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| 行業資訊丨超細华体会体育hth首页在汽車塗裝領域的應用研究 |
發布時間：2022-1-14
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摘要：介紹了超細华体会体育hth首页及其在汽車塗裝領域的應用和發展。針對其在汽車塗裝生產線上的流動性問題，介紹了一種新型的流化助劑技術；通過改性後車用华体会体育hth首页與商業华体会体育hth首页多方麵性能的對比，驗證了該技術在汽車塗裝領域應用的可行性。同時綜述了低溫固化超細华体会体育hth首页技術及其在汽車塑料件塗裝上的應用。
隨著华体会体育hth首页技術的持續發展，其在汽車領域的應用也在不斷拓展。近年來，华体会体育hth首页已廣泛用於發動機罩和車身零部件的塗裝。但由於其塗層較厚、外觀平整度較差，华体会体育hth首页還沒有被大量應用於對外觀要求較高的汽車外部塗裝。為節約成本及提高塗膜質量，华体会体育hth首页製造廠商不斷減小华体会体育hth首页粒徑，以改善粉末塗膜的平整度。但粒徑減小的同時也導致华体会体育hth首页流動性變差，嚴重影響使用。因此需要一種新技術來改善超細粉末的流動特性，例如采用納米尺寸的添加劑作為間隔物(流化助劑)，以實現超細华体会体育hth首页在現有噴塗設備上的使用。另外，越來越多的熱敏塑料或複合材料部件應用於汽車行業中，低溫固化华体会体育hth首页，特別是低溫固化超細华体会体育hth首页的開發也受到更廣泛的關注。據此，本文首先綜述了超細华体会体育hth首页在汽車塗裝領域的發展和挑戰，同時通過考察添加流化助劑後超細华体会体育hth首页的流動性能及塗膜性能。探究了新型的流化助劑技術在車用超細华体会体育hth首页領域的可行性，最後介紹了低溫固化超細华体会体育hth首页及其在汽車塑料件上的應用。
超細华体会体育hth首页通常指中粒徑D50小於25μm的华体会体育hth首页。與普通华体会体育hth首页(中粒徑D50大於30μm)及細华体会体育hth首页(中粒徑D50介於25～30μm)相比，超細华体会体育hth首页具有獨特的優異性能。隨著顆粒粒徑的減小，塗膜厚度也隨之減小，從而使塗膜具有更好的流平性和良好的裝飾效果。此外，由於用料的減少，經濟成本也隨之下降。根據Geldart粉末分類，普通华体会体育hth首页屬於A類顆粒，容易流化；但是當粒徑減小到超細华体会体育hth首页(C類顆粒)時，顆粒之間的作用力(範德華力)增大，粉末顆粒易發生團聚，無法正常流化，從而引起氣流輸送以及噴塗困難等一係列問題。
為了提高超細华体会体育hth首页的流動性，須在塗料中加入適量的流化助劑(客體顆粒)，這些納米級的顆粒以小聚團的形式粘附於超細粉顆粒(主體顆粒)表麵，增大顆粒之間的距離［4－7］。由於這些加入的客體顆粒與超細粉顆粒相比，堆積密度或表觀顆粒密度更低、尺寸更小，粘附的客體顆粒與主體顆粒之間的顆粒間作用力顯著小於主體顆粒之間的顆粒間作用力，從而降低了超細粉末顆粒間的範德華力。為促使主體顆粒發生解聚，流化助劑顆粒通常需要均勻地分散在超細粉中，且均勻地附著在超細粉末顆粒表麵，但不需要以單顆粒的形式附著，小聚團的形式對減小主體顆粒間作用力更有幫助。
添加劑可以顯著提高超細华体会体育hth首页的流動性，但同時也會引起其他問題，比如造成塗膜表麵光澤降低和產生如縮孔和“粒子”等塗膜缺陷。另外，納米尺寸的添加劑本身容易發生內聚現象，並且傾向於形成堅固且較大的團聚體，無法通過普通的幹混過程(即使是使用高剪切混合器)分散，以至於最終塗層中出現“粒子”等難以避免的缺陷。要克服這些問題，需要采用新的技術包括專門設計的添加劑配方和特殊的混合工藝來提高添加劑的分散性以及與华体会体育hth首页的相容性，確保在降低顆粒之間作用力、改善流動性的同時，還能保持優良的塗膜性質。加拿大西安大略大學顆粒技術研究中心成功研製出一種高效超細(HEUF)华体会体育hth首页技術；該技術根據塗料的各種樹脂體係采用相應的流化助劑配方以及優化的加入和分散方法，保證了超細华体会体育hth首页優異的流動性、可噴塗性和塗膜質量，其最低塗膜膜厚僅為20～30μm(如表1)。