0 前言
随着高分子材料研究技术的不断发展，高分子聚合物取代部分钢材越来越多地用于汽车工业。这使工程塑料（如汽车保险杠用的改性聚丙烯PP 材料）在汽车材料中的地位日趋重要，从而促使塑料涂料的用量不断攀升，也促使塑料涂装工艺的研究开发不断进步。进入21 世纪以来，国内汽车零部件加工产业随着全球对VOC 排放量限制的日趋严格，正逐步朝着节能、环保、低成本的方向发展。相对于传统的三涂两烘（3C2B）工艺（即底漆需要烘烤后再进行色漆和清漆的涂装），三涂一烘（3C1B）的工艺可省去底漆烘烤和打磨2 个工序，降低了能耗和人工工时成本，同时也对保险杠配套底漆的性能提出了更新的设计要求。
1 底漆配方的选型
就底漆设计来说，涂料对于PP 等保险杠底材的附着都比较困难。原因在于，与ABS 的附着主要靠溶剂对底材的溶涨作用完成不同，PP 或改性PP 等底材主要是靠树脂的氢键力、分子间力、离子键等力，加上溶剂的部分浸润作用来获得附着力。通常这些键力的作用本身非常微弱，所以说底漆在PP 等保险杠上的附着相对困难些。保险杠双组分底漆的一般设计烘烤条件为80℃ /30 min，旨在促使涂料基质中的一些特殊的官能团结构能够充分活化，以增加涂层与基材的结合能力。取消底漆烘烤后，原有的部分官能基团不再发挥作用，涂料与基材的附着性能会明显变差。为了有效地消除取消烘烤后对于附着力的影响，考虑设计含有氯化聚烯烃（CPO）树脂的单组分塑料涂料。CPO 树脂本身与PP 等聚烯烃基材在结构上有着较大相似性，根据“相似者相溶”的机理，它们之间应有良好的相容性。所以，在底漆无烘烤的条件下，通常会采用改性的CPO 树脂作为涂料的附着力促进剂来制备涂料。改性剂中含有羟基、羧基、环氧基、羰基等基团，通过改性接枝在CPO 上，从而配制出各种性能良好的保险杠涂料。
1.1 CPO 的选择
市场上，氯化聚烯烃（CPO）附着力促进剂种类很多，但常用的主要有3 大类：未改性的氯化聚丙烯、丙烯酸树脂改性氯化聚丙烯、马来酸改性氯化聚丙烯（表1）。
从表1 可以看出：未改性的氯化聚丙烯市场价格低，有着明显的成本优势，但由于相容性、耐化学品性以及与面漆的附着力不良等关键因素影响，很少被考虑使用于汽车零部件涂料。丙烯酸树脂改性氯化聚丙烯，具有一定的耐化学品性和良好的层间附着力，较为广泛地运用在汽车内饰件中。马来酸改性氯化聚丙烯各方面指标均表现优异，是汽车外饰件涂料，如保险杠涂料的。但需要注意的是，马来酸改性CPO 在低温下贮存稳定性表现平平。需要通过优化涂料制造工艺和原料组合配比来改善液态底漆在低温下的稳定性。
三涂一烘保险杠底漆建议选用马来酸酐改性量在0.5%~2.0%（质量分数）的CPO。因为改性量在此区间的CPO 容易与异氰酸酯基反应，从而增进与面漆的层间附着力。改性量太少，耐汽油酒精性差，对面漆的附着性差；改性量太多，对PP 附着性差、粘度高、易胶凝、难喷涂。
1.2 溶剂的选择
配方中使用的树脂的溶解度参数要尽量接近基材的溶解度参数值，以使涂膜有较好的附着力。相反，涂料用溶剂的溶解度参数与PP 基材的溶解度参数相差得越大越好，以确保涂装时保险杠表面不被溶解或咬起。同时也要求底漆配方中树脂的溶解度参数与保险杠底材中所使用的增塑剂的溶解度参数值相差得越大越好，以保证增塑剂不渗析。各种溶剂的溶解度参数见表2。不同氯含量的PP 的溶解度参数见表3。表3中的数据只是一个参考，因为不同厂家的保险杠制品由于制造工艺、塑料粒子等原材料比例不同，彼此间溶解度参数会有较大差异，需要通过具体的实验来验证。此外，通过增加极性溶剂，如酯类、酮类、THF（四氢呋喃）等，还可以提高底漆的热稳定性。
