100%靜電一站噴涂珠光漆工藝的應(yīng)用

周夫東，劉連寶，姚寶山，周江輝

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高飽和度、高閃爍感、有隨角異色效應(yīng)的珠光漆受到越來越多汽車用戶(尤其是年輕用戶)的青睞。珠光漆也叫云母漆，其效應(yīng)顏料包含透明或半透明的云母顏料及一定的鋁粉，當(dāng)光線在折光指數(shù)不同的效應(yīng)顏料界面發(fā)生多次反射、折射、部分吸收及透射作用時(shí)，平行的各種反射光之間互相干涉而產(chǎn)生珍珠般的干涉色彩，呈現(xiàn)出柔和多變的顏色感受。

由于珠光漆使用了較大量的效應(yīng)顏料，效應(yīng)顏料的定向排列成為色差穩(wěn)定的關(guān)鍵影響因素。常規(guī)工藝使用靜電噴涂實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)膜厚，再采用氣噴槍使效應(yīng)顏料的定向排列更好。但隨著國家環(huán)保相關(guān)法規(guī)對(duì)汽車涂裝的要求越來越嚴(yán)格，節(jié)約設(shè)備投資、減少單車能耗成為汽車主機(jī)廠增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要方向。常規(guī)的靜電噴涂+氣噴槍噴涂結(jié)合工藝正在被單獨(dú)的100%靜電噴涂所取代。本文根據(jù)某款水性藍(lán)色珠光漆(命名為A)的應(yīng)用過程，與應(yīng)用靜電 + 氣噴槍傳統(tǒng)噴涂工藝的水性藍(lán)色金屬漆(命名為B)進(jìn)行對(duì)比，探討新工藝在缺少氣噴槍噴涂時(shí)的設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化方案，供同行參考。

1 100%靜電一站噴涂工藝與傳統(tǒng)工藝的比較

100%靜電一站噴涂工藝和傳統(tǒng)兩站噴涂工藝的對(duì)比見表1。100%靜電一站工藝噴涂能夠提高水性漆的上漆率，減少噴涂機(jī)器人數(shù)量，從而減少材料消耗和設(shè)備投資，應(yīng)用前景廣闊。但100%靜電一站噴涂工藝容易產(chǎn)生效應(yīng)顏料排列差、遮蓋力差等缺陷，同時(shí)該工藝要求一遍噴涂能夠滿足外觀和色差效果的要求，增加了施工難度。在上述顏色應(yīng)用過程中，首先確定材料的設(shè)計(jì)思路，之后通過實(shí)驗(yàn)室噴板來確定適宜的膜厚范圍，最后優(yōu)化噴涂工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)車身批量噴涂。

表1 100%靜電一站噴涂工藝與傳統(tǒng)兩站噴涂工藝的對(duì)比 Table 1 Comparison between 100% electrostatic one-stop spraying process and conventional two-station spraying process

2 材料性能測(cè)試和試板準(zhǔn)備

2. 1 材料流變性能測(cè)試

使用安東帕(上海)商貿(mào)有限公司MCR102型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行材料流變性能測(cè)試，方法如下：2種材料分別在剪切速率400 s-1下攪拌30 s后靜置60 s使材料穩(wěn)定，然后使剪切速率從1 s-1開始在90 s內(nèi)均勻增加到1 500 s-1，此時(shí)測(cè)得的黏度為高剪切黏度；靜置180 s后，使剪切速率從1 500 s-1均勻降低到1 s-1，此時(shí)測(cè)得的黏度為低剪切黏度。

2. 2 試板制備及其噴涂設(shè)備和施工參數(shù)研究

使用手工噴涂進(jìn)行材料的遮蓋力測(cè)試，方法如下：用SATA(世達(dá))jet1000型重力式罐槍分別以2種材料在10 cm × 30 cm的鋼板上噴涂梯度膜厚，測(cè)試材料的黑白格遮蓋力和工藝遮蓋力[1]，確定合適的膜厚施工范圍。

探討噴涂參數(shù)對(duì)珠光漆A的色差和效應(yīng)顏料定向的影響，參考現(xiàn)場(chǎng)水性色漆5a工藝，整體漆層包括電泳、中涂、色漆和清漆。色漆采用自動(dòng)噴涂機(jī)噴涂，ABB公司RB1000型霧化器搭載70 mm ABB公司4N10090型噴杯，噴涂距離200 mm，噴涂電壓70 kV，整體噴涂厚度約為12 μm，而清漆約為50 μm，漆膜烘干條件為140 ℃ × 20 min。

