免噴涂材料在汽車制造領域應用的綜述

羅 宇

(菲亞特克萊斯勒亞太投資有限公司工程研發中心，上海 200240)

當今汽車工業飛速發展，新材料和新工藝被汽車上應用的程度越來越廣泛。以往汽車內外飾的塑膠產品通常會采用油漆噴涂工藝進行后處理，以保證良好的外觀效果。然而，該工藝的工序繁雜，其處理過程對環境造成了很大的污染，且明顯增加產品的制造成本。免噴涂材料是一種自帶特殊色彩效果，經注塑、擠出、模壓等成型后，無需涂裝即可滿足外觀顏色裝飾要求的熱塑性材料。基于免噴涂技術的產品生產過程能夠減少干燥、噴漆、后處理等環節，因而能有效減少加工環節、降低成本、降低能源消耗、控制環境污染[1-2]。更加重要的是，免噴涂材料能夠實現100%直接回收再利用，減少了噴漆產品回收處理過程中需要分離熱固性漆膜的工藝。隨著汽車ELV法令的推出，要求更多的車用熱塑性塑料能夠直接回收處理，使得免噴涂工藝成為汽車內外飾應用的一大趨勢[3]。

免噴涂材料概念最初由沙伯基礎(SABIC原GE)于2000年左右以VISUALFX@的商品名提出，主要是通過在聚合物基材中添加特殊顏料達到特殊的外觀效果。然而由于注塑免噴涂產品的開發涉及到：特殊顏料選擇、材料配方優化、模具和注塑工藝等多種要素，前期該產品的推廣過程存在諸多問題，只是在吹塑、擠出或者是一些不注重外觀的注塑小部件上應用。2008年錦湖日麗首次提出CMP一體化解決方案，整合了產品的色彩(color)、材料(material)、模具(process)為一體的產品開發模式。該模式的提出逐漸推動了色彩效果、材料體系、模具設計、工藝條件等方面與免噴涂技術的匹配性，從而進一步提升了免噴涂產品的應用范圍[4-5]。近年來，包括LG化學、金發科技、會通、聚賽龍等企業先后針對免噴涂整體解決方案推出了各具特色的免噴涂系列材料。隨著市場對于產品的多樣化設計、綠色環保、低成本化的要求越來越高，工業界，尤其是汽車制造領域對于免噴涂技術及材料的關注度不斷增加。對免噴涂材料在汽車制造領域的應用進行綜述是非常有必要的。

1 免噴涂材料在汽車制造領域方面的應用

汽車內外飾產品是免噴涂材料的重要應用領域，主要的應用零部件包括：汽車門把手、側裙、防擦條、汽車車燈、保險桿下護板、格柵亮條、立柱外護板、汽車導航儀面板、排檔器裝飾件、后視鏡殼體等[6]。汽車內外飾產品通常具有產品結構大，機械性能要求高、功能化要求高等特點，對于應用于汽車產品的免噴涂材料也提出了不一樣的要求。顏色效果方面，車用材料以高光黑色、防金屬銀色以及啞光效果為主。

1.1 高光澤免噴涂材料的應用

高光免噴涂材料在汽車上的應用主要集中在汽車前格柵、立柱外飾板、后視鏡外殼等產品。目前，主要應用的材料包括: 高光澤ASA材料、PMMA材料、PMMA /ASA合金和耐候級聚碳酸酯等材料等[7-8]。對這類產品的主要要求包括：高光澤(光澤度要求大于60°)，耐候(需滿足氙燈老化和佛羅里達暴曬的要求)，耐沖擊(滿足格柵零件的低溫落球沖擊)等要求。具體不同材料類型制作高光產品的對比如表1所示。

表1 高光免噴涂材料的對比

上海汽車集團股份有限公司技術中心李征等基于即冷即熱成型工藝(RHCM)分別利用PC/ABS和PC材料制作了MG5的高光烤漆效果中央面板產品[9-10]。最終產品的外觀效果、光澤度以及表面硬度等方面相對于常規工藝具有較大的提升。泛亞汽車技術中心有限公司趙穎等研究了PC材料在汽車高光格柵上的應用[11]。項目選擇沙伯基礎(SABIC)的聚碳酸酯(LEXAN SLX系列)材料結合順序閥進膠設計和即冷即熱工藝制備了具有優異外觀效果的格柵產品。

