塑料件涂装线实施水性漆的涂装工艺研究

    【关键词】塑料件涂装,水性漆,环保

    1 前言

    水性漆之所以倍受青睐是因为它相对于溶剂型漆在技术上具有如下优点：

    (1)环保及安全。众所周知，溶剂型漆主要以芳香族化合物组成的溶剂作为载体（溶剂含量可达60％以上），溶剂属于易挥发、易燃易爆物，对环境会造成污染，长期吸入有害人体健康。顾名思义，水溶性漆以纯水为载体。而水无污染、无毒害。除此之外，用于油漆管道的清洗以及颜色更换清洗所使用的溶剂也将更换为水溶性的清洗溶剂。总而言之，水性漆既环保安全，又可最大限度地减少对人体健康的损害。

    (2)外观及质量。水性漆相对溶剂型漆而言，相容性更好，有利于生产工艺的控制和产品的选择．同时，由于水性漆具有更好的金属颗粒的排列性，对目前使用越来越广泛的金属漆具有更好的视觉效果。

    (3)油漆材料的技术发展趋势。当前全球范围色漆的发展都基于水性漆技术，材料供应商的主要技术开发能力已不再用于溶剂型色漆材料。这意味着如果在国内使用溶剂型漆将导致无法实现与国际同步，而是要花费很大的精力进行水溶性到溶剂型油漆材料的转化和认证。

    全球范围内，水性漆技术越来越广泛地被零部件和汽车厂商采用，已成为技术发展的必然趋势。溶剂型和水溶性漆由于自身材料的不同，导致施工方式和设备需求的不同。如果在车间设计时未能充分考虑水性漆的需求而预留改造的空间，基本上是无法在此基础上实施水性漆。

    2 塑料件水性漆施工设备需求

    2.1 喷涂施工方式

    溶剂型漆自动喷涂机采用内部加电方式。而水性漆在使用的初期全部为外部加电方式。外部加电方式具有技术成熟、溶剂型漆向水性漆的转化设备改造简单、速度快和成本低的优势。但由于外置的加电手指的原因，也造成了一些不足：手指容易积油漆，清洁频次增加．手指对机器悬杯移动速度和环境湿度比较敏感，会造成油漆施工传输效率的下降，影响漆膜外观质量。随着技术的发展，现在水性漆内部加电方式已经在塑料件涂装生产线上开始应用。内部加电主要有两种方式：一种是每次喷涂前将水性漆注入集成在机器人手臂上的漆罐里，完成加电后进行喷涂，每次完成喷涂后再返回原位进行加漆。另一种方式是使用两套漆罐，可放置在喷房外面，一套在进行喷涂时，另外一套进行清洗，可实现连续式生产。目前，提供水性漆内部加电方式的喷涂设备厂商主要有Dürr公司和Fanuc公司等。

    2.2 闪干方式

    众所周知，色漆和清漆的湿碰湿工艺要求在进行清漆施工之前，色漆表面的溶剂或水含量必须挥发到一定的程度来确保质量和外观。通常情况下测得色漆和清漆之间的闪干时间在l～5min之间。溶剂型漆依靠自身闪干可以达到这个要求。水性漆则需要借助加热烘烤来达到脱水率的要求。而在色漆喷涂之后进入加热闪干，加热闪干的通道设计通常推荐为八角形，因为这种设计能够最大化的利用热效率，确保热空气垂直喷到车身表面，从而可以适当减少满足脱水率前提下的工艺时间，减少工艺长度。

    为满足水性漆加热和脱水的要求，加热闪干区域必须设计成温度和湿度均可调整。最常见的调整湿度的办法就是在循环空气中加入新鲜空气。新鲜空气的置换比例取决于当地的环境条件。在干燥的冬季，只需很少的新鲜空气（5%）置换即可，而在湿热的季节（>27℃和80%的相对湿度），可能需要非常大的新鲜空气置换量。