表3 不同氯含量PP的溶解度参数
1.3 CPO 中间体溶液的制备
建议将CPO 用甲苯或二甲苯使用60℃左右加温的工艺，溶解成固体分15%~20% 的中间体溶液。溶解所用溶剂的含水量应小于300 mg/kg，以免水解导致树脂间的相容性变差，从而影响与面漆的层间附着性。作为中间体的溶液在25℃以下贮存，保质期为3 个月，5℃以下可保质6 个月。表4 是某CPO 树脂添加20%二甲苯于不同加热温度下搅拌1 h 后，中间体在低温环境下（0~5℃）的贮存稳定性比较。
表4 CPO 中间体溶液的贮存稳定性比较
表4 CPO 中间体溶液的贮存稳定性比较
在搅拌时间固定为1 h 的情况下，室温下制得的中间体混合溶液的低温贮存稳定性明显较差，容易出现凝胶。而加热温度过高或者过低也都不利于CPO 中间体的低温存放，60℃左右的加热温度为理想。
2 3C1B 的保险杠涂装
2.1 涂装前的表面处理
由于PP 的结晶度和内聚力高，表面无极性基团，临界表面张力低，使涂膜很难通过溶解作用增进附着力。如PP 的表面张力为3.1×10-4 N，而一般涂料需要的可附着张力为3.7×10-4 N 以上。为提高涂料对PP产品的涂装性能，需要对聚烯烃基材进行表面处理。主要的处理方法有：表面化学处理、表面火焰处理、表面等离子处理、表面辐射处理、表面涂覆处理等。目前国内保险杠厂家正逐步推广使用机器人（也称机械手）火焰处理。其化学机理在于：火焰中含有大量的离子，具有很强的氧化性，在高温状态下与PP 形成一层带电的极性功能团，提高了其表面能，从而增进了对塑料底漆的附着力。同时高温的火焰将能量传递给基材表面的油污和杂质，使其受热蒸发，起到了清洁保险杠表面的作用。
2.2 3C1B 的底漆涂装工艺
3C1B 涂装工艺流程如图1 所示。
以国内某保险杠厂家使用BASF 的3C1B 油漆体系为例。相关的油漆调配工艺如表5 所示。
其中，JC50-9070 作为一款导电中涂，对PP/EPDM基材有良好的附着力。该底漆应用于不具有导电性的塑料基材表面时，可以用静电喷涂的方法将面漆涂布在这类塑料基材上，即底漆的干膜具有导电的功能。此外，施工应用窗口宽，可以满足静电喷涂和空气喷涂2 种施工工艺条件。
2.2.1 底漆的施工粘度
底漆的施工粘度在不同施工温度条件下的变化见图2。从图2 可以看出：在温度较低时，受配方树脂性能的影响，液态原漆在长时间贮存后容易出现短暂的假稠现象，需要在稀释前充分搅拌。但施工过程中，随着环境温度的变化，尤其在低于20℃时，粘度与温度近似于线性的关系。这就要求在施工时尽可能保证喷涂室温在（23±3）℃，以利于底漆的施工粘度控制。
图2 JC50-9070 温度粘度变化曲线
2.2.2 底漆的膜厚