2. 3 顏色和效應(yīng)顏料定向評(píng)價(jià)

采用BYK公司的mac-i色差儀進(jìn)行色差測(cè)量，以dLx表示在x角度下的明度值與標(biāo)準(zhǔn)值之差，dax表示在x角度下的紅綠色相值與標(biāo)準(zhǔn)值之差，dbx表示在x角度下的黃藍(lán)色相值與標(biāo)準(zhǔn)值之差。以mDE表示考慮容差系數(shù)的相對(duì)色差。mDE越小，則色差偏差越小。

對(duì)于效應(yīng)顏料定向排列的評(píng)價(jià)，除評(píng)估各角度的明度外，同時(shí)根據(jù)式(1)計(jì)算動(dòng)態(tài)指數(shù)FI(Flop Index，用于表征金屬漆在不同角度的明度差異，一般認(rèn)為FI小于10屬弱金屬性，F(xiàn)I在10 ～ 20之間屬強(qiáng)金屬性、弱珠光性，F(xiàn)I在20 ～ 30之間則屬強(qiáng)珠光性)。在材料配方不變的情況下，F(xiàn)I越大，效應(yīng)顏料定向排列越好[2]。

其中L′15，L′45，L′110分別表示15°、45°和110°的絕對(duì)明度。

3 材料設(shè)計(jì)原理

水性色漆是以水為主要分散介質(zhì)的油漆材料，水含量在60%以上，水的蒸發(fā)潛熱高導(dǎo)致其蒸發(fā)慢，容易產(chǎn)生氣泡、針孔、發(fā)花、流掛等缺陷，尤其是當(dāng)噴涂膜厚大、效應(yīng)顏料多的材料時(shí)更容易產(chǎn)生這些缺陷。100%靜電一站噴涂工藝要求一次噴涂就能達(dá)到工藝規(guī)定的膜厚，施工難度更大。為避免出現(xiàn)批量缺陷，保證車身品質(zhì)，從固體分、流變性能上對(duì)材料配方進(jìn)行了調(diào)整。

3. 1 材料固體分的設(shè)計(jì)

從表2可以看出，A顏色的固體分較B高，密度和pH基本相同。在缺少空氣噴涂的情況下，A顏色的設(shè)計(jì)好處在于：一方面，通過提高固體分來減少需要揮發(fā)的水，從而減少材料因水分揮發(fā)而產(chǎn)生的針孔、發(fā)花等缺陷；另一方面，能夠在獲得相同干膜厚度的情況下，降低單次噴涂的出漆量，降低水性漆單車用量，減少設(shè)備磨損。

3. 2 流變性能設(shè)計(jì)

水性漆的流變特性對(duì)效應(yīng)顏料的排列至關(guān)重要。從表2可以看出，A顏色的低剪切黏度是高剪切黏度的29.1倍，B顏色的低剪切黏度是高剪切黏度的11.5倍，A顏色的流變性明顯強(qiáng)于B顏色。高剪切黏度體現(xiàn)材料在旋杯作用下的流動(dòng)能力，為了獲得良好的霧化效果，高剪切黏度必須控制在一定的范圍之內(nèi)(一般是60 ～ 80 mPa·s)。A顏色的高剪切黏度比B顏色提高了16.8%(11.1 mPa·s)，是因?yàn)锳顏色的固體分略高，且較高的高剪切黏度有助于防止水性漆在噴涂到車身瞬間的流淌，防止出現(xiàn)流掛缺陷。低剪切黏度則體現(xiàn)了材料在成膜后的流動(dòng)性，通過大幅度提高A顏色的低剪切黏度，可使該材料在噴涂后固定良好，抵抗溶劑揮發(fā)時(shí)貝納德漩渦的作用力。

4 膜厚確定方法

色漆膜厚是涂裝品質(zhì)重點(diǎn)控制項(xiàng)目之一。漆膜過薄無法對(duì)底材有效遮蓋，容易使漆膜產(chǎn)生透底色的現(xiàn)象，影響色差和外觀；漆膜過厚容易產(chǎn)生流掛、發(fā)花、針孔、氣泡等缺陷，同時(shí)造成材料浪費(fèi)。

