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粉末涂装附着力性能探讨
2022年05月24日    阅读量:5954    新闻来源:深圳资讯网  |  投稿

摘要:探讨了粉末涂料在汽车车厢上的涂装新工艺开发及应用过程中,影响粉末涂层附着力与各层间附着力性能的因素及其控制措施。通过进行粉末涂料与汽车零部件涂装其他材料前处理、电泳、密封胶材料的配套性及各工序工艺参数的反复验证,验证粉末涂层与各层间的附着力影响因素,并进行分析调整,控制,附着力稳定,为粉末涂装新工艺的推广应用提供了一定的技术储备。

0 引言

在全球环境日益恶化,全球环境生态危机逐渐加重的当下,中央及地方政府等陆续对汽车涂装三废排放及原材料的VOC含量制定限制标准涂料在线coatingol.com。涂装行业及其配套汽车主机厂积极开展技术进步和产品升级换代活动。汽车及其零部件涂装线设计紧扣绿色、环保、节能为主题,粉末涂料以其无废水废渣废气(三废)排放等技术特点,具有显著的环保和节能优势,可极大降低汽车部件的涂装成本。本文以粉末涂装在汽车车厢上的开发应用为例,探讨在推动粉末涂装工艺实施过程中,从涂料配方与配套性优化、底材、各涂层施工工艺参数、环境等方面,对附着力性能进行详细分析和探讨,并提供附着力不良的解决和预防措施。


1 粉末涂装工艺特点

1.1 粉末涂装工艺路线

汽车车厢液体涂料涂装工艺路线如下:前处理(脱脂、无磷硅烷/磷化)→阴极电泳→烘干(160~170℃,20min)→焊缝密封→液体色漆喷涂→清漆喷涂→流平→烘干(140~150℃,20min)→强冷→检查→下线。


汽车车厢粉末涂装工艺路线如下:前处理(脱脂、无磷硅烷/磷化)→阴极电泳→烘干→焊缝密封→粉末涂料喷涂→烘干(180~190℃,20min)→强冷→检查→下线。


其中对于素色如白色,蓝色,可取消粉末清漆喷涂,直接替代液体色漆,金属色则仍采用液体色漆加液体清漆的工艺。


此工艺路线适用于新建车厢粉末涂装以及与液体涂料兼容生产的粉末涂装生产线。


1.2 粉末涂装成膜及固化特点

粉末涂装一般采用往复机静电喷涂技术,利用高压静电发生器产生的高电压使粉末喷枪的顶端或者内部带电,粉末粒子带电后,在压缩空气和静电力的作用下,带电的粉末粒子向车厢工件运动,当粉末涂层到达一定厚度后,由于粉末粒子之间发生静电排斥作用,车厢工件停止吸附带电粉末粒子,粉末经高温烘烤,胶化,进入玻璃化转化温度,高分子之间熔融固化,最终形成均一的涂膜。

粉末涂装附着力性能探讨 深圳资讯网

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相对于液体涂料,在固化过程中,粉末涂料与上道涂层之间的结合力更大,在材料开发、工艺调试及生产现场阶段,也更容易出现附着力不良的问题。因此,对粉末涂层附着力不良问题的探讨显得尤为重要。

2 粉末涂装附着力影响因素及其控制措施

涂装是在工件表面形成一层牢固、坚韧连续的薄膜,达到工件表面防护装饰的目的,Maitland和Mayne根据涂层钢板的电化学性质的研究,提出涂层激化电阻控制论,并结合菲克(Fick)扩散定律,提出涂层寿命公式:


L=δ2/6D+ΦPsσn    式(1)


式(1)中,L-涂层寿命,δ-涂层厚度,D-离子扩散系数,Φ-常数,Ps-涂层附着力,σn-施加在涂层下钢板的压力。


由以上公式可知,涂层寿命主要取决于涂层适当的厚度,涂层附着力和涂层的离子扩散系数,对于粉末涂层亦是如此。一旦涂层附着力丧失,那么基材将失去涂层对其基本的保护作用,涂层防护作用失效,因此在涂料配方设计、生产工艺、施工和维护过程中,都应重视附着力。


