火焰處理以提高表面張力，進而有利于底漆更好地附著在其表面上。經實驗測試，火焰處理后塑件表面張力應≥42達因，方可滿足相關性能要求。通過火焰噴房后，塑件冷卻至常溫狀態，進入底漆噴房。

3.4 底漆噴涂

塑件進入底漆噴房前，先經過電離除塵以進一步確保其表面的清潔度。底漆噴房的溫度需控制在24±1℃，濕度需控制在65±5%，風速控制在0.35m/s，以此確保底漆正常穩定噴涂。噴涂完畢后，進行流平10min，其溫度控制在30±3℃，風速維持在0.15m/s。流平完，底漆進行烘干，其烘干效果必須達到油漆TDS要求。緊接著是底漆的冷卻，塑件表面溫度必須在25±1℃范圍內才可進入面漆噴房。

3.5 面漆噴涂

同底漆噴涂，進入面漆噴房前也需進行電離除塵。面漆噴房內的相關參數依次為，噴房溫度：24±1℃，濕度：65±5%，風速：0.35m/s。流平間的相關參數為，流平時間：10min，溫度：30±3℃，風速：0.15m/s，含水率：40-50%。面漆進行烘干也需達到TDS要求。然后經過冷卻后，塑件的溫度應不高于27℃，方可進入清漆噴房。

3.6 清漆噴涂

進行清漆噴涂前也需經過電離除塵的過程。清漆噴涂的過程中應控制好相關參數，噴房溫度：24±1℃，噴房濕度：65±5%，噴房風速：0.35m/s，流平時間：10min，流平溫度：30±3℃，流平風速：0.15m/s。同理，清漆烘干后也必須滿足油漆TDS的相關要求。最后經過冷卻后，塑件表面溫度維持在23±5℃區間內，則可進入下件環節進行質檢。

4 缺陷分析與解決方案

4.1 噴涂線的選擇

由于國內大部分涂裝線為溶劑型涂裝線，如果改造成水性漆涂裝，應盡量避免溶劑型漆和水性漆混噴?；靽娙菀桩a生以下缺陷：

（1）漆膜容易脫落，產品性能不佳；

（2）產品不耐潮濕，貯儲后零件會出現起泡、黃變等不良現象；

（3）產品失光、溶劑反滲；

（4）噴涂過程顆粒增加，制成率低等。

4.2 前處理清洗

在噴涂過程中，塑件前處理清洗的狀態直接關系到噴涂后零件的制成率與性能。目前，主要采取前處理的方式有兩類：

（1）堿性清洗和酸性清洗：總體來說，堿性清洗效果優于酸性清洗效果。酸性清洗容易滋生細菌，需加殺菌劑、表調劑等，而堿性清洗可以少加或不加。另外水性漆的PH值在8.0-8.6之間，呈弱堿性，水性漆對酸性物質非常敏感，一旦混入酸性物質，性能以及很多指標馬上下降，因此必須使用堿性清洗；

（2）二氧化碳冷凍汽化處理(-60℃，4bar)：該種前處理方法適用于正反面都比較干凈的零件；雪花處理也能達到一定的處理效果，但這兩種方式成本投入高。

4.3 表面處理方式

常見的塑件表面處理的方式有以下兩種：

（1）傳統模式火焰處理：可使用天然氣或丙烷，如噴涂水性漆，必須要火焰處理，并且所有面和角落必須到位，以保證表面張力的一致性；

（2）氟化處理：零件結構比較復雜，難用火焰處理的小零件可以采取此方式，但處理機構需要有相關資質、等級。

4.4 噴涂工具與噴涂方式

在噴涂過程中，使用靜電旋杯（負高壓、內放電、向后絕緣）的方式，即杯+杯的噴涂方式，可以達到85%以上的高上漆率。底漆噴涂時，旋杯應選擇一次成膜，此噴涂方式可有效控制底漆噴涂時顆粒的產生。為了達到顏色、外觀的要求，色漆噴涂時需要對顏色匹配區進行兩次或兩次以上走槍以達到最佳的效果，杯+槍的噴涂方式對顏色控制比較有利，但會影響上漆率。

