PC+ABS產(chǎn)品噴涂咬底問題機理研究

趙曦明，李鑫，杜鵬程

PC+ABS產(chǎn)品噴涂咬底問題機理研究

趙曦明，李鑫，杜鵬程

（諾博汽車系統(tǒng)有限公司，河北 保定 071000）

文章對PC+ABS產(chǎn)品在噴涂過程中咬底問題從基材內(nèi)應(yīng)力、溶劑與基材匹配性進行了研究。以咬底問題發(fā)生機理為切入點，對咬底問題進行系統(tǒng)性分析。對PC+ABS產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計及后續(xù)噴涂規(guī)范要求提供借鑒。

PC+ABS材料；基材內(nèi)應(yīng)力；溶劑與基材匹配性

1 綜述

PC+ABS（聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和混合物）材料具有良好的綜合性能廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾零部件、通信器材、家電用品及照明設(shè)備上。但是其耐化學品腐蝕的性能差、基材產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力易過大從而導致產(chǎn)品出現(xiàn)開裂等缺陷。特別是當PC+ABS材料被噴涂某些車身外飾漆時，稀釋劑的分子能夠滲透到塑料的大分子之間，降低分子間的彼此作用力，即降低了塑料材料的強度。如果塑料零件某個位置的內(nèi)應(yīng)力集中，稀釋劑腐蝕性超過基材表面耐腐蝕性，該位置即發(fā)生開裂，也就是行業(yè)內(nèi)俗稱的“咬底”（如圖1）。

對咬底產(chǎn)品缺陷位置進行微觀觀察（如圖2），咬底位置基材出現(xiàn)開裂問題。造成基材開裂的原因主要有基材內(nèi)應(yīng)力開裂及稀釋劑對基材的腐蝕開裂兩種因素?；谝У讍栴}優(yōu)化的理念，經(jīng)過多個項目的實踐總結(jié)，在PC+ABS產(chǎn)品生產(chǎn)過程中降低基材自身的內(nèi)應(yīng)力，降低稀釋劑的溶解力，提高基材與稀釋劑的匹配性，在生產(chǎn)中可得到了預期的效果。

圖1 某車型后背門外飾板咬底外觀圖示

2 基材內(nèi)應(yīng)力研究分析

降低基材內(nèi)應(yīng)力主要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計、注塑工藝，熱處理四方面進行驗證。

2.1 產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)設(shè)計對塑料零件的內(nèi)應(yīng)力有較大影響，它在一定程度上還決定了模具的設(shè)計和注塑的工藝。一般來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量保持其連續(xù)性，避免銳角、直角、缺口、突然的擴大或縮小、壁厚的巨大差異等。所有的邊角連接處都應(yīng)設(shè)計成圓角來過渡，所有的壁厚突變區(qū)域均需要過渡接順。

圖2 咬底缺陷微觀圖示

某車型后背門外飾板咬底發(fā)生在車標上方，車標位置壁厚過渡突兀且結(jié)構(gòu)較多此處位置應(yīng)力容易集中（如圖3）。從應(yīng)力分析對比，有車標的產(chǎn)品，車標位置應(yīng)力集中較明顯。

圖3 某車型后背門外飾板應(yīng)力分析對比

2.2 模具設(shè)計因素

模具的澆注系統(tǒng)對塑料零件內(nèi)應(yīng)力的影響較大。澆注系統(tǒng)主要考慮澆口的尺寸、位置和主澆道的大小、長短。①澆口尺寸不宜太小，過小的澆口會造成太大的流動阻力，產(chǎn)生取向應(yīng)力。（澆口也不易過大，PC+ABS材料硬度大，澆口過大不易修整）②主流道太長、流道太窄、流道方向的急劇轉(zhuǎn)折都會使流動阻力加大，會使制品產(chǎn)生更高的取向應(yīng)力。

圖4 不同澆口壓力驗證

圖5 澆口殘余應(yīng)力對比

依照模流分析結(jié)果，充填壓力越大產(chǎn)品殘余應(yīng)力越高，針對PC+ABS類噴漆產(chǎn)品，盡量降低充填壓力，選用壓力損失小的側(cè)澆口（如圖4、圖5）。特對此對PC+ABS產(chǎn)品澆口設(shè)計做出標準規(guī)范（如圖6），使用標準化澆口方案對某車型后背門外飾板進行驗證，結(jié)果如圖7所示，從模流分析結(jié)果來看，A車型后背門外飾板澆口位置無應(yīng)力集中。