圖1為平均粒徑16.4μm超細华体会体育hth首页和38.8μm的普通华体会体育hth首页噴塗所得的塗層表麵輪廓(采用Dektak接觸式表麵輪廓儀測得)，橫坐標為測樣長度，縱坐標表示在垂直於塗層方向上被測輪廓上各點到基準線的距離。縱坐標數值波動越大，說明塗層表麵越粗糙。從表1和圖1中可以看出，與普通华体会体育hth首页相比，高效超細HEUF华体会体育hth首页明顯降低了塗膜的表麵粗糙度，改善了塗膜的視覺效果。塗膜厚度的降低使成本大幅度下降，而且塗膜同時具有與普通华体会体育hth首页相同的耐久性、可回收性和上粉率。1.2 超細华体会体育hth首页在汽車領域的應用概況
隨著亞太地區高端汽車需求的快速增長，以及中國環保部、歐洲REACH(化學品的注冊、評估、授權和限製法規)、美國EPA(環境保護署)等監管機構越來越嚴苛的環保要求的提升，汽車塗裝市場越來越多地從溶劑型塗料轉向低VOC塗料。华体会体育hth首页作為一種零VOC排放的環保產品，已廣泛應用於車輪、車罩、裝飾性飾件、保險杠、輪轂罩、門把手、卡車底座、散熱器、過濾器和大量發動機的零部件。
但华体会体育hth首页自身也存在著一些問題。普通华体会体育hth首页通常具有較高膜厚、較低的平整度和相對較差的視覺外觀，這些缺點限製了其在汽車外殼塗裝上的應用。為了得到更好的塗裝效果，华体会体育hth首页製造廠商已經開始通過降低华体会体育hth首页粒徑來降低膜厚，提高塗膜平整性。近年來，細华体会体育hth首页已經開始應用於車身塗裝。通用汽車和克萊斯勒已經在美國和其他幾個國家實現了中塗漆的大規模生產。德國寶馬公司已成功應用細粉清漆(麵漆)。雖然細粉塗料在汽車塗裝領域已經取得了很大的進步，但到目前為止，粒徑25μm以下的超細华体会体育hth首页還未能應用到汽車塗裝領域。华体会体育hth首页在這一高端市場應用方麵還未取得大的技術突破，使得其在汽車車身塗裝上的應用仍然有限，95%以上的車身塗料仍為液體塗料。超細华体会体育hth首页的流動性問題是限製其在汽車塗裝領域應用的一個重要因素。開發新型流化助劑技術將是解決這一問題的主要途徑，也將為超細华体会体育hth首页在汽車塗裝領域的應用打開一扇新的大門。
1.3 流動改性後車用超細华体会体育hth首页的性能研究
加拿大西安大略大學顆粒技術研究中心開發的高效超細(HEUF)华体会体育hth首页采用高剪切力混合，使納米顆粒均勻分散於塗料顆粒表麵；同時根據計算和實驗結果，選擇最佳納米顆粒團聚尺寸，以確保優異的塗料流動性;此外該技術還包括對納米顆粒的表麵改性，來提高無機納米顆粒與有機华体会体育hth首页的相容性，保證塗層質量。
為考察該技術在汽車塗裝領域的應用，測試其規模生產的可行性以及在各方麵評測中的表現，本研究與某知名汽車品牌的粉末製造商合作。對一種在塗裝生產線上出現流化問題的車身用細粉中塗华体会体育hth首页進行進一步細化和顆粒表麵改性處理，並將處理過的粉末在塗裝生產線上進行噴塗，對粉體流動性和塗膜性能進行表征分析。通過前期添加劑的優化實驗，本文選取流化助劑添加量(質量分數)為0.8%，重點比較了加入流化助劑後的超細华体会体育hth首页與未做處理的原商業細粉塗料在流動性、噴塗過程和塗膜性能上的差異。實驗處理後的超細粉末和原商業細粉塗料粒徑與流動性結果如表2所示。
從表2可以看出，與商業細粉塗料相比，西安大略大學製備的超細华体会体育hth首页的中粒徑D50和D90更小，D10相差不大，較小的D50和D90有利於形成光滑的塗膜；而D10無明顯變化則可以避免範德華力的顯著增加。粉體的流動性由安息角、雪崩角、流化床膨脹比等半動態和動態法表征。從表2中可以看出，經改性的华体会体育hth首页安息角遠低於商業华体会体育hth首页，較低的安息角說明粉體具有更好的流動性。通常情況下，粉末粒徑越小，範德華力越大，粉末越不易流化。但在配方型添加劑的作用下，盡管實驗华体会体育hth首页的粒徑較小，仍表現出優於對照組商業塗料的流動性。