2023-09-13
 
汽车减震器用水性环氧涂料涂装工艺的研究
2023年09月13日   阅读量:4406

擎天材料科技有限公司,方博,许奕祥,吴炳贤,郑林国,许昭展,袁河宽,彭震宇


摘要:以自主研发的水性环氧涂料为实验材料,汽车减震器所使用的圆盘静电涂装工艺为实验对象,研究了静电电压、转速、线速、工件温度、流平时间、烘烤温度等工艺条件对水性涂料在汽车减震器上涂装的影响,从而得出减震器用水性环氧涂料涂装工艺的最佳工艺参数,为水性环氧涂料在汽车减震器上的应用作出指导,加快汽车减震器行业涂料水性化发展,推动行业绿色涂装的进程。


引言

汽车减震器是汽车零部件之一,也是常用的汽车零配件,同时我国是世界上最大的汽车减震器生产国。减震器工件由防尘罩、油筒、托盘组装而成,需在表面涂装保护装饰性涂料,目前仍以溶剂型环氧涂料为主,采用的是圆盘静电涂装工艺涂料在线coatingol.com。但随着国家环保政策的收紧以及人们对美好生活的追求,高VOCs的溶剂型涂料的生产使用越来越受到限制,也成为企业发展不可回避的重要工作环节。水性环氧涂料和溶剂型环氧涂料相比,主要介质是水,VOCs含量低,性能优异,是替代溶剂型环氧涂料的最佳选择。但水性环氧涂料在汽车减震器涂装上的应用却是不顺利,究其原因在于减震器工件涂装前上下部分温度不一致,水性环氧涂料中含量最多的水分挥发不一致,容易形成流挂、上下光泽不一等问题。因此,对于汽车减震器用水性环氧涂料涂装工艺的研究显得特别重要,是可以推进汽车减震器涂装工艺的水性化。


汽车减震器涂装工艺为圆盘静电涂装工艺,原理是圆盘喷枪与要涂装的工件之间形成高压静电场,涂料经由圆盘旋转喷洒出去并在圆盘指针的作用下带电,涂料喷洒后通过电场作用吸附沉积到工件上面,烘烤后即为一层完整的漆膜。在圆盘静电涂装过程中,各项工艺参数会对涂装后的漆膜效果造成很大的影响,油性涂料施工时的工艺参数在多年的实际生产中已摸索出来,而随着国家对油性涂料的使用限制越来越严格,“油转水”已是不可逆的趋势,因此针对水性涂料在施工时工艺参数的研究是很有必要的。


01 实验材料与对象

本文以自主研发的双组份水性环氧涂料为实验材料,以某减震器厂的生产线为实验对象,研究了生产线工艺条件对水性涂料在减震器工件上涂装的影响。实验材料的配方如表1:

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在实验过程中,涂料的施工粘度控制在15~25s,供漆室温度25±5℃,湿度60±10%,各项工艺参数的初始设置以油性涂料的施工为准,在实验的过程中不断调整。粘度杯选用岩田2#杯,膜厚仪选用尼克斯4500,性能测试均以国标来执行,其中附着力按划格法(GB/T9286),硬度为三菱铅笔硬度(GB/T6739)。


02 圆盘静电涂装工艺条件对水性涂料施工的影响


2.1 线速对水性涂料施工的影响

在正常的生产过程中,工厂会追求较高的线速,这能提高生产效率,但这会影响到涂料的上漆量、流平时间和烘烤时间,进而影响到漆膜的厚度、外观、干性。本文以其它工艺条件不变,改变生产线的线速,探究线速对减震器上水性涂料施工的影响,实验结果如表2所示。

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从表2中可以看出,随着线速的增快,工件上的漆膜厚度在逐渐变薄,而且漆膜从慢速时流挂转变到高速时橘皮。这是因为在同样的出漆量下,随着线速增快,工件的上漆量减少,膜厚也随着变薄;而且线速慢意味着流平段会变长,上漆量多的时候容易产生流挂,而线速慢流平段会变短,即使上漆量减少,漆膜也会有橘皮现象产生。