圖6 澆口設(shè)計標準規(guī)范

圖7 某車型后背門外飾板應(yīng)力分析

2.3 噴涂前熱處理

熱處理是解決塑料制品內(nèi)應(yīng)力的通用方法，其原理是：塑料制件受熱可以使得高分子鏈由不平衡構(gòu)象向平衡構(gòu)象轉(zhuǎn)變，使被急速冷卻成型而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的高分子鏈進行熱松弛，進而趨向無規(guī)卷曲的自由狀態(tài)，從而減小了內(nèi)應(yīng)力。一般熱處理溫度要低于其熱變形溫度（低10~20℃）為宜，退火的時間一般不低于2h。

我司使用的PC+ABS材料其熱變形溫度在105°左右，故選用85°的烘烤溫度對產(chǎn)品進行烘烤，并使用醋酸乙酯與正丁醇1:1溶劑進行擦拭，確認應(yīng)力消除情況（如圖8）。

圖8 烘烤前后驗證效果

表1 烘烤前后咬底數(shù)量對比

如表1所示，烘烤產(chǎn)品可降低產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，烘烤2h可降低大部分應(yīng)力，噴涂前的烘烤處理有利于降低產(chǎn)品局部應(yīng)力集中，降低咬底發(fā)生率，但咬底問題無法完全消除。

2.4 注塑工藝的影響因素

注塑制品由于成型工藝特點存在內(nèi)應(yīng)力, 但工藝條件控制得當就會使塑件內(nèi)應(yīng)力降低到最小程度, 能夠保證制件的正常使用。需要控制的工藝條件有模具溫度、加工溫度、注射速度、注射壓力、保壓壓力、注射時間、保壓時間、冷卻時間等。溫度、壓力、時間是塑料成型工藝的主要因素。根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生機理，得出的工藝調(diào)整方向（如表2）。

表2 注塑工藝對應(yīng)力的影響

針對某車型車型后背門外飾板咬底問題進行驗證，通過提高模具溫度，降低注射保壓壓力及速度等調(diào)整，噴涂驗證產(chǎn)品50件，未出現(xiàn)咬底問題（如圖9）。

3 稀釋劑與基材匹配性研究分析

3.1 降低稀釋劑腐蝕性

選用不同的溶劑對現(xiàn)有產(chǎn)品不咬底位置進行涂覆實驗，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同溶劑涂覆實驗

溶劑順序：甲苯；二甲苯；正丁醇；醋酸丁酯；醋酸乙酯；環(huán)己酮；丙二醇甲醚醋酸酯；芳烴S-100；3-乙氧基丙酸乙酯。通過對比產(chǎn)品表面發(fā)白及開裂程度得出：稀釋劑中不同的溶劑對基材的腐蝕性不同，腐蝕性強的溶劑在噴涂不出現(xiàn)咬底的位置也會腐蝕基材產(chǎn)生裂紋。

現(xiàn)我司目前使用的底漆稀釋劑中主要成分占比：醋酸乙酯：25%；環(huán)己烷：40%；二丙酮醇：5%；100#溶劑油：15%；甲苯：10%；乙醚：5%。通過對單溶劑與現(xiàn)PC+ABS材料匹配實驗結(jié)果如下表3所示。

表3 單溶劑匹配實驗

以現(xiàn)有PC/ABS為例，溶劑溶蝕性排序（強弱）：二丙酮醇＝丁醚>甲苯>醋酸乙酯>X-20C（現(xiàn)用稀釋劑）>100#溶劑油＝ IBIB>環(huán)己烷。根據(jù)單個溶劑的匹配結(jié)果，在配方可滿足油漆稀釋劑性能的前提下使用異丁酸異丁酯代替二丙酮醇、甲苯、丁醚，達到減小稀釋劑腐蝕性的效果。如表4所示：

表4 現(xiàn)用稀釋劑優(yōu)化方案

3.2 提升原材料耐腐蝕性

通過查詢相關(guān)文獻，確認原材料中影響耐腐蝕開裂性的成分主要為：①PC與ABS的比例；②材料的流動性；③耐溶劑類添加劑的增加?，F(xiàn)使用PC+ABS產(chǎn)品中，PC和ABS成分含量各占50%。以下將在這三個方面對原材料配方進行調(diào)整，并進行噴涂驗證。