按照附着力大小级别分类,附着力分为0、1、2、3、4、5,其中汽车车厢粉末涂层附着力要求为0级,切割边缘完全平滑,无一格脱落,粉末涂料层间附着力通过百格附着力及剥离附着力来测评。


(1)百格附着力测试:美工刀片2mm间距划至钢板底材,并用3M胶带粘起,观察漆膜脱落情况,参考GB/T9286—1998。


(2)层间剥离附着力:在样板边缘用美工刀片试探伸至电泳与粉末涂膜层间,刀和试板表面15~30°角,然后在刀背上施加一定的推力,均匀地推动美工刀,判断能否将涂膜从电泳层上剥离。如能轻松将涂膜从电泳上连续完整地剥离下来,且电泳和涂膜互不粘连,则判定为不合格;如果剥离时,电泳仍留在基材上,找不到电泳和涂膜之间清晰的界限,涂膜不能连续剥离且和电泳互相粘连,则判定为合格。


涂层在底材上的附着力是由涂层之间的机械力、物理-化学力共同作用的结果,因而,粉末涂层的附着力与粉末涂料及配套涂料的配方、工件材质、工艺参数、粉末涂层及其使用环境等多种因素有关,本文将针对粉末涂装的工艺特点,从涂料配方及相互配套性、工件状态、喷涂膜厚、各涂层工艺参数、上道涂层的工艺质量状态、施工环境等方面来探讨粉末涂层附着力的影响因素,并提出相应的解决措施。


2.1 粉末涂料及各涂层配方及层间配套性对附着力的影响

粉末涂料及其配套涂层配方对涂层附着力的影响,主要体现在如下几个方面。


2.1.1 涂料组分的相容性


粉末涂料附着在底材时,涂料中的树脂成分如羟基、羧基、酰胺基、环氧基、氨基、异氰酸酯基等,可形成极性强的化学活性附着中心,一般而言,涂料中极性越强的树脂,其涂层附着力越好。对于相邻的两道涂层来说,如两种涂料树脂极性不同,则层间附着力难以保证。因此粉末涂料与电泳涂料、密封胶等的树脂极性需进行匹配试验验证,匹配性良好是保证附着力的基础。


2.1.2 涂料中的颜料和填料


涂料中的颜料和填料是通过影响涂料的流变性和机械性,从而对附着力产生影响。配方设计中,颜料与漆料相互作用的程度对涂层附着力有着决定性的影响,不同颜料、粒度、形态和表面性质、用量都影响着涂层附着力。


2.1.3 涂料中助剂的影响


主要包含附着力改进剂、收缩控制剂、增塑剂和某些树脂添加剂,其主要原理都是增加树脂极性,有助于形成化学活化中心,控制涂层的固化收缩。


鉴于以上涂料配方对涂层附着力的影响作用机理,对于粉末涂料,密封胶,电泳,前处理等多道涂层,涂料配方设计之间的匹配性是决定涂层附着力性能的基础。只有相互配套性良好的涂层,才能通过生产现场工艺参数质量管控,施工环境的管控取得良好的效果。对于选定粉末涂装工艺相关的工艺材料,均需开展粉末涂料与前处理、电泳涂料、粉末涂料与密封胶的相互配套性验证。


(1)粉末涂料与前处理、电泳涂料的配套性试验[2]粉末涂料的烘烤工艺要求一般为(180~190)℃×20min,通常电泳涂料烘烤工艺要求一般为(160~170)℃×20min。电泳烘干后的工件如再次经过(180~190)℃×20min的烘干,可能会导致电泳漆膜过度干燥,机械性能下降,存在电泳与粉末涂层配套附着不良的风险。