因而在实际生产中,线速的调整首先要与工件需求的膜厚、外观相协调,其次还得考虑生产效率,过快产品的漆膜厚度和外观会很难达到要求,过慢则会大大降低生产效率,所以综合两方面因素,流水线的线速在2.0~3.0 m/min最为合适。

2.2 静电电压对水性涂料施工的影响

在圆盘式静电涂装工艺中,圆盘旋转将涂料喷甩出去的同时还通过自身的指针使涂料带电,进而带电的涂料吸附到金属工件上,圆盘上的电压高低会影响到涂料的吸附效率。本文以其它工艺条件不变,改变静电电压,探究电压对减震器上水性涂料施工的影响,实验结果如表3所示。

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从表3中可以看出,随着静电电压的增大,工件膜厚也在增大,呈现出正相关关系,不同于油性涂料在低压时施工也能获得可观的膜厚厚度,水性涂料对静电电压的要求要高很多,电压过低静电会吸附变弱,从而直接导致漆膜厚度偏薄,从现场实际测试结果来看,当静电电压大于等于40kv时,才能满足工件膜厚大于30μm的要求,能够达到50Kv则更为理想。


因此在“油转水”的线体改造过程中,对于静电电压这部分涉及到的装置、线路、工艺的要求须更加严格,以保证在后续的水性涂料施工过程中静电电压能保持在40kv以上。其中线路的绝缘效果最为重要,如果绝缘没有做好,在高压情况下很容易出现跳闸情况,此种情况在空气湿度大的时候尤为明显。


2.3 雾化效果(转速)对水性涂料施工的影响

在圆盘式静电涂装工艺中,圆盘通过高速旋转将水性涂料从流动液体转化为雾化液滴并喷甩出去吸附到金属工件上,在这个过程中雾化液滴的大小会影响到工件漆膜的外观,而雾化液滴的大小则是受圆盘旋转速度即转速的影响。因此,本文以其它工艺条件不变,改变圆盘转速,探究雾化效果对减震器上水性涂料施工的影响,实验结果如表4所示。

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从表4中可知,在低转速时,漆膜橘皮的现象很严重,而随着圆盘转速的提高,工件漆膜的外观在逐渐改善,橘皮现象在减少。这是因为在低转速时,喷甩出去的水性涂料液滴较大,雾化效果比较差,在工件上的吸附容易呈现不连续,漆膜烘烤干燥后容易出现橘皮;而在高转速时,水性涂料液滴比较小,雾化效果好,在工件上的吸附较为连续,比较细腻,漆膜烘烤干燥后外观会更佳。


因此圆盘转速应尽可能保持高速,从现场实际测试来看,带负载时控制在10000r/min左右可以获得较为理想的外观效果,而当转速低于8000r/min时则容易出现橘皮现象。


2.4 工件温度对水性涂料施工的影响

在圆盘式静电涂装工艺中,工件在喷漆前要经过除油、除锈、烘干等前处理过程,处理后工件会带一定的温度,温度的高低会影响涂料吸附上去后的挥发速率,进而影响到漆膜外观。因此,本文以其它工艺条件不变,通过空调、风扇等一定手段,控制工件温度,探究温度对减震器上水性涂料施工的影响,实验结果如表5所示。

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从表5中可知,不同工件温度对水性涂料施工的影响不同,在工件温度低时施工容易流挂,在工件温度高时施工容易橘皮。这是因为在工件温度低时,吸附在工件上水性涂料的挥发速率较慢,漆膜干燥速率小于漆膜流平速率,在流平阶段时容易出现流挂现象;在工件温度高时,会加快吸附在工件上水性涂料的挥发速率,会出现漆膜干燥速率大于漆膜流平速率,漆膜还没流平即已经干透了,橘皮现象比较严重。同时我们发现与以前油性涂料施工相比,工件温度高低对水性涂料的影响比较大,我们觉得是水性涂料的介质大部分为水,而水的沸点较油性涂料用的有机溶剂较低,工件温度高低对其挥发速率影响较大。


