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低溫固化粉末涂料在鋁輪轂上的應(yīng)用研究

摘要：為了驗(yàn)證低溫粉在鋁輪轂上應(yīng)用的可行性，本文選取了低溫固化粉末涂料和普通粉末涂料作對(duì)比，首先對(duì)低溫粉的低溫固化實(shí)現(xiàn)機(jī)理做出分析；

第二檢測(cè)了兩種粉末的烘烤特性，繪制了烘烤曲線；

第三對(duì)噴涂后的輪轂進(jìn)行了力學(xué)性能檢測(cè)（屈服強(qiáng)度和可靠性實(shí)驗(yàn)）和漆膜試驗(yàn)（附著力、礫石沖擊、耐水、鹽霧試驗(yàn)和平衡塊粘貼試驗(yàn)）；

最后對(duì)低溫工藝在鋁車輪生產(chǎn)上應(yīng)用推廣做出分析和評(píng)估。

1、引言

粉末涂料在整個(gè)涂裝技術(shù)中是一個(gè)飛速發(fā)展的領(lǐng)域，由于其VOC排放幾乎為零，當(dāng)前環(huán)保綠色發(fā)展的背景更加驅(qū)動(dòng)了它的快速發(fā)展。

粉末涂料早已在汽車輪轂上開始應(yīng)用，其環(huán)保的施工性和優(yōu)異的涂層性能促使其近些年在汽車零部件行業(yè)里快速發(fā)展起來。

但是普通粉末涂料的固化條件多在180℃左右,有的甚至高達(dá)200℃,時(shí)間25min左右，存在烘烤溫度高、時(shí)間長的缺點(diǎn)，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中能耗較高，且過高的固化溫度也會(huì)導(dǎo)致零件變脆。

汽車輪轂為汽車的主要承重部件，不僅要求有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，還要求有足夠的韌性以保證抗沖擊能力。

而降低粉末涂料固化溫度可以增加輪轂的韌性，降低企業(yè)的生產(chǎn)能耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

目前，節(jié)能環(huán)保的低溫固化粉末已經(jīng)在家電領(lǐng)域大批量的采用，有效降低了能耗，但所采用傳統(tǒng)的低溫固化粉末，流平性不佳。

而鋁輪轂的涂裝對(duì)流平和外觀的要求較高，因而無法在鋁輪轂上噴涂，所以在汽車鋁輪轂行業(yè)，低溫固化粉末還沒有大批量的使用，因此若鋁輪轂行業(yè)能采用低溫固化粉末，在節(jié)能環(huán)保方面將有很大的提升空間。

實(shí)現(xiàn)低溫粉末涂料在汽車輪轂應(yīng)用的推廣應(yīng)用，前提是低溫粉末工藝下生產(chǎn)的輪轂產(chǎn)品滿足現(xiàn)行汽車部件性能標(biāo)準(zhǔn)。

本文在粉末廠家對(duì)鋁輪轂專用的低溫粉各項(xiàng)性能實(shí)驗(yàn)（耐腐蝕性能、DSC差示量熱分析、粉末紅外光譜分析、漆膜兼容性、粒度實(shí)驗(yàn)、樹脂含量、耐礫石沖擊）的基礎(chǔ)上。

針對(duì)廣州擎天粉末率先研發(fā)出的鋁輪轂專用低溫固化粉末，通過對(duì)鋁輪轂的機(jī)械性能、低溫粉末涂料的施工工藝、涂層各項(xiàng)漆膜性能、涂層平衡塊粘貼力性能等一系列標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)對(duì)低溫固化粉末在鋁輪轂行業(yè)的應(yīng)用做了一系列可行性研究。

2、實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（1）力學(xué)性能試驗(yàn)

（2）漆膜性能試驗(yàn)

3、試驗(yàn)方法

3.1 噴涂工藝

鋁輪轂涂裝工藝：鑄造成型車輪毛坯→前處理→靜電噴涂粉末涂料→粉末固化→噴涂色漆→噴涂透明漆→固化

3.2 測(cè)試方法

（1）低溫固化情況研究方法及表征

采用差示掃描量熱法來研究粉末涂料固化情況與溫度的關(guān)系。

通過對(duì)圖中峰值溫度A、起始反應(yīng)溫度B、面積C、均一化D來驗(yàn)證底粉的固化情況。

其中：峰值溫度A的大小反映粉末的玻璃化溫度、反應(yīng)溫度范圍B體現(xiàn)低溫固化的實(shí)現(xiàn)、面積C體現(xiàn)固化率、均一化D實(shí)現(xiàn)高流平效果。