同时,电泳涂料与粉末涂料配方设计中的树脂,颜填料等之间的匹配性也需要通过试验进行验证。一般验证方案为:按照粉末涂料生产线工艺制板,对复合涂层进行常温附着力、机械性能、耐水、耐湿热后附着力、中性盐雾等项目进行测试。


以车厢前处理及底面合一电泳与超耐候聚酯粉末进行配套试验为案例,验证匹配性,需进行的相关性能测试见表2。

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如生产现场调整不同的配方,或涂料稳定性发生变化,如产量低的生产线电泳涂料长期未更新,粉末涂料调整配方等需重新进行上述实验验证,直至配套性能均满足车厢涂层质量标准为止。


(2)粉末涂料与密封胶的配套性验证[1]


传统PVC密封胶的烘干条件为(130~140)℃×20min,为最大限度节能,可采用胶与粉末同步烘干,没有设置胶烘干炉,在粉末过高温度(180~190℃)×20min下烘干易出现胶条黄变、流淌、二次流挂现象,及密封胶中溶剂挥发影响粉末涂层附着的问题,需对密封胶选型,选择耐高温PVC或聚氨酯密封胶用于与粉末涂装的配套。粉末涂料与密封胶的匹配性需进行的相关性能测试见表3。

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表3粉末与密封胶配套项目验证表通过试验可看出,粉末与密封胶材料配套会出现胶条黄变、胶条与油漆边缘出现深色析出物等配套不良现象,需不断地调整密封胶配方,按照表3性能反复验证,选择与粉末配套良好的密封胶。


2.2 底材对粉末涂层附着力的影响

2.2.1 底材表面形态的影响和表面处理的影响


车厢焊接件表面氧化膜与金属表面的结合力较弱,而粉末涂层与上道涂层结合力相对更大,在粉末喷涂后的附着力测试中,涂层很容易从金属表面剥离。因此,车厢在涂装上件前需进行人工氧化皮打磨擦净处理或进行抛丸处理。


油污是低表面张力的物质,与金属及涂料的结合力都极弱,对附着力的影响很大。前处理除油工序主要包含预脱脂、脱脂等,脱脂处理液碱度低、pH值发生变化、工艺温度不达标、除油工艺处理时间过短等都会导致工件除油不净。同时有些板材上的防锈油特别难脱除,在板材选择时要尤其注意。


处理方法:粉末涂料涂装工艺文件中,加强车间日常生产时的槽液工艺参数的检测和审查,保证工件前处理过程严格按照工艺文件执行。


2.2.2 电泳涂料中杂质成分对表面能的影响


通过测量出现附着不良阶段(图2)取样的电泳漆A与未出现附着不良阶段(图3)取样B的电泳漆的灰分,来判断电泳涂料是否混入杂质。灰分测定方法:准确称取约10g试验电泳漆于已知质量的瓷坩埚中,放入120℃的烘箱中干燥1h,然后放入马沸炉中,徐徐升温至(800±50)℃加热灰化1h,放入干燥器内冷却至室温,求瓷坩埚增加的质量(g)。

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电泳漆中混入杂质,红褐色铁锈类物质,进一步排查为车厢板材带入电泳槽中的铁离子。试验验证,电泳经打磨擦净后,层间附着力符合要求;


解决措施:


(1)车厢上件前人工擦拭油污及铁渣,并检查;


(2)前处理重新换槽,并更换过滤袋至50(由100μm更换至50μm);


(3)电泳漆建立并规范除油过滤袋等更换频次,管理槽液的状态;


