基于ABS基材的水披覆轉(zhuǎn)印工藝應(yīng)用研究

廖勇 陳三林 倪雪輝

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)是依靠水的壓力，將聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）膜上的油墨圖案均勻轉(zhuǎn)印到產(chǎn)品表面，同時(shí)使油墨與PVA材料分離[1-2]。該工藝最大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是不僅適用于平面基材的裝飾，也適用于曲面及凹面等不規(guī)則基材的裝飾，同時(shí)還可以在塑料、金屬、陶瓷、木材等不同材質(zhì)的產(chǎn)品上進(jìn)行裝飾[3-4]。通過(guò)選擇合適的圖紋，可在產(chǎn)品表面獲得如木紋、云石、翡翠等各種逼真的圖案紋理效果[5]，因此具有較大應(yīng)用價(jià)值。目前水披覆轉(zhuǎn)印工藝在汽車(chē)內(nèi)飾件、電子產(chǎn)品上應(yīng)用比較普遍[6]，在家電行業(yè)中有一定的應(yīng)用，但在空調(diào)上的應(yīng)用較少。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)水披覆工藝中的油墨、PVA膜片及圖案印刷研究較多，但對(duì)水披覆工藝具體參數(shù)的公開(kāi)報(bào)道較少。

在空調(diào)行業(yè)中ABS塑料應(yīng)用較廣[7]，常作為外觀及結(jié)構(gòu)件，但ABS注塑件外觀相對(duì)單一，為豐富空調(diào)外觀，將水披覆轉(zhuǎn)印工藝應(yīng)用到空調(diào)行業(yè)中。本文研究了水披覆轉(zhuǎn)印工藝在ABS基材上的應(yīng)用，探討了底漆羥值、轉(zhuǎn)印槽水溫、活化時(shí)間、工件入水角度及UV面漆硬度等對(duì)水披覆轉(zhuǎn)印效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

原料：水披覆膜，型號(hào)I1309-F，廣州學(xué)創(chuàng)化工有限公司；活化劑，型號(hào)S601，上海高鳴化工有限公司；底漆，型號(hào)K-1190，惠州飛凱化工有限公司；面漆，型號(hào)YX-1107，江門(mén)億鑫化工有限公司。

儀器：實(shí)驗(yàn)室水噴柜，華緯設(shè)備有限公司；烘箱，F(xiàn)R-1210型，吳江吳越烘箱設(shè)備有限公司；UV固化機(jī)，UVA-322型，東莞心舟工業(yè)設(shè)備有限公司；水轉(zhuǎn)印槽，東莞易紅機(jī)械設(shè)備有限公司；清洗設(shè)備，東莞益煒有限公司；靜電噴槍?zhuān)琖101型，昆山大東揚(yáng)自動(dòng)化設(shè)備有限公司；百格刀，3M膠帶，秒表；水煮箱，DK-8AS型，上海合恒儀器設(shè)備有限公司。

1.2 工藝流程

水披覆工藝主要流程如圖1所示，其中前處理主要是使用白電油除去注塑件表面油污，并通過(guò)靜電噴槍進(jìn)行靜電除塵，以保證基材與底漆之間具有良好的附著力，噴涂底漆主要用于遮蓋基材缺陷并為水披覆轉(zhuǎn)印油墨提供良好的附著；水披覆轉(zhuǎn)印包含三個(gè)連續(xù)過(guò)程，即水披覆膜在水面上的延展、溶劑對(duì)轉(zhuǎn)印膜層油墨的活化以及圖案轉(zhuǎn)印工序；噴涂面漆主要用于保護(hù)轉(zhuǎn)印圖案不受破壞。

圖1 水披覆工藝流程圖

1.3 水披覆實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）底漆噴涂及固化

使用空氣噴槍噴涂底漆，噴涂氣壓為0.35～0.55 MPa，噴幅為4～10 cm，噴涂距離為（15±5）cm，噴涂膜厚為（15±2）μm，噴涂結(jié)束后將樣件置于60℃烘箱中烘烤20 min。

（2）水披覆轉(zhuǎn)印

將水披覆膜在轉(zhuǎn)印槽中鋪展開(kāi)，并用噴槍將活化劑噴涂于水披覆膜上使油墨活化，然后將噴涂完底漆的ABS工件以一定角度壓入水中，使水披覆膜上的圖案轉(zhuǎn)印到工件上，并水洗工件表面，最后置于60℃烘箱中烘烤20 min。

（3）面漆噴涂與固化

面漆噴涂膜厚為（20±2）μm，其噴涂參數(shù)同底漆噴涂參數(shù)一樣，噴涂結(jié)束后將樣件在自然狀態(tài)下流平2 min，然后將樣件置于60℃烘箱中預(yù)熱5 min，再放入U(xiǎn)V固化機(jī)中固化，固化能量為800 mJ/cm2。