4.5 噴涂工具清洗換色

由于靜電旋杯噴涂時向后絕緣，所以肯定存在清洗死角。另外，水性漆的清洗不能使用強溶劑反復沖刷，需要使用專用清洗液，清洗換色必須保持完全干凈，以保證換色噴涂后的產品沒有串色問題。

4.6 烘房設計與實際溫度控制

烘房風向需從上往下循環，以保證零件在烘房中每個點的溫度保持一致，上、中、下、左、右溫度一致，從而保證零件的性能要求。

4.7 支架印痕

在噴涂過程中，支撐零件的支架進入底漆強冷后不能完全冷卻，造成所支撐部位的塑料基材溫度過高，色漆噴涂后，該區域水分迅速揮發，造成鋁粉、珠光排列不均勻，形成印痕。該種缺陷的主要解決方法有：

（1）在涂裝線設計的過程中，底漆強冷區域應適當延長，確保冷卻時間大于12分鐘，并安裝制冷裝置以進一步降低基材溫度避免印痕產生；

（2）零件與支架觸碰部位，避免使用鋼結構，使用橡塑制品替代。

4.8 顏色調整

噴涂時，由于產品明暗、紅綠、黃藍等顏色數據與外觀不符合質量要求，有時需要對油漆顏色進行調整。在調整的過程中，需要注意以下幾點：

（1）由于水性漆粘度高，不容易分散，在涂裝過程中，需盡量減少色漿、鋁粉等助劑的添加，以保證生產的穩定；

（2）當確實需要調整，那就應該讓涂料回罐（涂料廠商投料罐），重新調整；

（3）不建議在生產現場調色。

4.9 針孔、凹陷的預防與解決

在噴涂過程中，針孔、凹陷等是經常性會出現的缺陷問題，其產生的根本原因是由于異物的排斥導致物體表面張力不一致。因而解決該問題應當從以下幾點出發：

（1）水性漆烘干后，表面含水率過高，造成清漆和水排斥，形成凹陷。此類凹陷比較大，非常直觀。解決辦法：降低烘烤后水性漆的含水率，如：提高烘烤溫度、適當調整涂料中的含水量、調整涂料中的溶劑等；

（2）零件表面有不規則的針孔、凹陷。此問題一般為油漆沒有完全霧化開，漆點子過大，造成油漆點中含水量過高從而不能有效烘干所導致的。解決辦法：噴涂時機械手提高霧化空氣壓力和流量、調整噴槍開關槍等；

（3）色漆流平溫度過低，造成水份沒有揮發。提高流平溫度，流平間調整為逐步升溫、增加吹風和抽濕功能；

（4）控制水性漆膜厚，以保證產品每個區域烘烤效果一致，降低針孔、凹陷產生的幾率。

4.10 水跡的控制

水跡作為一種常見的缺陷，很大程度上會影響噴涂的合格率；水性漆噴涂，特別要注意零件縫隙中水份的排除。因此解決該問題應著重兩點：

（1）如果涂裝線前處理設計為 power wash 方式，結束后應加震動抖水裝置，并在震動抖水后加裝水份烘房，此可有效控制水跡的產生；

（2）如果涂裝線沒有設計震動抖水裝置，應該采取人工吹水，降低水跡產生的幾率。

4.11 色漆烘干后水的含有量的控制

由于色漆完全烘干后，基本處于不導電狀態，控制色漆烘干后水和溶劑的含有量，決定了色漆導電性的高低，最終影響清漆噴涂的穩定性，因此建議將色漆的含水量控制在5%-10%以達到較好的噴涂效果。

5 結語

水性漆保險杠涂裝是溶劑型油漆噴涂的升華。水性漆的性能、缺陷的分析、塑件的質量、設備的穩定性、噴涂工具的合理性、工作溝通的快捷性、管理團隊的自主性都會最終影響涂裝質量和制成率。因此對水性漆涂裝過程控制的全方面深入了解并在實際中廣泛應用，方可大大推動作為新興且環保的水性漆在國內的蓬勃發展。

圖6 加裝雙向抖水裝置，有利于水份清除