    2.3 输调漆系统

    许多方面需要在设计时予以考虑。溶剂型油漆系统管路材料比较随意，不锈钢和碳钢系统均可，而水性漆管路则必须选用不锈钢加钝化处理的设计。回压设计上必须使用低剪切力的回压阀。水性漆对油漆的液位控制系统也有较高的要求，因为水溶性的液体在容器内液位下降后，附着在容器壁上的油漆．由于水的挥发容易产生粉末剥落，且无法因为新油漆的加入而得到消除，因此影响喷涂质量。而溶剂型油漆因为加新漆时溶剂自身可冲洗容器内壁，则没有这种情况发生。在国外的许多调漆间设计中，油漆在供应商工厂已经全部调整完毕，所以使用一个储漆缸来存放油漆，而来料包装则直接放在高处的架子上靠重力保持储漆缸的液位。而在国内，基本上还是使用桶包装，所以需要在来料桶、油漆储存缸和输漆缸间保持缸内液位的稳定。

    3 塑料件水性漆施工工艺

    3.1 水性漆的存储和运输

    水性漆对存储和搬运方面有一些特殊的要求。因为水的本性致使水性漆对温度非常敏感，如果水性漆存储在零度以下的环境内，油漆的可溶解性就会发生变化，因而导致油漆中的一些重要成分发生沉淀。在这种情况下，水性漆会变得不均匀并可能会析出晶粒。即使对这样的水性漆再加热，也无法使其回复到均匀的状态，油漆的特性将会被彻底破坏。另一方面，由于油漆内含有水，水会对传统存储油漆的容器进行腐蚀，同时油漆本身容易受二价铁离子的影响而改变其流变性能。这就要求所有存储水性油漆的容器必须是不锈钢或者塑料制成。

    温度条件为5～30℃，在运输过程中需要根据环境温度进行加热或冷却，进行运输的车辆必须能进行控温，水性漆存储区域和调漆间都必须其有温控功能。

    通常来说，水性漆可以稳定地存放3个月，超过这一时间则需要对油漆进行重新评估，否则无法保证喷涂质量。具体的保存时间可能因不同的油漆供应商而略有不同。

    对调漆间来说，环境温度应该控制在20～28℃，必要的时候可以使用热交换器来保持油漆温度。所以最佳的存储和运输方式就是让水性漆始终处于相对恒定的温度下，这样在添加新油漆的时候就不需要进行温度调整了。

    3.2 调漆间工艺参数控制

    粘度对传统的油漆来说是一项非常重要的工艺参数，对于水性漆来说，粘度这一概念与传统的溶剂型油漆溶剂有着较大的差别。水性漆的粘度受剪切力的影响变化很大，在低剪切力的环境下如静止放置于容器内可以达到很高的粘度，而在管路内循环或者经过自动喷涂机的换色阀进行喷涂的瞬间，由于高剪切力的作用，水性漆的粘度可以下降很多。传统的溶剂型漆粘度随剪切力变化很小。通常我们使用FiShe或者Ford杯来进行溶剂型漆粘度的测试，对水性漆而言也可以采用类似的方法进行测试，区别在于使用孔径较大的Din杯，而且测出的时间并不代表该水性漆的粘度，只是它的流动时间。要得到真正意义上的水性漆的粘度，需要使用专门的设备，例如旋转式粘度测试仪，分别测定水性漆在不同剪切力条件下的粘度。油漆供应商初期都会在试验室做出自己所有油漆的粘度曲线，调漆间内所需要做的就是测定流动时间，以判断在相同的循环系统内的油漆是否稳定或是不同批次的油漆之间是否有大的差异。水性漆粘度对温度的敏感性相对溶剂型漆来说要弱一些。相对溶剂型漆来说，水性漆技术更需要注意的是低剪切应力控制、稳定的流量以及避免高压系统。高剪切率、高流量以及高压都会令水性色漆加速老化，直接影响喷涂质量。为避免出现这一状况，需要注意以下几点：

    (1)供漆压力、背压、流速的合理设定。

    (2)周末或节假日期间在结束生产以后关闭循环系统，储漆缸内的油漆每日搅拌1-2h，在开始生产前2-3h打开循环。

    (3)长时间停止生产，尽可能在生产结柬前在系统内保留较低的液位，停产期间处理方法同上，在恢复生产前加入新的油漆进行循环混合。

    水性漆使用的清洗溶剂与溶剂型色漆完全不同，其主要成分是DI水（80～90%)，其余为溶剂AMIN。需要注意的是清洗溶剂的温度对清洗效果有较大影响，所以水性漆的清洗溶剂温度也是一项需要关注的工艺参数，通常保持在40～50℃的范围内。