1.4 性能測(cè)試

（1）附著力測(cè)試

按GB/T 9286-2021《色漆和清漆 劃格試驗(yàn)》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果0級(jí)為最佳，5級(jí)為最差。

（2）耐水煮測(cè)試

將樣件于60℃水中煮6 h，取出后用濾紙吸干表面的水份，立即觀察外觀，靜置24 h后進(jìn)行附著力測(cè)試。

（3）溶解時(shí)間測(cè)試

將水披覆膜裁剪成4 cm×4 cm大小，并置于不同溫度的水槽中進(jìn)行溶解性測(cè)試，用秒表記錄溶解的時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 底漆對(duì)水披覆工藝性能的影響

底漆在水披覆工藝中主要起到遮蓋基材缺陷并為水披覆轉(zhuǎn)印油墨提供良好的層間附著力的作用，同時(shí)底漆的好壞也影響到水披覆膜的耐水煮性能。對(duì)不同羥值單組分底漆進(jìn)行了層間附著力及耐水煮性能研究。

底漆樹(shù)脂對(duì)水披覆性能的影響如表1所示，由表1可知，附著底漆樹(shù)脂中羥值含量從2 mgKOH/g逐步增大到20 mgKOH/g時(shí)，底漆對(duì)水披覆油墨的層間附著力從1級(jí)增大到0級(jí)，表明底漆樹(shù)脂羥值含量增加有利于提高底漆與水披覆油墨的層間附著力。這是因?yàn)榱u基為極性基團(tuán)，這些極性基團(tuán)與水披覆油墨之間形成相互作用的吸附點(diǎn)，隨著羥值增加，底漆樹(shù)脂與水披覆油墨之間吸附點(diǎn)增加，分子間作用力增加，從而使附著力增加。

表1 底漆樹(shù)脂對(duì)水披覆性能的影響

水煮性能可以在一定程度上反映出涂層的濕熱附著力，從表1可知，隨著附著底漆樹(shù)脂中羥值含量增加，水煮后的外觀穩(wěn)定性出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而水煮后附著力出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)榱u基為親水性極性基團(tuán)，水分子透過(guò)底漆與羥基形成結(jié)合水，羥基含量越大形成結(jié)合水的能力越強(qiáng)，在外觀上最終出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，從而影響層間附著力，引起附著力下降，因此底漆樹(shù)脂羥值在6～15 mgKOH/g范圍內(nèi)較佳。

2.2 水溫對(duì)水披覆膜性能的影響

2.2.1 水溫對(duì)膜溶解時(shí)間的影響

在水披覆工藝當(dāng)中，水主要起兩個(gè)作用，一是水溶性PVA膜片，二是提供足夠的壓力，使浮于水面上的油墨圖案通過(guò)水的壓力將圖案完整、緊密貼合在工件上。圖2為水溫對(duì)水披覆膜溶解性能的影響圖，從圖2可知，隨著水溫升高，水披覆膜溶解時(shí)間變短，這是因?yàn)镻VA膜為水溶性高分子，在水溫升高時(shí)，水分子運(yùn)動(dòng)加劇，同時(shí)溫度升高也使得高分子鏈段更加容易舒展，二者共同作用使PVA膜溶解時(shí)間變短，當(dāng)水溫超過(guò)40℃時(shí)，PVA膜溶解時(shí)間減少不明顯，從生產(chǎn)效率及節(jié)能角度考慮，水溫為40～50℃較佳。

圖2 水溫對(duì)水披覆膜溶解性能的影響

2.2.2 水溫對(duì)水披覆效果的影響

水溫對(duì)水披覆效果的影響如表2所示，由表可知，當(dāng)水溫低于35℃時(shí)，水披覆工序結(jié)束時(shí)工件表面出現(xiàn)了PVA顆粒殘留并有圖案變形現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樗疁靥蜁r(shí)，PVA膜不能很好地溶解于水中，故后期水洗工序無(wú)法徹底清洗掉殘留的PVA膜；另外因水溫較低，PVA溶解時(shí)間延長(zhǎng)，使得油墨溶脹變形。當(dāng)水溫高于60℃時(shí)水披覆圖案出現(xiàn)變形甚至破裂，這是因?yàn)楦邷厮疂竦沫h(huán)境下水分子運(yùn)動(dòng)加劇使PVA膜溶解過(guò)快，導(dǎo)致油墨層樹(shù)脂受熱的運(yùn)動(dòng)加劇而出現(xiàn)圖案變形甚至破裂。因此水溫控制在40～50℃較適宜。