決定色漆膜厚的關(guān)鍵因素是材料的遮蓋力。本文采用最小漆膜厚度法測(cè)試色漆的遮蓋力，以黑白格遮蓋力和工藝遮蓋力兩個(gè)參數(shù)來表征。黑白格遮蓋力是指色漆達(dá)到不能清晰分辨黑白格時(shí)的膜厚，表征的是色漆完全遮蓋的能力。工藝遮蓋力是指色漆達(dá)到色差穩(wěn)定時(shí)的膜厚，表征的是色漆在配套底色漆時(shí)的施工膜厚，通常工藝遮蓋厚度要小于黑白格遮蓋厚度。在實(shí)際應(yīng)用中，往往更多地考慮工藝遮蓋力。測(cè)得的最小厚度越大，表示漆膜的遮蓋力越差。

A顏色黑白格遮蓋力的最小膜厚為19 μm，B顏色為12 μm，說明A的遮蓋力小于B。這是因?yàn)锳顏色為珠光漆，珠光漆中的效應(yīng)顏料主要為透明或半透明的云母粉，遮蓋力較差，因此需要較高的噴涂膜厚才能完全遮蓋。

從圖1可以看出，A顏色的色差在膜厚大于10 μm后趨于穩(wěn)定，因此該材料的工藝遮蓋力為10 μm；B顏色的色差在膜厚大于8 μm后趨于穩(wěn)定，其工藝遮蓋力即為8 μm。故A的工藝遮蓋力比B高約2 μm。B顏色靜電噴涂和空氣兩站噴涂的總膜厚范圍為9 ～ 11 μm，綜合考慮噴涂品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性，A顏色100%靜電一站噴涂的噴涂膜厚范圍需提高到11 ～ 13 μm。然而根據(jù)黑白格遮蓋力數(shù)據(jù)，此時(shí)A顏色并沒有實(shí)現(xiàn)完全遮蓋，因此中涂顏色會(huì)對(duì)色差有影響，需要控制中涂顏色的穩(wěn)定，避免因中涂材料混色或批次色差過大而造成色漆顏色發(fā)生變化[3]。

圖1 100%靜電一站噴涂工藝藍(lán)色漆梯度膜厚下色差的變化趨勢(shì) Figure 1 Variation of color difference with film thickness for blue paints in 100% electrostatic one-stop spraying process

5 噴涂參數(shù)優(yōu)化

從表3可見，對(duì)于傳統(tǒng)的靜電 + 氣噴槍兩站噴涂工藝，氣噴槍噴涂時(shí)大粒徑的效應(yīng)顏料和密度大的色漿更容易噴涂到車身上，漆膜表面有更多的效應(yīng)顏料，效應(yīng)顏料在壓縮空氣的吹掃作用下傾向于平鋪，漆膜閃光效果好，目視小角度偏亮。對(duì)于靜電噴涂，密度小的顏料更容易受靜電場(chǎng)作用而噴涂到車身上，大粒徑效應(yīng)顏料噴涂到車身上的比例比空氣噴涂時(shí)少，而且因靜電場(chǎng)效應(yīng)會(huì)使效應(yīng)顏料傾向于直立，故漆膜閃光效果差，目視小角度偏暗。靜電噴涂對(duì)效應(yīng)顏料含量較高的珠光漆的影響尤其明顯，主要是色差和亮度受到的影響較大，效應(yīng)顏料定向不好。要改善100%靜電一站噴涂工藝漆膜閃光效果差、目視偏暗的問題，可在施工工藝上優(yōu)化調(diào)整靜電噴涂參數(shù)。本文從噴杯轉(zhuǎn)速、成形空氣量和出漆量的角度進(jìn)行一些探討。

表3 靜電噴涂和氣噴槍噴涂狀態(tài)對(duì)比 Table 3 Comparison between electrostatic spraying and air spraying

