多顏色粉末涂料在汽車車廂上的開發應用

常錦龍，李金

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

目前，汽車車廂面漆噴涂多采用傳統溶劑型油漆，需要增加廢氣收集治理設施，故存在投資巨大、運營費用較高、企業經營壓力較大等問題。粉末涂料具有無“三廢”(廢水、廢渣、廢氣)排放的技術特點，同時其利用率高達95%，具有明顯的環保優勢，并可極大地降低涂裝成本。為滿足環保法規要求，不增加生產成本，筆者所在公司組織開展了粉末涂料在汽車車廂上的應用研究。

1 粉末涂裝工藝及裝備

粉末噴涂工藝的原理與油漆靜電噴涂基本相同。工件通過輸送鏈進入噴粉房的適宜位置后，靜電發生器通過噴槍槍口的電極針向工件方向的空間釋放高壓靜電(負極)，使從噴槍口噴出的粉末和壓縮空氣的混合物以及電極周圍的空氣電離(帶負電荷)。工件經過掛具通過輸送鏈接地(接地極)，這樣就在噴槍和工件之間形成一個電場，粉末涂料在電場力和壓縮空氣壓力的雙重推動下到達工件表面，依靠靜電吸引在工件表面形成一層均勻的涂層。

粉末涂料由固態樹脂、顏填料、固化劑和助劑組成。粉末涂料靜電附著后絕緣電阻都較高，能安定地附著在被涂物表面，在加熱步驟中經加熱熔融、流平，高分子之間發生化學交聯固化而成膜。成膜后的樹脂具備優異的耐候性、耐化學性、熱穩定性及機械性能。

1.1 工藝流程

1.1.1 素色粉末噴涂生產工藝流程

前處理→電泳→烘干→焊縫密封→粉末素色面漆噴涂→烘干(160～180 °C，8～10 min)→強冷→檢查精修→下線。該工藝與油漆噴涂工藝相比工序不變，只將噴涂面漆改為噴粉。

1.1.2 兩種金屬粉末噴涂工藝路線

路線一：前處理→電泳→烘干→焊縫密封→金屬粉末噴涂→烘干(160～180 °C，8～10 min)→強冷→粉末罩光噴涂→烘干(180～200 °C，20 min)→檢查精修→下線。

路線二：前處理→電泳→烘干→焊縫密封→金屬粉末噴涂→烘干(160～180 °C，20 min)→檢查精修→下線。

路線一的優點是工藝成熟，質量風險小，但需要進行兩次粉末噴涂，且在金屬粉末噴涂完成后需要進行一個高溫短時間的烘干過程，導致生產線過長，生產能耗較高；路線二與素色粉末工藝的路線相同，更簡潔，但缺點是對金屬粉末涂料的要求較高，需要一次成膜就能得到所需要的外觀質量，施工要求也較高。

1.3 粉末涂料的工藝設備及串色解決方案

1.3.1 噴涂設備

粉末噴涂設備主要由粉房、供粉系統、大旋風回收系統、噴槍等組成，如圖1所示。

圖1 粉末噴涂設備Figure 1 Powder spraying equipment

粉末噴涂之所以比較經濟，主要原因是其理論利用率高達95%，但實際利用率還與方案設計、人員操作、生產組織等密切相關。單從設備角度分析，粉末利用率與大旋風分離效率、回收粉使用率這兩個指標有關。大旋風的作用是使得粉末顆粒與風分離，粉末顆粒落入回收盒后由回收粉泵送回供粉桶進行重新利用，其分離效果與內壁結構、風管角度設計、風機風量等有關(即由設備的基本特性決定，效率最大能達到97%)。

1.3.2 熱輻射烘干系統

粉末涂膜的烘干條件為：160～180 °C，20 min。烘干系統可以采用熱風循環和紅外輻射兩種方式。本項目的生產線在切換為粉末噴涂之前采用熱風循環烘干系統(要求140 °C)，切換后考慮到烘干溫度提升對能源的損耗以及粉末涂料熔融階段所需溫度較高，因此在現有生產線基礎上引進催化紅外加熱技術，見圖 2。在升溫一區采用紅外輻射加熱，確保粉末涂料快速熔融，升溫二區和保溫區保留熱風循環烘干系統，確保粉末涂料完全固化。與傳統熱風循環烘干系統相比，催化紅外加熱技術通過燃氣在加熱板表面產生氧化反應，將多數的熱以中波紅外線的形式輻射出去，專門加熱涂料中的羧基與烴基分子，故只對涂料加熱，對板材無明顯加熱效果，加熱過程無需點火，完全無焰，絕對防爆。