保险杠等外饰零件主要采用的材料是PP+EPDM以及滑石粉的改性产品。基材外观颜色以黑色和深灰色为主。对于涂料供应商，通常将保险杠底漆的颜色调整为灰色，利于保险杠面漆色相的控制，以保障与车身颜色匹配。JC50-9070 作为一款深灰色PP 中涂，其遮盖性能较好，一般干膜在5 μm 左右，就可以完成黑白格的遮盖。对于黑色的保险杠基材同样有着优异的遮盖力。但在施工应用中，特别是在某些手工喷涂的保险杠生产线上，因为施工不当容易造成过喷和底漆膜厚不够的现象。如下例，对于某个有“黑点”缺陷的银色保险杠，为了确定缺陷位于哪一层，对缺陷所在位置做了切片，观察其纵剖面。
首先观察显微镜的平面图，发现有疑似异物的黑色凸出物（图3a）。使用光学显微镜可以观察到黑色阴影的位置和大小，特别在纵切面的样片上可以清晰地分析出颗粒来源于底漆表面（图3b）。同时，对样件有缺陷处和无缺陷处进行了膜厚测量（表6）。
（a）使用Olympus SZX12 光学显微镜在同轴光源下，观察样件表面；
（b）使用DM-RM 光学显微镜从侧切面观察样件的中涂和色漆涂层
图3 涂装缺陷分析
表6 不同位置的膜厚
由表6 可知：该样件整体底漆膜厚偏薄，尤其是有缺陷处。该中涂推荐膜厚为10~15 μm。保险杠在喷完后，色漆的漆雾点落到底漆湿膜表面形成过喷。当清漆喷完后，在过喷处铝粉定位不同造成光线反射不同，所以缺陷更易观察到。在湿碰湿工艺中，适度提高底漆的膜厚，可以保持底漆表面的湿润，有利于消除色漆过喷和“暗影”的形成。
表6 不同位置的膜厚
2.2.3 底漆的导电性
在汽车外饰件3C1B 涂装工艺中，为了提高油漆利用率同时保证漆膜优良的外观和性能，在油漆材料方面需要重点考虑以下两点：（1）使用静电喷涂；（2）由于PP 基材本身不导电，需要采用导电中涂。换言之，即导电涂料通过静电旋杯喷涂在导电底漆上，以达到油漆利用率的优化（表7）。
注：涂装消耗量＝（涂装面积× 干膜膜厚× 干膜密度）/（固含量× 涂装效率）；VOC= 涂装消耗量 × 溶剂量
从表7 可以看出：基于导电底漆，面漆使用静电旋杯ESTA 喷涂，油漆的有效利用率可以从30% 提高到约70％。由于导电底漆的导电性属于零部件加工方在涂装施工应用中的过程控制。目前各个汽车制造厂家对于保险杠底漆导电值尚无明确的指标和检测方法。不同的涂料厂商对于底漆导电性能的检测方法有所不同。为了保证检测数据的有效、再现，巴斯夫涂料实验室规定在80℃ ×30 min 烘烤后的样件上进行干膜电阻测量。以巴斯夫单组分的导电底漆JC50-9070 为例，其干膜电阻值可以控制在350 kΩ 以下。对于自身不导电的保险杠基材来说，通过增加导电底漆作为中间层，从而提高了面涂油漆的利用率。另外，由于3C1B完全采用湿碰湿的工艺，对于涂装线电阻值的在线测量方法也提出了不同的要求。例如巴斯夫涂料在国内某保险杠生产线中采用了图4 所示的测试方法（检测设备：ITW Ransburg 76634-00）。底漆漆膜电阻值的在线测量，作为一种有效的检测手段，也为保险杠终涂膜的色差和外观控制提供了依据。
图4 电阻值的在线测量
3 结语
未来对汽车外饰件涂料的要求是：（1）环境保护好（低VOC 排放、无重金属，水性化）；（2）涂膜性能佳（高装饰性、高耐候性）；（3）设备投资节能、高效（低涂料消耗、低能源消耗、工艺过程少）。保险杠3C1B 工艺的推广应用，对于贯彻世界性和各地方的环保法规都有着十分积极的意义。其中，塑料导电底漆的不断研发和完善，也将是汽车外饰件涂料的发展趋势之一。