5. 1 噴杯轉(zhuǎn)速的影響

試驗(yàn)中固定出漆量(350 mL/min)和成形空氣量(280 L/min)，考察了不同旋杯轉(zhuǎn)速(分別為40、45和 50 kr/min)對(duì)色差的影響。從表4可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增大，15°和25°的L值明顯變大(即漆膜變亮)，效應(yīng)顏料定向排列效果明顯有改善。這是因?yàn)槿缡?2)所示，在黏度(η)、表面張力(σ)、出漆量(m)、旋杯直徑(D)和靜電電壓(U)不變的情況下，提高旋杯轉(zhuǎn)速(n)能夠使水性漆的霧化粒徑(d)更小，從而使效應(yīng)顏料充分分散，在靜電場(chǎng)作用下會(huì)有更多的效應(yīng)顏料噴涂到車身上，且有更大的動(dòng)能抵抗靜電作用而使效應(yīng)顏料直立排列[4]，提高效應(yīng)顏料的定向排列效果和遮蓋力，改善色差和目視亮度。適宜的旋杯轉(zhuǎn)速是48 ～ 50 kr/min。

表4 不同噴涂參數(shù)對(duì)色差L值和效應(yīng)顏料定向的影響 Table 4 Effects of different spraying parameters on Delta L value and effect pigment orientation

5. 2 成形空氣量的影響

試驗(yàn)中固定出漆量(350 mL/min)和旋杯轉(zhuǎn)速(45 kr/min)，考察了2種成形空氣量——200 L/min和250 L/min (標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，后同)對(duì)色差的影響，結(jié)果見表4。隨著成形空氣量增加，15°和25°的L值略有變大，表明效應(yīng)顏料定向排列效果有所改善。這是因?yàn)樵诔銎崃坎蛔兊那闆r下，提高成形空氣量可以增大效應(yīng)顏料的動(dòng)能，抵抗靜電作用；同時(shí)，增大霧化與成形空氣可使溶劑在漆滴飛行過程中有一定程度的揮發(fā)，使漆膜變干，增強(qiáng)漆膜對(duì)效應(yīng)顏料的固定作用。適宜的成形空氣量是250 ～ 280 L/min。

5. 3 出漆量的影響

試驗(yàn)中固定成形空氣量(280 L/min)和旋杯轉(zhuǎn)速(45 kr/min)，考察不同出漆量對(duì)色差的影響。從表4可以看出，當(dāng)出漆量從280 mL/min增加到420 mL/min時(shí)，15°和25°的L值均變小(即漆膜變暗)，F(xiàn)I值降低。其原因有以下幾點(diǎn)：首先如式(2)所示，提高出漆量(m)會(huì)使噴涂中的霧化粒徑(d)變大，不利于效應(yīng)顏料充分分散，從而使效應(yīng)顏料的定向排列效果變差；其次，隨出漆量增加，漆膜變濕，對(duì)效應(yīng)顏料的固定作用減弱；再次，溶劑殘留增多導(dǎo)致在后續(xù)強(qiáng)制閃干過程中溶劑揮發(fā)對(duì)效應(yīng)顏料的擾動(dòng)增大，減弱效應(yīng)顏料的定向排列。但值得注意的是，當(dāng)出漆量過低(280 mL/min)時(shí)，膜厚只有8 ～ 9 μm，沒有達(dá)到工藝遮蓋膜厚(≥10 μm)，這將導(dǎo)致色差不穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)盡量避免。換言之，不能為改善效應(yīng)顏料排列而無限度地降低出漆量。適宜的出漆量為350 ～ 400 mL/min。

6 結(jié)語

100%靜電一站噴涂珠光漆工藝不僅能夠滿足環(huán)保降耗的時(shí)代要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)市場(chǎng)歡迎度高的珠光漆的批量生產(chǎn)，具有廣闊的前景。筆者從材料與工藝兩個(gè)角度，總結(jié)了幾點(diǎn)關(guān)鍵要素：

(1) 從材料配方設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提高固體分和流變性有利于保證材料的施工性能。

(2) 施工膜厚應(yīng)滿足工藝遮蓋力要求，A顏色的施工膜厚應(yīng)控制在11 ～ 13 μm。另外，由于珠光漆遮蓋力較差，需同時(shí)控制中涂的色差穩(wěn)定性。

(3) 提高靜電噴涂旋杯轉(zhuǎn)速(48 ～ 50 kr/min)和成形空氣量(250 ～ 280 L/min)，控制適宜的出漆量(350 ～ 400 mL/min)，能夠改善A顏色水性漆效應(yīng)顏料定向排列效果，改善色差和目視亮度。