因此,在圆盘涂装工艺“油转水”之后,工件温度的控制要重视,水性涂料的介质基本为水,挥发速率的调整比较不容易,更需要工件温度的配合,根据实验结果,工件温度控制在25~35℃。


2.5烘烤温度对涂膜硬度的影响

由于减震器涂装后需经过各式各样的包装后再出货,过程中很容易出现磕碰,这就要求涂膜必须具备一定的硬度,才不至于损伤。经过对比分析和测试,涂膜下线冷却后硬度要求为三菱铅笔H可达到此要求,为此我们对不同的烘烤温度下涂膜的硬度进行了相应的检验,用炉温跟踪仪对产品表温进行监测,故实测数据均为工件表面实际温度,如下表6:

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由于是流水线,所需温度越高,升温时间越长,实际达到目标温度烘烤的时间越短。从表6中可清晰看出,当烘烤温度低于80度时,硬度无法达到H,而当温度高于100度时漆膜又很容易出现起泡现象,只有温度处于80-100度之间,不论是外观还是硬度均可符合要求。


2.6下线时产品温度对涂膜硬度的影响

同2.5所述,减震器下线须具备一定的硬度,而在实际生产中,我们发现很多产品在下线时表温并未冷却至常温,甚至有些会高至50℃,因此对不同温度下漆膜的硬度进行了相应的测试,本次测试在烘烤条件为90℃×30min后进行,具体如下表7:

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由表7可以看出,产品温度高于40℃时,涂膜硬度明显下降,想要达到理想的硬度而不影响正常的下线包装,温度须保持在35℃以下。如果流水线长度足够长,有足够的时间可采取常温冷却,若流水线长度不够,常温冷却不足以使产品降至35℃以下,就必须考虑在下线前的冷却段加装风扇或空调,对其进行强制散热。


2.7结语

本文以自主研发的水性涂料为实验材料,以浙江地区某减震器公司生产线为实验对象,通过控制变量法改变圆盘静电涂装工艺条件参数,探究线速、静电电压、雾化效果(转速)、工件温度对水性涂料施工的影响以及烘烤温度对涂膜硬度的影响。通过实验结果可知,静电圆盘涂装工艺水性化的最佳工艺参数区间与油性涂料相比差距较大,实验结果如表8所示。

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从表8直观可见,水性涂料相较于溶剂型涂料在各项工艺参数上要求都更严格,其原因在于水性涂料和溶剂型涂料的特性有着很大的不同,溶剂型涂料可以通过溶剂的强弱和快慢对涂料施工性做出相应的调整,而水性涂料则是以水为介质,只能在施工工艺和参数上进行改进。


经过初步的市场调研和现场测试,目前大多数汽车减震器厂家的生产线均为十几年前建设,适合溶剂型涂料的应用,但是直接切换水性涂料很难获得理想的效果,而近几年新建的产线基本为水油通用型,且更为智能化,可按照上述参数进行相应的设定即可无障碍完成水性涂料的转换。对于老的产线如果要进行水性化改造则主要从几个方面入手,一是延长产线,确保烘烤条件和下线冷却时间,当然也可通过降低线速牺牲生产效率来达到目的;其次须更新喷涂设备,提升转盘的转速和静电电压;另外还须对线路进行更新,保证绝缘效果,不至在升高电压时引起跳闸、短路等情况。厂家可根据实际情况,结合成本综合考量,最终实现绿色涂装的目标。


目前,浙江地区已有部分汽车减震器公司通过新建和改造生产线等方式进行了油水转换,产品应用基本稳定,而更重要的影响则在于产线工人和周围居民,难闻的气味没有了,身体素质变好了,这就是水性化的目的和意义所在。现在已经有越来越多的厂家正在加入进来,相信很快汽车减震器行业即可全部实现绿色涂装。


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