圖11 噴條方式

圖12 開裂判定等級

利用噴瓶將油漆溶劑噴涂到樣條表面指定位置（如圖11）。經(jīng)過一定時間流平，放入烘箱中烘烤。烘烤后，觀察外觀評估表面。評估過程需滿足：①每個位置保證噴涂量一致；②流平時間固定；③烘干時間及溫度固定。依據(jù)不同樣條的開裂程度將所有的實驗樣條分為五個開裂等級，通過確認樣條上三個噴涂位置的開裂程度記錄數(shù)據(jù)并求平均值，即為該樣條的開裂等級，如圖12所示。

使用調(diào)整前后的原材料及稀釋劑制作樣條并進行噴涂實驗，咬底情況如下表5所示。使用單一溶劑與原材料匹配實驗結(jié)果如下表6所示。

表5 調(diào)整前后原材料噴條驗證結(jié)果

通過上述實驗驗證，得出①原材料中的PC含量提高會改善咬底問題（2.8→2.5），但不明顯；②原材料流動性增加會改善咬底問題（2.8→2.6），但不明顯；③增加聚酯類成分添加劑對咬底問題有明顯改善（2.8→1.0）。通過對結(jié)果進行分析對比，材料優(yōu)化方案為在原材料基礎(chǔ)上增加聚酯類添加劑。添加了約5%化學結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的聚酯類組分到PC+ABS中提高產(chǎn)品的耐溶劑腐蝕性。這個組分耐溶劑性優(yōu)良，該組分分布在PC+ABS中，能一定程度地阻隔溶劑，避免溶劑過分往下溶蝕，降低了材料表面溶脹和開裂的程度，從而提高了PC/ABS的耐腐蝕性。

表6 單一溶劑與原材料匹配實驗結(jié)果

4 總結(jié)

通過對PC+ABS產(chǎn)品咬底的機理分析有效的提高了噴涂產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，其不僅可以縮短技術(shù)人員的工作量從而縮短問題解決周期，而且提高了產(chǎn)品的噴涂合格率，節(jié)約工廠生產(chǎn)成本。在PC+ABS產(chǎn)品開發(fā)當中將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計、噴涂前處理、合理的注塑工藝、稀釋劑腐蝕性、原材料耐腐蝕性科學系統(tǒng)的結(jié)合，使得生產(chǎn)設(shè)計過程更趨于系統(tǒng)、合理化。產(chǎn)品過程開發(fā)中科學精細的設(shè)計和原材料粒子、油漆稀釋劑的開發(fā)可以有效防止問題的發(fā)生，提高了產(chǎn)品合格率。

[1] 高亞輝,孫偉,龐堯.汽車塑料件涂裝與常見缺陷.[J]現(xiàn)代涂料與涂裝,2013.12.

[2] 狄春峰,胡仁其.汽車塑料零件內(nèi)應(yīng)力淺論.[J]上海塑料,2001,02.

[3] 吳麗英.熱塑性塑料注塑制品內(nèi)應(yīng)力分析.[J]塑料工業(yè),10.3969/ j.issn.1005-3360.2001.01.009.

[4] 姜金龍,徐金成,寇昕麗.ABS工程塑料的生命周期評價研究[J].鄭州大學學報(理學版),2006,38 (2):59-63.

[5] 丁杰,路旭斌,昝靈興等.ABS工程塑料表面無鉻二氧化錳微蝕粗化的研究[J].電鍍與涂飾,2012,31(6):27-30.

Study on Mechanism of Spraying Bottom of PC+ABS Products

Zhao Ximing, Li Xin, Du Pengcheng

( Nobo Automotive System Co. Ltd., Hebei Baoding 071000 )

In this paper, the bottom biting problem of pc + ABS products during spraying was studied from the internal stress of the substrate, the matching property of solvent and the substrate. Based on the mechanism of bottom biting problem, the bottom biting problem is systematically analyzed. To provide reference for pc + ABS product development and design and subsequent spraying specification requirements.

PC+ABS material; Substrate Internal Stress; Matching between solvent and substrate

B

1671-7988(2019)21-204-04

U445

B

1671-7988(2019)21-204-04

趙曦明，就職于諾博汽車系統(tǒng)有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.073

CLC NO.:U445