雪崩角、旋轉流化床膨脹比、流化床膨脹比與安息角結果類似，經改性的华体会体育hth首页雪崩角度較小，旋轉和普通流化床膨脹比較大。這主要是由於商業細粉塗料顆粒粒徑較小，分子間作用力(主要是範德華力)遠遠大於顆粒自身的重力，顆粒容易相互粘結，流動性能較差;加入配方型納米流化助劑後，流化助劑很好地分散並吸附於顆粒表麵，大大增加了塗料顆粒之間的距離，從而大幅減小了分子間範德華力，改善了顆粒的流動性。綜上，通過對2種粉末多種流動性參數的對比發現，HEUF粉末流動性能明顯提升，有利於粉末的流態化傳輸，並有利於噴塗後形成更平滑和更薄的塗膜。
為確定流化助劑對噴塗過程的影響，本實驗對噴塗過程中上粉率、反向電離特性和對衝擊融合(表征华体会体育hth首页氣流輸送過程中在噴槍和彎道等曲率變化處發生熔融結塊的現象)的敏感性進行了測試，結果如表3所示。從表3中可以看到，在9種噴塗條件下(噴塗電壓範圍為60～80kV，噴塗距離為19～27cm，噴塗速率約為315～510g/min)，改性後的华体会体育hth首页平均上粉率與商業粉末接近，表明添加劑對上粉效率基本沒有影響。反向電離測試中，在與汽車塗裝生產線相近的噴塗條件下(噴塗電壓為80kV，噴塗距離為23cm，噴塗速率約為315g/min)，反複噴塗2種华体会体育hth首页。結果發現:相比於商業塗料在90μm膜厚出現反向電離現象，實驗塗料在更多次噴塗(110μm膜厚)後才出現反向電離現象。粉體的衝擊融合測試中，在固定的噴塗時間內，噴槍和彎道均未發現粉末積累和碰撞融合現象，表明實驗粉末的氣流傳輸性能良好，可實現長時間連續塗裝。塗層性能測試主要考察了中塗华体会体育hth首页所需要的耐濕性、附著力、平整度、機械性能，以及與底色層和透明塗層的相容性等。為了得到更具代表性的結果，測試均在完整塗層(包括電泳塗層、中塗層、液體塗料底色層和清漆層)上進行，其中電泳層、底色層(白色、黑色、銀色或紅色)和清漆與實際生產線相同，中塗層為改性後粉末或商業华体会体育hth首页。
實驗首先根據ASTMD3359—2017考察了原始塗層以及濕空氣處理後(华体会体育hth首页在相對濕度99%、
溫度23℃的濕空氣中暴露96h)塗層的附著情況。結果顯示:實驗粉末的原始塗層和濕空氣處理後的塗層均未發生塗膜脫落現象，實驗粉末表現出與商業粉末相同的附著力和耐濕性。抗石擊實驗根據ASTM D3170/D3170M—2014在完整塗層上進行。與附著力測試相同，所有改性後塗料樣板均顯示出與商業华体会体育hth首页相同的測試結果，說明添加劑的使用未造成漆膜抗石擊性能下降。
塗膜橘紋測試分別在首次出現反向電離現象時及相同膜厚(75μm)的條件下進行。2種情況下，實驗华体会体育hth首页的R值(本研究合作汽車廠商所采用的反映橘皮程度的參數。R值越大，橘皮越少，塗膜越平整)均高於商業华体会体育hth首页，表現出更優異的塗膜外觀。同時發生反向電離的塗膜的鮮映性(DOI)也優於商業粉末，結果如表4所示。結果表明改性後的华体会体育hth首页能夠表現出更清晰更光滑的漆麵，有利於粉末在汽車外飾的應用。
綜上可知，加入流化助劑後，實驗粉末的流動性能顯著提高。在噴塗性能和塗層性能方麵，實驗粉末與商業粉末表現相似或更優。結果說明這一技術在改善粉體流動性同時，未對噴塗過程及塗膜性能產生任何負麵影響。該技術可成功應用於車身塗裝，解決超細华体会体育hth首页的流動性問題。同時該技術的進一步開發有望繼續降低顆粒尺寸，實現更小粒徑粉體的噴塗，更低的塗膜厚度和更高的塗膜平整度，滿足車身塗裝的外觀要求，並進一步降低成本。
2 低溫固化华体会体育hth首页在汽車塗裝領域的應用
低溫固化华体会体育hth首页由於烘烤溫度較低，可節省能源消耗，降低生產成本;同時該技術使华体会体育hth首页的應用領域從常規耐熱基材擴展至塑料製品、紙張紙板及木材等熱敏性基材，極大地擴大了华体会体育hth首页的應用範圍。從節約能源、降低成本、提高效率、擴大應用範圍考慮，低溫固化华体会体育hth首页的開發具有重要的意義。