圖2 催化紅外加熱系統示意圖Figure 2 Schematic diagram of catalytic infrared heating system

1.3.3 多種顏色噴粉的串色問題

由于同一個粉房生產多種顏色，在大旋風內部一般會殘留雜色粉末，當雜色粉末混入新粉末而進入回收系統后，就會產生串色質量問題。為避免此問題，一般換色后需要空噴5～10 min，以便將設備內部殘留的雜色粉末帶出，然后才進行工件噴涂。由于空噴的粉末不再被利用，因此該方法雖然可以避免串色，但造成大量的粉末浪費，降低了粉末利用率和經濟性。為保證粉末利用率，并避免串色等質量問題，設計了干碰干的噴涂工藝：第一遍噴涂回收粉，第二遍噴涂新粉，兩遍噴涂在同一個粉房進行，兩遍之間不烘干，實際仍是一遍成膜。如圖3所示，自動噴槍組1和2噴涂回收粉末，自動噴槍組3和4噴涂新粉?；厥辗蹆然烊氲碾s色會被新粉覆蓋，漆膜表面仍為全新粉末，質量不受影響，此方案可實現回收粉末的100%利用。

圖3 干碰干粉末噴涂裝置示意圖Figure 3 Schematic diagram of dry-on-dry powder spraying equipment

2 汽車車廂用粉末涂料的開發驗證

2.1 多顏色粉末涂料的開發及其外觀技術指標

針對的汽車車廂生產線為重型、輕型商用車匹配車廂，采用“硅烷前處理 + 底面合一陰極電泳 + 粉末噴涂”的工藝，顏色繁雜，多達30種以上。對該生產線2年內排產的顏色進行梳理，明確開發9種顏色的粉末涂料，它們在2年內的總排產量中占比達95%以上，量產主色有漢玉白、尊貴藍和炫麗紅，特殊顏色有炫酷黑、工程黃、旺旺紅、水晶紫、蜜橙和郵政綠，另外確保剩余小顏色產量的VOCs(揮發性有機物)排放滿足國家規定的限值要求。

涂料開發驗證采用生產線同一型號試板，并隨線進行前處理電泳制板，后統一在粉末開發實驗室進行噴粉及性能檢測，粉末試板涂膜外觀技術指標均滿足開發前制定的技術指標，并完成外觀數據檢測評審確認。以炫麗紅為例，粉末試板涂膜外觀及其技術指標達成情況見表1。

表1 炫麗紅粉末涂層外觀技術指標及其達成情況Table 1 Technical indicators for evaluating the appearance of a brilliant red powder coating and achievement of them

2.2 粉末涂料配套性研究

涂裝線前處理采用鋯鹽?硅烷復合型無磷轉化工藝(即硅烷前處理工藝)，具有不含重金屬的環保特性，在冷軋鋼板、熱軋鋼板等板材表面均能形成良好的轉化膜，與陰極電泳漆配套性良好，電泳質量損失小，生產過程中渣的生成量低。所用的黑色雙組分底面合一陰極電泳漆能夠與前處理和粉末面漆形成優良的配套。為驗證粉末涂料與前處理電泳漆的配套性，考察了相應配套后的耐鹽霧和耐濕熱性能，相關技術指標與測試方法見表2。

表2 粉末涂料與前處理電泳配套性測試的項目Table 2 Property tests for evaluating the compatibility of powder paint with pre-treatment and electrocoating process

采用A、B兩種硅烷前處理材料分別與底面合一陰極電泳漆和純環氧陰極電泳漆交叉制板，配套粉末涂料后的性能測試結果見表 3。由未噴涂粉末的前處理電泳板鹽霧擴蝕的結果可知，底面合一電泳漆對硅烷前處理具有選擇性，不同型號硅烷前處理搭配底面合一電泳時的表現不同。而不同類型硅烷前處理與純環氧電泳漆的搭配都具有良好的防腐性能。噴涂粉末后，在前處理電泳底漆的防腐前提下，涂膜的防腐性能均有提升，且耐鹽霧和耐濕熱測試后的附著力、硬度、耐沖擊等機械性能均滿足技術指標要求。

表3 耐鹽霧及耐濕熱性能測試結果Table 3 Salt spray and moisture and heat resistance test results

2.3 粉末涂料外觀及涂膜性能驗證

為確定粉末涂層的顏色、外觀、耐候性、耐化學品性、耐老化等性能是否達到了汽車涂裝產品的質量要求，開展了相關性能驗證試驗，對氙燈老化、耐水、耐濕熱、耐溫變、大氣曝曬等重點性能也進行了詳細驗證。經檢查，所有項目均滿足產品品質要求。以炫麗紅為例，各項測試的技術要求及檢測結果見表4，其中大氣曝曬持續時間較長，仍在檢測中。

表4 (續) 車用粉末涂料的技術要求Table 4 (Continued) Technical requirements of powder paint for automobile

表4 車用粉末涂料的技術要求Table 4 Technical requirements of powder paint for automobile

3 結論

粉末工藝是國家推薦使用的環保經濟型新工藝，已初步在汽車工業生產上應用。為進一步擴大其應用范圍，滿足生產線環保排放的要求，需要加強對粉末涂料的應用研究，開發更多色彩的粉末涂料，并盡快在汽車上應用，以降低企業經營的法律風險和效益壓力，進一步提升產品競爭力，從而走上輕量化綠色節能之路。