新一代超高泳透力电泳涂料的应用性能研究

曹军,杨海毅,叶紫平

随着世界各国对环境保护的不断加强及技术的不断进步,新材料和新工艺在汽车涂装行业中不断地得到应用。新材料、新工艺的应用有助于在汽车制造过程中实现降低能耗、增进环保,并达到提高生产效率和提升产品性能的目的。但同时,也带来了新的挑战,对涂装质量控制提出了新的要求,如,锆化薄膜工艺的应用,对涂装车间工艺控制提出了很高的要求,也更容易在生产过程中产生漆膜外观缺陷;再比如,紧凑型面漆工艺的应用,由于取消了传统的中涂线,对电泳漆膜的外观控制要求更高。所以,汽车主机厂迫切需要一款电泳涂料,它不单要能承担起防腐的作用,还必须要能遮盖锆化薄膜工艺带来的外观缺陷以及拥有更加平滑的外观。本文研究了一种超高泳透力电泳涂料的应用性能,尤其对其与新工艺的配套方面进行了试验研究。

1实验部分

1.1主要原料

本试验考察的EPIC是PPG涂料(天津)有限公司开发的电泳涂料;该电泳涂料采用不含重金属的有机催化体系,树脂仍采用与现有ED7类似的水性环氧聚氨酯体系,符合欧盟规章REACH的相关规定。

1.2测试方法

1.2.1泳透力的测定

采用GMJ16法和四枚盒法2种测试方法对泳透力进行测定。GMJ16法使用2块100mm×300mm冷轧板,在2块测试板间放2根300mm×100mm×4mm的隔条,使2块测试板间距为4mm,用宽38mm的胶带将测试板两长边及其隔条固定,形成上下空、两侧封闭的泳透力盒。在所有试验条件均一致的情况下,将泳透力盒分别放入ED7和EPIC电泳槽液中进行2min电泳。175℃烘烤25min后,测量5μm膜厚处距离底边的长度,长度越长,泳透力越好。四枚盒法使用4块70mm×150mm冷轧板,其中3块在离底边45mm处开一个直径8mm的圆孔。使用隔条将4块板隔成间隔20mm的泳透力盒,使用导电胶带包覆泳透力盒底部和侧面。将泳透力盒分别放入ED7和EPIC电泳槽液中进行电泳。175℃烘烤25min后,测量G面膜厚与A面膜厚的比值,比值越高泳透力越好。四枚盒法示意图如图1所示。

图1 四枚盒法示意图

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1.2.2粗糙度的测定

采用英国泰勒公司的Surtronic25粗糙度测量仪对电泳漆膜的粗糙度进行测定。

1.2.3附着力的测定

附着力从初始和240h湿热老化附着力2方面进行考察。初始附着力,使用BYKGardnerA-5120划格仪以及3M公司的8981胶带进行测试,按脱落面积大小进行评级。标准要求为0级或1级,即脱落面积小于5%。240h湿热老化附着力,测试方法同初始附着力,但电泳板在测试附着力前需在(38±2)℃,湿度100%的环境下保养240h。

1.2.4耐石击和循环腐蚀测试

耐石击测试使用SAEJ400注明的砾石投掷测试设备以及8~16mm大小的砾石,在-18℃以及室温2个温度下进行测试,一般要求评价要高于8级,即电泳漆膜破损宽度≤1.5mm。循环腐蚀测试通过对样板进行26个盐雾循环腐蚀,观察其扩蚀宽度。标准要求冷轧板扩蚀宽度<6mm,镀锌板、铝板扩蚀宽度<4mm。

1.2.5其他性能

在未特殊说明的情况下,其他测试均按照通用汽车相关实验标准方法执行。

2结果与讨论

2.1电泳槽液参数对比

2.1.1槽液参数

试验使用的EPIC电泳槽液与现用的ED7电泳槽液的主要参数如表1所示,EPIC与ED7的槽液参数比较接近,支持主机厂在线进行逐步置换。

表1 ED7和EPIC的主要槽液参数

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2.1.2泳透力对比

泳透力是电泳涂料的一项重要指标,表征电泳涂料对车体空腔内部的涂覆能力。泳透力越高,内腔电泳漆膜膜厚达到标准值时,外板所需涂覆的电泳漆膜膜厚越低,材料耗量越低。使用GMJ16法和四枚盒法测试的结果如表2所示。

表2 EPIC与ED7的泳透力对比

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从表2可以看出,EPIC的泳透力与ED7基本相当,满足通用汽车标准要求(GMJ16法≥20cm,四枚盒法≥60%)。如后期进行电泳涂料切换,在确保内腔电泳漆膜膜厚达标前提下,电泳材料耗量不会产生明显变化。

2.2锆化薄膜配套性试验

2.2.1锆化薄膜前处理停线模拟试验

由于锆化薄膜工艺不同于传统磷化工艺,其化学反应会随着时间不断进行,锆化薄膜膜重也会不断增加。而膜重的急剧增加会影响板材电泳漆膜外观以及其他性能。因此本文设计实验模拟了汽车车身常用的冷轧板(CRS)、热镀锌板(HDG)、电镀锌板(EG)以及铝板(Al)在不同锆化薄膜反应时间下的电泳漆膜表现。使用粗糙度测量仪测量了电泳漆膜的粗糙度,结果如图2所示。