表2 水溫對(duì)水披覆效果的影響

2.3 活化時(shí)間對(duì)水披覆效果的影響

活化劑主要成分為二甲苯、甲苯、甲基異丁基酮的混合物，將其噴涂于轉(zhuǎn)印膜上，其主要作用是將轉(zhuǎn)印膜上的呈烘干狀的油墨圖案活化成溶脹狀態(tài)，使圖案保持完整性，從而使圖案層與PVA分離[8]。活化時(shí)間對(duì)水披覆效果的影響如表3所示，由表可知，隨著活化劑活化時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)印圖案呈現(xiàn)出圖案不全—良好—變形的階段性變化，這主要是因?yàn)樵诨罨瘯r(shí)間較短時(shí)，油墨層未充分軟化溶脹，部分油墨與底漆之間無(wú)法充分潤(rùn)濕，導(dǎo)致圖案不能完整轉(zhuǎn)印到底漆上；隨著活化時(shí)間延長(zhǎng)，油墨與底漆之間可以充分接觸并附著，從而圖案較完整；但隨著活化時(shí)間進(jìn)一步增加，油墨進(jìn)一步膨脹而出現(xiàn)紋路積壓的現(xiàn)象，導(dǎo)致圖案變形。因此從圖案效果上看，活化時(shí)間為15～30 s較佳。

表3 活化時(shí)間水披覆效果影響

2.4 轉(zhuǎn)印入水角度對(duì)水披覆效果的影響

入水角度是指工件緩慢入槽時(shí)工件與水平面的夾角，工件入水角度對(duì)水披覆效果影響較大。工件轉(zhuǎn)印入水角度對(duì)水披覆效果的影響如表4所示，由表可知，工件以較低入水角進(jìn)行轉(zhuǎn)印時(shí)，水披覆產(chǎn)品表面出現(xiàn)局部紋變的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)槿胨嵌忍。ぜc水披覆膜在瞬間接觸面積較大，接觸界面的氣泡被包覆而無(wú)法及時(shí)排出，后期進(jìn)行烘干時(shí)氣泡破裂而發(fā)生圖案局部紋變；當(dāng)入水角度增大時(shí)，接觸界面的氣泡排出較快因而轉(zhuǎn)印的圖案效果較好；當(dāng)入水角度進(jìn)一步增加時(shí)，工件對(duì)水披覆膜的拉伸較大從而使圖案變形。因此入水角度控制在30°～45°較佳。

表4 轉(zhuǎn)印角度對(duì)水披覆效果的影響

2.5 面漆硬度對(duì)水披覆效果的影響

為保護(hù)轉(zhuǎn)印圖案不被破壞，需要在轉(zhuǎn)印層上噴涂一層透明的面漆作為保護(hù)層，為提高生產(chǎn)效率，選用UV光油進(jìn)行工藝研究。面漆硬度對(duì)水披覆性能影響如表5所示，由表可知，隨著UV光油硬度增加，面漆與水披覆層附著力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)閁V光油硬度與交聯(lián)度有關(guān)，交聯(lián)度越大硬度越高，光油中可自由旋轉(zhuǎn)的極性分子鏈減少，與水披覆層油墨吸附點(diǎn)減小，從而導(dǎo)致附著力下降。另外，隨著UV光油硬度增加，水煮后附著力先增加后減小，水煮外觀依次呈現(xiàn)出起泡、正常和開(kāi)裂的現(xiàn)象，這主要是光油硬度較低時(shí)，交聯(lián)密度較低，對(duì)水分子屏蔽作用較小，從而出現(xiàn)起泡問(wèn)題；當(dāng)UV光油硬度過(guò)大時(shí)，光油內(nèi)應(yīng)力較大而出現(xiàn)水煮開(kāi)裂問(wèn)題，因此面漆硬度控制在HB至F之間較佳。

表5 面漆硬度對(duì)水披覆性能影響

3 結(jié)論

水披覆轉(zhuǎn)印工藝可極大提升空調(diào)外觀視覺(jué)效果，本文研究了水披覆轉(zhuǎn)印工藝在ABS基材上的應(yīng)用，探討并分析了底漆羥值、轉(zhuǎn)印槽水溫、活化時(shí)間、工件入水角度及UV面漆硬度等對(duì)水披覆效果的影響，得出如下結(jié)論：

（1）隨著底漆羥值含量增加，底漆與水披覆膜之間的附著力從1級(jí)提高至0級(jí)，水煮耐水性先提高后降低；羥值含量為6～15 mgKOH/g時(shí)，層間附著力及耐水煮性能合格。

（2）隨著水溫增加，水披覆膜溶解時(shí)間變短，同時(shí)轉(zhuǎn)印膜圖案發(fā)生形變；水溫為40～50℃時(shí)，水披覆轉(zhuǎn)印效果較好。

（3）活化時(shí)間為15～30 s時(shí)，水披覆轉(zhuǎn)印效果較好。

（4）隨著轉(zhuǎn)印入水角度的增大，圖案發(fā)生變形，轉(zhuǎn)印入水角度為30°～40°時(shí)，水披覆轉(zhuǎn)印效果較好。

（5）面漆硬度處于HB與F之間時(shí)，面漆耐水煮性能及層間附著力較佳。