依靠特殊的材料配方設計、模具結構設計和成型工藝高光免噴涂材料在汽車內外飾上的應用越來越多。零部件產品能夠通過各個主機廠相應產品的耐光照、熱老化、飛石沖擊、耐刮擦、耐化學品性能等測試標準。

1.2 金屬效果免噴涂材料的應用

金屬效果免噴涂材料主要是在樹脂基材中加入不同形貌和外觀效果的金屬粉，從而實現類金屬效果。汽車內外飾的金屬效果主要是采用電鍍和噴涂方式實現金屬銀效果為主。實際應用過程中，樹脂基材的配方體系、金屬粉的形貌、表面處理工藝、加工工藝等因素對最終產品的實現效果影響都非常大[12-13]。廣州市聚賽龍工程塑料股份有限公司袁海兵等研究了不同形貌的金屬粉對于聚丙烯樹脂基材的外觀效果及力學性能的影響[14]。結果表明，具有球形結構的金屬粉體填充能夠有效的改善產品的流痕溶解痕等外觀缺陷。

金屬效果的免噴涂材料在汽車制造領域的應用主要涉及到外飾的側裙、底護板、裝飾條、內飾的車門把手、中控裝飾條、儀表板等。廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院鐘國留等人研究了金屬效果聚丙烯材料在汽車側裙上的應用性能[15]。通過Moldflow分析、材料配方設計、模具結構和加工工藝等方面的優化，實現了材料的加工性能、產品外觀效果和產品的應用性能達到噴涂產品要求。該產品的免噴涂工藝實現對于縮短產品生產流程、降低環境污染、降低產品成本等方面都具有重要意義。諾博汽車系統高劍波等系統的分析了金屬效果的聚丙烯材料在汽車保險杠產品上應用的可行性，以及該方案將具備的優勢[16]。江鈴汽車股份有限公司的劉倩等驗證了免噴涂材料在汽車側踏板端頭上的應用，從產品結構、材料及工藝可行性和實驗性能等方面研究了免噴涂材料的應用價值[17]。結果表明免噴涂材料在該產品上的應用能夠有效的解決成型后產品表觀和內部顏色一致長期使用過程中有掉色等問題。

由于金屬效果顏料與樹脂基材之間的相容性，鋁粉類顏料的熱穩定性，以及顏料與樹脂基材在模腔內的流動性能差異等問題，造成金屬效果免噴涂材料在成型過程中極易產生流痕、熔接線、氣紋、發暗等不良現象[18-20]。如何利用產品結構、材料配方、顏料優化、模具設計以及成型工藝等方面的協同效應，實現最終產品的免噴涂金屬效果是當前免噴涂產品開發的研究重點。

1.3 啞光效果免噴涂材料的應用

實際上，啞光效果的免噴涂材料已開始在汽車內飾上得到了大量的應用，例如，用低光澤PC/ABS生產汽車的轉向柱上下蓋、遮陽板、手套箱、副儀表板本體和B立柱安全帶支架等；用PA/ABS生產儀表時鐘罩、儀表罩、出風口面板和兩側蓋板等；用低光澤ABS生產遮陽板、門板上裝和門板拉手盒等。對于材料而言，為了實現產品的整體消光效果需要在材料中混入一定比率的不相融組分(例如，啞光級的ABS，PC/ABS等)，甚至做成兩種或者多種相容性差的材料合金(PA/ABS合金，PBT/ABS合金等)[21]。利用材料表面不同成分的散射現象，結合產品表面的皮紋處理，最終實現制品的啞光效果。

上海金發科技發展有限公司李欣達等先后研究了微交聯SAM和ABS橡膠相大小對PC/ABS材料光澤度的影響[22-23]。結果表明，特殊的改性助劑結構以及材料中橡膠相的大小對于材料的光澤度影響較大。當ABS材料與結晶性樹脂做成合金之后具有非常優異的啞光效果，能夠滿足汽車內飾產品的相應要求。浙江眾泰汽車制造有限公司賀麗麗等[24]系統研究了影響內飾用聚丙烯材料光澤度的因素。結果表明，材料中滑石粉種類、添加量、樹脂及增韌劑的類型以及產品顏色等均對最終制品的光澤度產生影響。特殊結構的消光劑也能夠有效降低材料和最終制品的光澤度。

