關(guān)于白色涂料在樹(shù)脂靜電涂裝方面的研究

耿俊勇，彭文斌

(天津一汽豐田汽車有限公司 天津300457)

1 靜電涂裝

1.1 靜電涂裝原理

當(dāng)在一平板電極和一針狀電極之間加上 50～80kV高壓靜電電場(chǎng)時(shí)，針尖端強(qiáng)烈放出電子，使針尖附近的空氣離子化。這種離子化的空氣分子被平板電極吸引而引起空氣流動(dòng)，產(chǎn)生“離子風(fēng)”，從而使空氣呈現(xiàn)一定的導(dǎo)電現(xiàn)象，即電暈放電(圖1)。

圖1 直流電暈放電示意圖Fig.1 Schematic diagram of DC corona discharge

目前旋杯式靜電涂裝與上述電極之間高壓電場(chǎng)的情況完全相同。旋杯是一個(gè)具有銳利邊緣、高速旋轉(zhuǎn)的金屬杯，在旋杯和工件之間接上直流高壓電源(旋杯為負(fù)極，工件為正極)，于是旋杯和工件之間形成一個(gè)高壓電場(chǎng)，當(dāng)涂料被送到旋杯內(nèi)壁，由于回轉(zhuǎn)效應(yīng)，涂料受離心力的作用向四周擴(kuò)散呈均勻薄膜狀態(tài)，并向旋杯口流甩。流甩到旋杯口的涂料受到強(qiáng)電場(chǎng)力的分裂作用，進(jìn)一步霧化成涂料的微粒子并獲得電荷成為負(fù)離子漆粒，在電場(chǎng)的作用下，涂料粒子成弧狀軌跡迅速飛向工件并放電，這樣涂料便均勻、牢固地吸附在工件表面上(圖2)。

圖2 靜電噴涂示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrostatic spraying

1.2 靜電涂裝特點(diǎn)

①大幅度提高涂料利用率。靜電涂裝是靠靜電引力將涂料粒子涂到被涂物上，因而能大幅度減少由噴霧回彈和噴逸現(xiàn)象造成的漆霧飛散，在普通噴涂時(shí)，涂料利用率僅為 30%～60%。靜電涂裝具有環(huán)保效果，一般涂料利用率為50%～90%。

②成倍提高生產(chǎn)率。靜電涂裝適用于大批量流水線生產(chǎn)。靜電涂裝的輸送鏈速最高可達(dá) 24m/min，而普通噴涂鏈速最高為4m/min。

③減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境。靜電涂裝實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、連續(xù)流水作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。在生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量的漆霧，改善了生產(chǎn)環(huán)境，有利于作業(yè)者的身體健康。

④涂裝質(zhì)量好。能使被涂物的凸出部分、頂部、角部等良好涂著。

⑤靜電涂裝對(duì)安全裝置的要求高。靜電涂裝存在高壓火花放電引起火災(zāi)的危險(xiǎn)，當(dāng)工件晃動(dòng)或因操作失誤造成極間距離過(guò)近時(shí)，會(huì)引起打火，因此，在靜電噴漆室中設(shè)置安全滅火裝置甚為重要。

⑥由于靜電場(chǎng)的尖端效應(yīng)，對(duì)抗凹部分會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)屏蔽，形成涂層較薄，故一般還要設(shè)手工補(bǔ)漆工位，以彌補(bǔ)缺陷。對(duì)塑料、木材、橡膠、玻璃等非導(dǎo)體工件，要經(jīng)特殊表面預(yù)處理才能進(jìn)行靜電噴涂。

⑦靜電涂裝對(duì)涂料性能要求高。對(duì)所有涂料的電性能、溶劑的沸點(diǎn)和溶解性等都有特殊要求，并易受環(huán)境濕度的影響。

2 白色涂料的使用情況

2.1 *4*涂料使用情況

目前一汽豐田泰達(dá)工廠正在生產(chǎn)卡羅拉、威馳、皇冠3款車型，涉及的白色涂料有3種，涂色編號(hào)分別為*4*、*6*、*7*。其中*4*涂色是白色非靜電涂裝工藝。2019年泰達(dá)工廠生產(chǎn)車輛總和約 48萬(wàn)輛，其中*4*涂色占比 70%以上。樹(shù)脂車間*4*涂色的樹(shù)脂件為非靜電涂裝，涂著效率為35%左右(表1)。

表1 涂著效率Tab.1 Coating efficiency

2.2 *4*涂色的漆膜構(gòu)成

*4*涂色的漆膜由底漆、面漆、清漆 3層漆膜構(gòu)成(圖3)。底漆是高亮度白色非導(dǎo)電底漆(ASX2870CD)，面漆為白色水性涂料(具有導(dǎo)電性)，清漆為雙組分油性涂料(具有導(dǎo)電性)。

圖3 *4*涂色漆膜構(gòu)成示意圖Fig.3 Schematic diagram of *4* paint film

目前*4*涂色生產(chǎn)占比高達(dá) 70%以上，如何能夠提高涂著效率成為降成本的首要任務(wù)。從漆膜構(gòu)成分析，賦予底漆導(dǎo)電性，從而可以實(shí)現(xiàn)靜電涂裝，達(dá)到減少?gòu)U漆降成本的目的。

3 *4*涂色樹(shù)脂靜電涂裝的研究應(yīng)用

3.1 底漆導(dǎo)電性研究

靜電涂裝可以提高涂著效率，從而實(shí)現(xiàn)減少?gòu)U漆節(jié)省成本的目的。保險(xiǎn)杠的制作材料為 TSOP樹(shù)脂，它不具有導(dǎo)電性。給底漆賦予導(dǎo)電性，可以使用底漆漆膜的導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)面漆和清漆的靜電涂裝。為了賦予底漆導(dǎo)電性，涂料中的顏料使用有導(dǎo)電性的顏料，導(dǎo)電性顏料在涂膜中形成電流流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)靜電涂裝(圖 4)。