(4)生产线换槽及电泳除油后,重新安排生产,小件测试后层间附着力测试合格后,再安排车厢板试生产、装配、评审,以稳定生产线车厢粉末涂层附着力。


2.3 施工工艺参数对粉末涂层附着力的影响

2.3.1 粉末涂层内聚力对附着力的影响


粉末涂层的内聚力是涂层自身发生内聚产生的力,而附着力则是涂层与底材相互粘附的力。多道涂层施工时,要控制内聚力和附着力之间的比例关系。


当粉末涂料与电泳涂料配方型号不变时,粉末涂料膜厚越厚,内聚力越大,而附着力则不会增加,于是内聚力与附着力比例增加,层间附着力变差。刚性底材上涂料成膜时,因无法收缩而产生内聚力,涂层中的内聚力能抵消附着力,使得只需较小的外力就能破坏粘合键。过高的膜厚,其内部收缩力对下涂层的剥离效应也较高,对涂层间附着、电泳与基材的附着力都会有影响。同时,粉末涂层膜厚还会影响涂层丰满度、外观、机械性能、耐老化性能等,二者之间需形成平衡。根据实验验证及经验数据,粉末涂料的涂层厚度控制在160μm以下,附着力可稳定在0级。


汽车车厢多采用波纹板,存在较多凹凸面,易导致粉末厚度分布不均,因此需要在粉末涂层膜厚调试过程中,将粉末涂层膜厚控制在70~160μm之间,在满足粉末涂料最低工程遮盖力的同时,保证粉末涂层的附着力。


2.3.2 粉末涂层固化对附着力的影响[2]


粉末的固化影响粉末涂层机械性能,从而直接影响粉末涂层附着力,韧性好的涂层,附着力良好。硬或脆的涂层,附着力将变差,粉末涂料附着后,如粉末烘干固化时间和温度不足将导致涂膜出现脆性增大,过烘干也会出现涂层过硬,附着力测试中均会出现涂层明显剥落,导致涂层附着力不合格的问题。

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因此需要对生产现场的炉温曲线进行跟踪检测,同时进行该温度条件下的涂膜附着力检测,确保涂膜附着力达标,工件表面温度时间达到粉末涂料的固化需求。


2.4 上道涂层工艺参数对粉末涂层附着力的影响

2.4.1 前处理工艺异常


(1)工件脱脂不净[2]


在本文2.2.1小节中已进行了探讨。除工件脱脂不良外,工件带入的打磨灰、碳粉、油渍、焊渣、铁粉等处理不彻底,都会影响层间界面的表面状态,从而影响附着力。因此在每道工序前后,都需要进行仔细擦拭、检查。


(2)表调工艺参数异常


磷化前的表调对磷化膜成膜质量影响极大,当表调工艺参数出现异常时,将导致磷化膜结晶颗粒偏大、磷化膜层疏松,严重影响粉末涂层的附着力。


(3)磷化膜不良[3]


磷化液的参数控制包含总酸度、游离酸度、促进剂浓度、槽液温度、磷化时间等,当磷化液的参数发生变化时,如槽液温度升高,磷化反应剧烈,有效离子含量损失,会导致磷化膜不规则结晶,甚至二次结晶,磷化膜颗粒严重偏大且比较稀疏不致密,最终导致粉末喷涂之后磷化层和底板基材之间的附着力不稳定。生产现场每班需进行一次槽液参数监控,监测工件脱脂状态、温度、脱脂碱度、磷化参数、磷化中离子含量控制等。同时要求前处理材料厂家驻点服务,并提供离子含量检测周报。


经实际生产验证,“电泳+粉末涂料”体系,对磷化膜厚度要求更严格,5~10μm为促进剂添加过多,离子含量异常时的磷化膜膜厚,正常磷化膜膜厚应控制在1~2μm,对应的晶像照片如图4所示。

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2.4.2 电泳槽液参数异常


当电泳线长期产量过低,或者长期停产时,会出现槽液老化现象,如:


(1)当电泳漆槽液出现pH值与MEQ值同时偏低、库仑效率偏低、电泳膜厚下降时,槽液存在老化现象;


(2)槽液溶剂含量偏低,加剧槽液老化。


电泳槽液稳定预防措施:


(1)控制槽液pH值在5.6~5.8之间;MEQ值每周检测一次,控制范围在28~32之间;


(2)严格控制槽液溶剂含量0.8%~1.5%;


(3)长期停产期间(≥7d)电泳槽液温度控制在25℃;