啞光效果產品在外飾上的應用會讓車身顯得更加優雅、高貴，并能夠更清晰地突出車身的輪廓；在內飾產品的應用可以減少駕駛員的視覺疲勞，提高駕駛的安全性。基于以上原因，啞光效果免噴涂材料在汽車內外飾上的應用將越來越廣泛。

2 免噴涂材料在汽車領域應用存在的主要問題

免噴涂材料經過多年的發展，工業界已經在大量的汽車內外飾的產品上開展了應用嘗試，并取得了卓有成效的成果。然而，產品外觀效果實現、產品表面的外觀缺陷，材料的耐候性能以及材料的耐刮擦性能等關鍵性技術問題，依然是影響該工藝廣泛應用的重點。

2.1 外觀缺陷

塑料在注塑成型過程中復雜的熱力學歷程，不僅影響免噴涂塑料顏料填充物的取向及分布，而且能改變樹脂基體的結晶形貌，使得塑件產品的視覺效果變差[21]。Park等通過模流分析和實際注塑成型分析了金屬鋁顏料在產品成型過程的分布問題。結果表明，在正常流動區域產品無表面缺陷，當熔體經過孔、縫結構會產生熔接線，熔體在肋結構附近流動時，觀察到鋁薄片為不規則取向，試樣表面顯示出流線。在注射成型過程中，由于免噴涂塑料的顏料填充物與基材的相容性、流變性能熱穩定性的差異，最終形成流痕、溶解線、氣紋等外觀缺陷。

2.2 耐候問題

車用的常規噴涂產品由于有噴涂層的遮蓋，不需要直接接受外界日光的直接照射，因此，對于材料沒有具體的耐候要求。但是，當產品直接用免噴涂材料制作時，對材料的耐候要求則需要相應的提高[28]。通標標準技術服務有限公司張舒寧，中國電器科學研究院有限公司劉鑫等詳細的研究了金屬效果的聚丙烯材料在分別不同類型的自然暴曬試驗場和3種典型的實驗室人工加速老化試驗條件下進行相關性研究和老化試驗[29-31]。試驗結果表明，對于免噴涂材料而言，自然暴曬和人工加速試驗之間的相關性并不明顯。老化試驗之后材料的色差保持率較好，但是光澤度保持率并不理想。

應用于汽車外飾產品的免噴涂材料的耐候性能除了與樹脂基材、耐候體系的選擇直接相關之外，同樣的還與材料顏料體系的選擇有重要關系。針對汽車主機廠對于外飾產品的耐候要求，對免噴涂材料的耐候性能進行系統研究是后續的重要研究方向。

2.3 耐劃傷性能

耐刮擦性能是免噴涂材料在汽車內外飾產品上替代噴涂工藝產品過程中需要解決的一個重要問題。當前，解決免噴涂材料表面耐刮擦性的主要方法是：一方面，在材料中加入特殊結構的耐刮擦助劑以提高材料的耐刮擦或者耐摩擦性能；另外一方面，引入即冷即熱的成型工藝提高原材料的表面硬度和光澤度。金發科技林吉龍等以聚丙烯樹脂為基體，研究了不同的分散劑和耐刮傷劑對于材料綜合性能的影響[32]。結果表明，通過加入合適的顏料分散劑和耐刮擦劑能夠有效解決了免噴涂產品各向異性的缺陷，實現各向同性的免噴涂美學外觀，同時保證材料具有優異的耐劃傷性，滿足汽車行業對材料的耐劃傷需求。

3 結 語

免噴涂材料極大地滿足了汽車內外飾零件的綠色設計和降成本需求，是汽車制造領域的一個重要發展方向。在大量的研究基礎之上，產業界已經在免噴涂材料在汽車零部件上的應用做了大量的嘗試，并在許多典型的內外飾產品上形成了實際的產業化應用。盡管，當前針對某些特殊汽車內外飾產品的應用依然存在一定的局限性，但是，隨著模流分析、產品設計、材料性能、模具結構、成型設備、工藝參數等相關技術的深入開發研究和技術升級，免噴涂材料在汽車領域的產業化應用會有更廣闊的應用空間。