图2 不同锆化薄膜反应时间下的电泳漆膜粗糙度对比

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从图2可以看出,随着锆化薄膜反应时间的增加,电泳漆膜粗糙度会变大,外观变差。但对比EPIC和ED7,在相同锆化薄膜反应时间的情况下,EPIC的粗糙度比ED7低,拥有更好的外观。不同锆化薄膜反应时间下初始和240h湿热老化附着力测试结果如表3所示。

表3 锆化薄膜反应时间对电泳板外观及附着力的影响

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从表3可以看出,在各锆化薄膜反应时间下,ED7和EPIC的初始附着力以及240h湿热老化附着力均为0级,符合标准要求。对电泳后的板材进行了耐石击和循环腐蚀测试,结果如表4所示。

表4 不同锆化薄膜反应时间的电泳板耐石击和耐腐蚀性能

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从表4可以看出,EPIC电泳涂料在室温以及-18℃条件下的耐石击测试结果均优于或等于ED7。而在循环腐蚀实验中,ED7在冷轧板反应20min、30min以及镀锌板反应30min的测试中发生失效,相同条件下EPIC所有条件下的测试结果均达标。主要是因为EPIC的主树脂体系库伦效率更低,湿膜电阻更高,在上膜过程中更加缓慢,不易受底材变化影响,因此能始终保持良好的耐腐蚀性能。

2.2.2遮盖能力试验

锆化薄膜工艺在板材上形成的转换膜厚度只有10~200nm,远比传统2~3μm的磷化膜要薄,因此其对缺陷的遮盖能力很弱。使用锆化薄膜工艺的主机厂经常会遇到各种条印问题的困扰,比如板材打磨印、二次锆化印以及铁离子流痕等。实验采用100目砂纸打磨机对镀锌板进行打磨,将镀锌层打穿露出底材。按相同工艺进行锆化薄膜处理,然后分别在ED7和EPIC槽液中进行电泳,结果如图3所示。

图3 2种电泳漆膜对镀锌层打穿牛眼的遮盖对比

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从图3可以看出,ED7不能有效遮盖板材打磨印,打磨印四周有明显的电泳漆膜膜厚突变而形成的“台阶印”,需要生产人员进行额外处理。而EPIC对打磨印的遮盖效果明显,仅有轻微痕迹,不需要进行额外处理。由于锆化薄膜反应不会自动中止,在生产过程中,车身兜液或水洗槽中的活性成分会在车身板材上不规律流淌,流淌经过的板材就会继续发生锆化反应。这些发生额外锆化反应的位置,在电泳后会形成膜厚不均的电泳漆膜条印,一般称这类缺陷为二次锆化印。图4所示的缺陷就是由于车身后盖兜了大量锆化薄膜槽液,在出锆化薄膜槽时从工艺孔流淌至牌照框位置,导致电泳后有影响外观的二次锆化印。

图4 薄膜二次锆化导致的电泳漆膜缺陷

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实验过程中使用2块相同的板材,在完成正常工艺的锆化薄膜反应后,在板材中间滴加锆化薄膜槽液,使其产生二次锆化流痕,再分别放入ED7和EPIC槽液中进行电泳。ED7电泳后的板材能看到类似图4所示的二次锆化印,而EPIC电泳后的板材无相同缺陷。铁离子污染一直是锆化薄膜工艺的一个工艺难题。车身结构中如有冷轧板或者镀锌板打孔等情形,在反应过程中会产生含铁离子的槽液,并在车身板材上流淌,电泳后能看到明显流痕,需要生产人员进行额外处理,如图5所示。

图5 铁离子流痕导致的电泳漆膜缺陷

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图6 铁离子流痕模拟试验设计

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铁离子流痕模拟试验设计如图6所示,在一块100mm×300mm镀锌板的顶端贴一块边长为6cm的三角形铁片,一起放入锆化薄膜槽液反应2min,反应完成后取出板材并竖直放置,使反应产生的铁离子在镀锌板上流下,纯水冲洗后再分别放入ED7和EPIC槽液中进行电泳。ED7电泳后的板材能看到类似图5所示的铁离子流痕,而EPIC电泳后的板材未发现相同缺陷。

2.3EPIC对面漆外观的影响

目前行业内采用紧凑型面漆工艺的主机厂也越来越多。缺少了传统意义上的中涂层,要保证最终的面漆外观,就必须对电泳漆膜外观提出更高的要求。本次试验也分别在ED7和EPIC电泳板上按照行业典型的紧凑型面漆工艺喷涂了面漆。考察2种电泳漆膜对面漆外观的影响,结果如表5所示。

表5 ED7和EIPC与面漆的配套性

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由表5可知,EPIC电泳板上喷涂面漆后R值比ED7提高了0.8~1.8个单位,长短波的表现也有显著提升。总体来看EPIC电泳涂料配套相同面漆的外观综合表现明显优于ED7。主要是因为EPIC采用的交联剂固化速率较缓,能够使颜、填料在树脂固化过程中更好地往下沉积,从而形成更加平滑细腻的电泳漆膜表面。

3结语

本文所采用的新一代超高泳透力电泳涂料EPIC拥有优良的泳透力。在与锆化薄膜工艺的配套性方面,EPIC能提供更稳定的质量表现,能遮盖目前锆化薄膜工艺常见的车身打磨印、二次锆化印以及铁离子流痕等主要缺陷。同时,EPIC能为紧凑型面漆工艺提供更好的底材外观,从而改善面漆外观。相信随着EPIC的逐步推广应用,会使更多的主机厂有信心应用锆化薄膜工艺和紧凑型面漆工艺,助推汽车涂装的绿色环保变革。

本文来源:2020年《涂料工业》第10期


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