圖4 底漆導(dǎo)電性示意圖Fig.4 Electrical conductivity of primer

涂料中的導(dǎo)電性主要由碳實(shí)現(xiàn)，碳本色為黑色，會(huì)降低底漆涂料的明亮度從而影響整體漆膜的顏色。目前一汽豐田樹(shù)脂車間使用的底漆主要有 3種，白色底漆 ASX2870CD、灰色底漆 ASX2870、白色底漆 ASX2880CD。后 2種底漆涂料為導(dǎo)電涂料，涂料性能對(duì)比如下(表2)。

表2 涂料性能對(duì)比Tab.2 Performance comparison of coatings

白色底漆 ASX2880CD中的導(dǎo)電顏料是在氧化鈦表面覆蓋導(dǎo)電層(圖 5)，其配合量為 150phr(parts per hundred之縮寫)，是灰色底漆 ASX2870中導(dǎo)電碳配合量的7～8倍。

圖5 白色導(dǎo)電顏料示意圖Fig.5 Schematic diagram of white conductive pigment

白色底漆ASX2880CD可以滿足亮度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性(圖6)。

圖6 底漆導(dǎo)電性對(duì)比Fig.6 Comparison of electrical conductivity of primer

3.2 樹(shù)脂靜電涂裝在*4*涂色上的實(shí)踐

為了實(shí)現(xiàn)*4*涂色靜電涂裝，本次將白色底漆ASX2870CD更換成白色底漆 ASX2880CD。首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣板噴涂實(shí)驗(yàn)，在漆膜厚度相當(dāng)?shù)那闆r下確認(rèn)顏色變化，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示2種底漆的顏色基本相同(表 3)。

鑒于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足顏色要求，聯(lián)合涂料廠家對(duì)*4*涂色的新漆膜構(gòu)成進(jìn)行附著性和耐候性等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果滿足技術(shù)要求(表4)。

表3 ASX2870CD與ASX2880CD實(shí)驗(yàn)室顏色數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of color data between ASX2870CD and ASX2880CD

表4 附著性和耐候性評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Assessment results of adhesion and weathering resistance

*4*涂色的新漆膜構(gòu)成在通過(guò)性能評(píng)價(jià)后，下一步就進(jìn)入到車間制造現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試階段。主要變化點(diǎn)是底漆更換成ASX2880CD后，面漆和清漆在噴涂過(guò)程中加上-50kV高壓直流電，涂料伴隨旋杯高速旋轉(zhuǎn)霧化成涂料的微粒子并獲得電荷成為負(fù)離子漆粒，在電場(chǎng)的作用下，涂料更多地吸附在工件表面上。在達(dá)到同等漆膜厚度的情況下，盡可能降低涂料的用量。通過(guò)以上調(diào)整，面漆和清漆涂著效率大幅度提升(圖 7)。

圖7 ASX2870CD與ASX2880CD涂著效率對(duì)比Fig.7 Comparison of coating efficiency between ASX2870CD and ASX2880CD

3.3 樹(shù)脂靜電涂裝在*4*涂色上的量產(chǎn)應(yīng)用

在經(jīng)歷了初期實(shí)驗(yàn)室樣板涂裝、中期車間試制噴涂后，將試制條件進(jìn)行量產(chǎn)確認(rèn)，涂裝不良率低于1%(圖 8)。保險(xiǎn)杠的涂色品質(zhì)滿足成品車品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(圖 9)。

圖8 量產(chǎn)后不良率推移圖Fig.8 Diagram of failure rate after mass production

圖9 量產(chǎn)后色差25°數(shù)據(jù)分布圖Fig.9 Color difference 25° data distribution chart after mass production

4 總 結(jié)

關(guān)于白色涂料在樹(shù)脂靜電涂裝方面的研究經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室試制、制造現(xiàn)場(chǎng)試制、量產(chǎn)品質(zhì)確認(rèn) 3個(gè)階段，已經(jīng)達(dá)到成品車的量產(chǎn)品質(zhì)要求。目前已經(jīng)應(yīng)用到了卡羅拉車型的量產(chǎn)中。

本次白色涂料靜電涂裝的研究應(yīng)用有如下幾點(diǎn)改善效果：

①涂料成本方面，導(dǎo)電底漆ASX2880CD較非靜電底漆ASX2870CD成本略有上漲，但面漆和清漆實(shí)現(xiàn)了靜電涂裝。面漆涂著效率由 35%提升至 55%左右，清漆涂著效率由35%提升至70%左右。保險(xiǎn)杠單臺(tái)涂料成本節(jié)省約6元，年節(jié)省涂料費(fèi)用約200萬(wàn)元。

②輔助材料方面，粕池造渣藥劑、治具清洗藥劑、洗凈稀料等用量遞減了約20%左右。

③設(shè)備維護(hù)方面，機(jī)器人清掃、排氣風(fēng)機(jī)清掃、過(guò)濾棉更換等周期都有所延長(zhǎng)。

④環(huán)境影響方面，涂著效率提升，粕池產(chǎn)生的廢漆渣因?yàn)閺U漆量的減少而大幅度降低，同時(shí)也降低了廢氣的VOC排放濃度。

本次白色涂料靜電涂裝在卡羅拉車型樹(shù)脂件上的應(yīng)用，使我們?cè)诔杀尽⒃O(shè)備維護(hù)、環(huán)境等方面取得很好的效果。到 2020年末，一汽豐田泰達(dá)工廠所有車型*4*涂色的樹(shù)脂件將全部采用靜電涂裝工藝。