(4)杂质离子:定期检查杂质离子含量和电泳槽液的含油量。


2.4.3 工件电泳烘干异常


粉末涂层结合力较前处理电泳结合力强,一旦电泳涂层烘干不足,易与上道涂层咬合,发生附着力不良问题。


但当电泳烘干时间设置过长或烘干温度设置过高时,也会导致电泳漆出现过度固化,使电泳涂层表面张力增加,导致粉末涂料在电泳涂膜上的附着力下降,出现层间附着力不良问题。


在粉末涂料材料开发过程中,在烘箱内对电泳烘干时间和温度进行了工艺验证,验证结果见表3。制板过程为试验板在线前处理(三元系磷化)、电泳,在实验室按不同烘干条件进行试板电泳涂膜烘干,将烘干后的实验进行干燥度检测后再上线挂板进行喷粉,控制喷粉厚度为100~120μm。每种烘干条件下需选择出3块符合粉末膜厚要求的试验板进行附着力检测。

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根据上述实验验证,可以得出如电泳烘干条件发生变化或工件出现多次在线返工问题,则需要对涂膜的附着力进行重点管控。粉末涂装线生产过程中也需要严格控制电泳烘干状态,主要从如下几个方面进行管控:


(1)每日检测电泳烘房及输送链设备是否满足工艺状态;


(2)每日定期对电泳后工件采用脱脂棉蘸取丙酮擦拭检测电泳漆膜的干燥度;


(3)在工艺调试及试生产期间,每天对首件进行挂试验板,检测电泳附着力及电泳后粉末附着力,挂板附着力合格后再进行生产,待附着力稳定后可为每天随机挂板检测。


2.5 自然气候对粉末涂层附着力的影响

2.5.1 喷涂温湿度对涂层附着力的影响


喷涂房温度变化会引起不同涂层不同弹性模量变化,涂层间微观的变形不同,在涂层内引起机械应力发生变化,从而影响附着力。喷涂房相对湿度变大,会引起涂层附着力下降,高湿状态下涂层容易发生溶胀、水溶性组分易分离、附着力下降。


在每道涂层施工过程中,需按照工艺文件要求,严格控制施工温湿度。


2.5.2 光老化对涂层附着力的影响


粉末涂料涂层受日光曝晒,会使涂料中的树脂和颜料发生降解,化学结构发生变化,从而附着力下降。因此,在粉末涂料的开发过程中,除对常态附着力进行测试外,还应对耐水、耐湿热、耐化学品、耐盐雾、耐老化等实验项目后,增加对涂层附着力的测试,均需达到0级。


3 生产现场附着力问题解决措施


粉末生产线投入使用后,在涂层配套良好,前处理电泳及粉末工艺设备参数均满足工艺要求的情况下,一旦出现附着力不良问题,现场通过如下方法进行快速判定问题原因并加以解决。


(1)粉末异常的喷板判定:将标准前处理板直接喷粉,放入实验室小烘箱进行烘烤,判定粉末是否异常。


(2)前处理、电泳异常判定:生产现场前处理和电泳由不同供应商提供,生产中遇到异常,较难判定责任归属。在现场调试生产中,通过利用其他生产现场的磷化电泳板、本生产线的磷化电泳板以及标准磷化板电泳后喷涂粉末涂料后判定附着力,通过交叉验证方法对附着力问题因素进行分析验证,从而判定生产线的前处理电泳状态是否存在异常,指导并解决粉末涂层附着力不良的问题。


4 结语


由于粉末涂装工艺特点及涂层固化机理的特殊性,粉末涂层最终附着力,既包含了底材和磷化、磷化和电泳,又包含电泳和粉末之间的层间附着力,现场工艺中的某一个环节工艺参数出现问题就可能最终导致粉末涂层附着力不良,影响产品的最终涂膜质量。本文结合粉末涂料的工艺特点,从涂层附着机理层面,围绕粉末涂层附着力影响因素进行深入分析,并提出建议措施,对新建粉末涂装线开发验证及工艺调试具有一定的指导意义。


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