3.3 水性漆的施工特性

    鉴于水性漆含水量高的特性，喷房内所有的用具均必须是不锈钢或塑料，并且不能与其他溶剂型漆系统的用具混用。温度和湿度是喷房内所需要控制的最重要的工艺参数，建议的温度是25±2℃、湿度是65±5%。由于塑料件良好的绝缘性，表面电阻通常>1012Ω,容易造成静电荷的积累，为适应静电喷涂，在塑料件上涂布导电底漆成为汽车工业塑料件静电喷涂工艺的主流，通常的导电电阻理论值<106Ω，实际应用中<0.3×106Ω即可满足生产要求

    水性漆中最重要的添加剂是流变控制剂或者称之为RCA，它通过与分散的聚合物颗粒交互作用，从而对流变性能产生重要影响，这使得低固分的金属漆可以获得非常高的Flop效果，另外RCA可以令单色漆获得更高的膜厚而不会发生流挂或者色差。鉴于这点，水性漆在实际的喷涂过程中，较溶剂型漆而言，不容易出现流挂现象。

    水性漆与溶剂漆成分对比见下图。在水性漆中，水的含量超过了60%，由于水的挥发热比溶剂要高得多，所以在施工过程中溶剂型漆可以有50%左右的溶剂挥发，而水性漆仅仅只有25%左右。这是施工完毕以后需要加热闪干的原因。

图 水性漆与传统溶剂型漆成分对比

    评价一个水性漆加热闪干烘房是否达到要求的一个重要指标是经过此闪干区后水性漆的含水量，通常要求控制在10%左右，含过多的水容易引起针孔，含水太少又会影响清漆的施工。最终含水量的多少可以通过含水量试验来进行测定。具体方法如下。

    (1)准备20cm×20cm的铝箔，称出其质量。将铝箔固定于车身的不同部位，通过自动喷涂机喷涂后进入加热闪干烘房。

    (2)待车身出闪干烘房后取下铝箔再次称出其质量。

    (3)最后计算出车身上不同区域的失水率（要求在90%左右）。

    点修补的修补工艺基本上与溶剂型漆的修补工艺相同，修补材料可以直接使用线上的水性漆．在高温烘烤的时候需要注意控制升温速度，过快会导致出现针孔，建议可以先使用热风吹后用烤灯进行烘烤。

    4 水性漆质量问题

    与溶剂型漆施工过程相比，水性漆存在的最大问题是容易产生气泡和针孔，其根本原因是水性漆中含有大量的水在施工过程中无法及时挥发，在烘房烘烤升温过程中迅速挥发产生气泡或针孔。

    在施工过程中如果发现针孔或气泡，可以从以下几个方面去寻找原因。

    (1)色漆膜厚过厚，特别注意边缘区域，手工可能会影响到的外表面区域、表面漆膜厚度是否均匀等。

    (2)色漆闪干烘房状态，经过该烘房后车身表面是否过湿，可以通过含水率测试来判断。

    (3)面漆烘房曲线，尤其是升温段，对水性漆而言升温速度比溶剂型的还要敏感得多。

    (4)清漆的膜厚是否过厚。

    5 结语

    根据预测，21世纪德国将有超过100%的塑料件涂装生产线是基于水性漆生产，在美国将有超过95%的塑料件涂装生产线基于水性漆生产。在亚洲，主流汽车生产厂商已经开始向水性漆进行转换。随着全球各国环保法规的日益严格，水性漆将必然的成为发展趋势。

    水性漆的发展起步于国家对环保法规的日益严格，而随着产品材料的发展水性漆技术优越性得到体现时，越来越多的油漆材料供应商会投入更大的精力进行水性油漆产品的技术开发和研究。伴随国内材料供应商技术能力的发展以及国家环保总局逐步试点“清洁生产”，鼓励创建“国家环保友好企业”，地方政府也开始鼓励发展低排放的公司，一些为主流汽车生产厂商提供配套的零部件涂装线已经开始将水性漆定为未来塑料件涂装发展的方向。