华体会体育hth首页的低溫固化是通過提高樹脂與固化劑的反應活性來達到的。塗料行業一直致力於借助固化促進劑來改變熱固性樹脂的交聯反應動力學。市場上各種华体会体育hth首页配方中，環氧、聚酯/TGIC、GMA－丙烯酸、混合聚酯/環氧等體係均可成為低溫固化华体会体育hth首页。常用的固化促進劑主要包括鎓鹽、有機鋅或錫(如乙酸鋅、金屬螯合物)或咪唑類化合物(如2－甲基咪唑)等。在汽車零件進行粉末塗裝時，快速固化對於汽車車身和金屬部件的塗層更為理想，而對於熱敏性的汽車塑料件，低溫固化則是最佳選擇。
2.2 低溫固化华体会体育hth首页在汽車領域應用現狀
汽車塑料零件耐熱性差，隻能使用低溫固化华体会体育hth首页或其他固化方式的华体会体育hth首页。汽車製造商(如通用汽車、克萊斯勒、寶馬等)在20多年前就分別在歐洲和北美的工廠開始使用粉末中塗和清漆。但目前大部分車用低溫固化华体会体育hth首页仍處於研究和專利階段。這種類型的华体会体育hth首页在多方麵具有局限性，限製了其在商業上大量應用。比如，這些低溫固化华体会体育hth首页在擠出過程中易發生預固化，保存時間短，冷藏運輸和貯存費用高，形成的塗膜有橘紋和霧影加重之類的缺陷等。這使得市場上銷售的低溫固化华体会体育hth首页很難滿足汽車行業高標準的外觀要求，大多僅用於低光澤飾麵和亞光飾麵，而無法應用在高光澤飾麵上。目前低溫固化华体会体育hth首页僅能對由片狀模壓料(SMC，Sheet Molding Compound)和聚苯醚/聚酰胺(PPE/PA)等製成的複合材料或塑料件進行外部噴塗。
最近加拿大西安大略大學顆粒技術研究中心利用納米助劑技術，開發出一種新型節能的低溫固化超細华体会体育hth首页。該技術采用後混合添加工藝，可避免在熔融擠出過程中由於局部固化促進劑濃度過高而交聯預固化的現象。負載有固化促進劑的納米助劑在促進固化反應的同時，還可作為流化助劑改善超細华体会体育hth首页的流動性。經過測試，在0.5%助劑添加量(質量分數，以低溫固化促進劑及納米載體總量計)及120℃、15min條件下固化的該塗料在30%玻璃纖維增強聚酰胺塑料底材上具有優異的塗膜性能。同時這種新型節能超細华体会体育hth首页的貯存時間和流動性能均明顯提高，粉末固化所消耗的能量節省了50%，塗膜光澤和鮮映性基本保持不變，而且幾乎沒有霧影和橘皮。該塗料同時具有優越的塗裝適用性和貯存穩定性，有望提高华体会体育hth首页在汽車塗裝市場的占有率。
此外除采用低溫固化促進劑外，開發特種低溫固化樹脂或固化劑，也可以完成低溫固化反應，實現對熱敏性塑料件的噴塗。
超細华体会体育hth首页技術可以提供更薄的塗膜和更好的平整度，是汽車塗裝特別是車身塗裝的發展方向。本文中介紹的加拿大西安大略大學顆粒技術研究中心開發的流化助劑技術能夠有效解決超細华体会体育hth首页的流動性問題，為超細华体会体育hth首页的應用提供保障。本文考察了新型流化助劑技術在車身中塗上的應用，結果表明該技術可以顯著提高粉體的流動性，同時能夠保證優異的塗膜性能。這一結果驗證了該技術在車身塗裝領域的可行性，也使更小粒徑华体会体育hth首页的應用成為可能，有望為車身提供革新性的塗裝方案。
隨著越來越多的塑料部件應用於汽車中，針對塑料材質塗裝的低溫固化技術成為华体会体育hth首页行業的另一個熱點。基於納米固化促進劑的超細华体会体育hth首页能夠成功克服常規低溫固化华体会体育hth首页的缺點，有望在工業上實現汽車塑料部件的粉末噴塗，拓展华体会体育hth首页的應用範圍。來源：張海萍, 閆寶偉, 楊帥, Krantz Matthew, 邵媛嬡', 張輝" ,祝京旭 (1.天津化學化工協同創新中心,天津大學化工學院,天津300072; 2.加拿大西安大略大學化學與生物化學工程係,安大略省倫敦市N6A 5B9)免責聲明：所載內容來源於互聯網及微信公眾號等公開渠道，我們對文中觀點保持中立，文中觀點不代表本公眾號觀點，所有文章僅供參考，交流之目的。轉載的稿件版權歸原作者和機構所有，如有侵權，請聯係我們刪除。
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