（2）通過一系列抗沖擊和抗疲勞實(shí)驗(yàn)來測(cè)試鋁輪轂的各項(xiàng)力學(xué)性能。

（3）通過耐腐蝕試驗(yàn)和耐礫石沖擊試驗(yàn)來測(cè)試涂層的漆膜性能。

4、結(jié)果與討論

4.1 低溫粉低溫工藝的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

一般粉末涂料從被涂敷到工件成為涂層，最后固化形成涂膜，需要經(jīng)過三個(gè)階段：

第一階段是從單獨(dú)的粉末顆粒，聚結(jié)成為一層連續(xù)的不平整的膜，即聚結(jié)階段；

第二階段，從連續(xù)不平整的表面流淌成較為光滑與平整的表面，即流平過程；

第三階段，熔融的涂液通過交聯(lián)反應(yīng)，粘度不斷增高，最后固化形成涂膜，即冷卻固化階段。

在三個(gè)階段中，涂層的流平主要在第二階段，而影響流動(dòng)的阻力是熔融涂液的粘度，在此階段隨著溫度升高，涂液的粘度越來越小，而當(dāng)時(shí)間達(dá)到涂液固化時(shí)，熔融涂液的粘度反而突然變大。

一般傳統(tǒng)的低溫固化粉末涂料，通過傳統(tǒng)加入催化劑方法，雖然解決了低溫固化，但由于粉末在固化過程中反應(yīng)活性太快，對(duì)溫度太敏感，在應(yīng)用于鋁輪噴涂時(shí)，流平性不好，粉末容易結(jié)塊現(xiàn)象，因此傳統(tǒng)的低溫粉末只適用于薄的金屬工件噴涂。

鋁輪轂工件厚，加溫過程中工件升溫慢，在固化過程中，粉末熔融后，因?yàn)闇囟鹊停瑳]有充分流平，就膠化凝固，這樣就造成涂膜的表面平整性差，容易形成桔皮重，外觀差等缺點(diǎn)。

所以開發(fā)鋁輪轂用的低溫固化粉末涂料不能采用傳統(tǒng)的低溫固化方法，難度相對(duì)較高。

實(shí)現(xiàn)鋁輪轂上粉末涂料低溫固化的途徑有三個(gè)：

一是樹脂改進(jìn)，包括官能團(tuán)種類、官能團(tuán)數(shù)量、官能團(tuán)分布、分子量大小等，目的是降低樹脂本身的熔融黏度、軟化點(diǎn)及提高交聯(lián)度；

二是固化劑的特性，包括官能團(tuán)種類、官能團(tuán)數(shù)量、分子量大小、與樹脂混溶性等；

三是固化促進(jìn)劑的應(yīng)用，包括促進(jìn)劑種類和數(shù)量。

因此粉末涂料在鋁輪轂上實(shí)現(xiàn)低溫固化，首先需通過引入在較低溫度（140～160℃）可以固化的活性基團(tuán)，并將其用于聚酯樹脂的改性，降低反應(yīng)活化能，增加交聯(lián)密度，獲得了具有低溫固化基團(tuán)的混合型聚酯樹脂；

其次，在選用了低粘度樹脂的基礎(chǔ)上，再通過選擇固化促進(jìn)劑的種類，調(diào)整固化體系的適度反應(yīng)活性。

采用合理的配方設(shè)計(jì)，解決固化率與固化時(shí)間的關(guān)系，從而解決流平性與溫度平衡關(guān)系，研制出汽車鋁輪轂專用的高流平低溫固化的底粉粉末涂料。

低溫固化鋁輪轂底粉屬于混合型體系，通過合成合適反應(yīng)活性與粘度的飽和端羧基聚酯樹脂，同時(shí)選用合適軟化點(diǎn)與環(huán)氧值的雙酚A型環(huán)氧樹脂，互為固化作為成膜機(jī)體，并且添加各種助劑制成的，反應(yīng)機(jī)理：

4.2 試驗(yàn)粉末的檢測(cè)分析

低溫粉末主要技術(shù)參數(shù)：

通過對(duì)廣州擎天低溫粉末的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)測(cè)定分析得到，低溫粉各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)標(biāo)，并且與高溫粉相當(dāng)，說明低溫粉可以在較低溫度下充分固化。

4.3 普通粉與低溫粉烘烤溫度曲線對(duì)比表

如圖-1、圖-2所示，低溫粉烘烤溫度在150℃/20min，普通粉烘烤溫度在180℃/20min，低溫粉比普通粉固化溫度降低了30℃左右，能有效節(jié)省能源消耗，減少二氧化碳的排放，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

4.4 粉末施工性

從兩種粉末的上粉率、粘堵情況、切削崩漆、打磨量等幾個(gè)方面來驗(yàn)證低溫粉的施工情況，根據(jù)車間生產(chǎn)操作反饋，低溫粉的施工性能符合要求且與高溫粉相當(dāng)。

4.5 兩種工藝輪轂力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

鋁輪轂的機(jī)械性能：

在輪轂鑄造過程中，為了增加輪轂的強(qiáng)度和韌性，通常需要對(duì)輪轂做熱處理，即淬火和回火工序，而回火是增加輪轂韌性最有效的途徑，回火的工藝優(yōu)劣直接影響到輪轂的韌性強(qiáng)弱，一般輪轂回火的溫度控制在150℃左右；

輪轂在涂裝過程中烘烤溫度高于150℃時(shí)，回火的效果將會(huì)被削弱從而影響到輪轂的韌性和沖擊強(qiáng)度，因?yàn)楦邷胤勰┑暮婵緶囟仍?80~200℃，所以輪轂的韌性在涂裝過程中會(huì)有損失；

烘烤溫度越高損失越多，而低溫粉末的烘烤溫度在150℃，與輪轂鑄造中回火溫度相當(dāng)，輪轂的韌性損失較小。

總體上看，經(jīng)過使用低溫粉工藝的車輪強(qiáng)度下降15~20MPa，延伸率上升約2；其抗沖擊性能有所提高，13°極限沖擊高度提高約25mm，達(dá)到了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

4.6 兩種工藝鋁輪轂的漆膜檢測(cè)結(jié)果

第一次檢測(cè)結(jié)果：

第一次低溫粉試驗(yàn)結(jié)果，存在礫石沖擊和平衡塊粘結(jié)力不足問題。

粉末廠家通過調(diào)整配方中樹脂分子量、粘度與反應(yīng)活性，降低粉末涂層的脆性，保證了固化程度完全，同時(shí)提高漆膜抗沖擊性能；調(diào)整助劑增強(qiáng)平衡塊與輪轂結(jié)合力，對(duì)原粉末進(jìn)行改進(jìn)。

第二次檢測(cè)結(jié)果：

由圖6和圖7對(duì)比可以得到，廣州擎天低溫固化粉末的耐腐蝕試驗(yàn)通過，并且與高溫粉相當(dāng)，即在實(shí)現(xiàn)了低溫固化的同時(shí)保證了涂層的致密度和涂料體系的固化率。

如表-7所示，經(jīng)過粉末助劑調(diào)整平衡塊附著力已經(jīng)合格，并且廣州擎天低溫底粉的平衡塊粘貼力與高溫底粉相當(dāng)，在實(shí)現(xiàn)了固化溫度的同時(shí)保持了粉末涂層的平衡塊粘貼力。

5、結(jié)語

低溫粉在鋁輪轂上應(yīng)用中鋁輪轂各項(xiàng)機(jī)械性能、涂層各項(xiàng)漆膜性能可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)發(fā)揮低溫優(yōu)勢(shì)，降低生產(chǎn)能耗，韌性和抗沖擊性能也有提高，達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期。

應(yīng)用低溫固化粉末的輪轂強(qiáng)度有下降，應(yīng)用中需要調(diào)整鑄造后熱處理工藝使其滿足要求。

低溫固化粉末技術(shù)在應(yīng)用上還不夠成熟，可能會(huì)偶爾出現(xiàn)礫石沖擊或平衡塊粘結(jié)力不足的問題，但通過改進(jìn)可以解決問題。

總之，隨著粉末涂料技術(shù)發(fā)展，鋁輪轂應(yīng)用低溫固化粉末是汽車鋁輪轂涂裝工藝發(fā)展的大趨勢(shì)，是人類健康、節(jié)能減排及打造綠色輪轂的必然選擇。它具有明顯的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)前景良好。

上一篇：后疫情時(shí)代到來！粉末涂料將走向何方？下一篇：金屬效果粉末涂料的制備工藝與檢測(cè)淺談

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