【技术帖】影响汽车保险杠油漆附着力的因素
关键词：汽车；保险杠；涂装；附着力；表面张力；高压水冲洗；火焰处理
随着汽车向轻量化方向发展，车身内外饰大部分采用塑料件。根据使用部位的不同，塑料件分为ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PP(聚丙烯)、尼龙等多种单一或复合改性材质。PP材质以其良好的柔韧性、防撞性、易修复性等优点而被广泛应用于汽车前后保险杠等部位。因 PP材质表面存在极性小、结晶大、表面张力低、润湿性差、粗糙度低等特点，与其他材质(如ABS)的塑料件相比，油漆在PP塑料件上牢固附着的实现难度明显增加。
根据日常观察和市场反馈，汽车前后保险杠油漆脱落问题较多，油漆脱落状态也千差万别，见图1。
图1 几种有代表性的保险杠脱漆情况
Figure 1 Several typical photos showing the fall-off of coating on bumpers
图1 a和1b的脱漆现象是最常见的。这类脱漆的原因一般分两种：一是保险杠边角部位的油漆附着不良；二是保险杠在装调、使用过程中发生干涉、磕碰。
图1c所示的脱漆现象明显是由于车辆使用过程中刮擦造成的。
图1d显示的是保险杠油漆整体附着不良造成的大面积油漆脱落现象，会严重影响用户体验。
主机厂汽车保险杠油漆附着力等级一般要求“≤1级”。为保证PP保险杠油漆附着力满足标准要求，减少批量质量问题的发生，现介绍2种附着力检测方法。
2. 1 划格法
划格法是保险杠油漆附着力的常规检测方法。该方法操作简便，判断标准明确，是主机厂日常监控的主要方法之一。一般按表1来判断附着力等级。
表1 附着力的判定标准
Table 1 Criteria for evaluating the adhesion strength
2. 2 高压水冲洗测试
根据保险杠在车身上的特殊位置与作用，前后保险杠漆面是最易受刮蹭、碰撞的部位。同时，用户日常洗车时一般采用高压水枪冲洗，极易造成保险杠涂层随破损部位大面积剥落。因此汽车前后保险杠油漆附着力的检测还需增加高压水冲击试验。各车厂的保险杠高压冲洗试验方法差异较大，现以2种高压水冲洗试验为例进行介绍。
样件来源：4种车型保险杠样件碎片，包含2个合资车品牌和2个自主车品牌。
试验设备：WALTER高压冲洗实验设备(见图2)。
图2 高压冲洗实验设备
Figure 2 Setup for high-pressure water flushing test
试验方法一：
(1) 样件状态：漆面完整，未破坏。
(2) 试验条件：喷射压力 12 MPa左右，水温 50 °C，冲洗距离 10 cm，冲洗角度 90°，冲洗时间 40 s。
(3) 试验结果：除油漆涂层剥落外，毛坯材料本身也因冲击而破损，如图3所示。
(4) 试验结论：对PP材质的保险杠来说，此方法的高压喷射压力太高，在破坏油漆涂层的同时，破坏了PP毛坯材质。
总结：此方法不适用于测试材质较软的PP保险杠的油漆附着力。经验证，此方法只适合于底材为金属(如铁、铝)、ABS的涂层附着力测试。
图3 4种PP涂漆样品按试验方法一高压冲洗后的状态
Figure 3 Surface states of four coated PP samples after high-pressure water flushing test following the procedure of method I
试验方法二：
(1) 样件状态：采用单面刀片交叉划线，划线深度以破坏漆面，深度达毛坯材质为准。
(2) 试验条件：高压喷射压力 8 MPa，水温 40 ～ 50 °C，冲洗距离 7.5 cm，冲洗角度 90°，冲洗时间40 s。
(3) 试验结果：漆膜会沿着划线位置部分脱落(见图4)，但仍会对材质较软的毛坯材料形成破坏。
(4) 试验结论：经高压冲洗后，样品1的油漆附着力最佳。样品2的附着力次之，样品4的附着力最差(油漆脱落面积最大)。
总结：此试验方法可有效评价保险杠油漆的附着力。样品1除附着力最佳外，还显示其本身的材质较软，油漆涂层是伴随着毛坯材料脱落的。其他3个样件的涂层从毛坯表面脱落。
图4 4种PP涂漆样品按试验方法二高压冲洗后的状态
Figure 4 Surface states of four coated PP samples after high-pressure water flushing test following the procedure of method II
汽车保险杠涂装工艺一般采用2种方式。一种是目前应用较多的包含前处理的涂装工艺方式，如图5所示；另一种是免前处理的涂装工艺方式，如图6所示。
图5 含前处理的涂装工艺
Figure 5 Painting process including pretreatment
图6 不含前处理的涂装工艺
Figure 6 Pretreatment-free painting process
4. 1 毛坯件材质
汽车保险杠材质一般以PP材料为主，辅以滑石粉及耐老化剂等辅助材料。不同的辅助材料、配比对保险杠的表面状态、耐久性、强度、柔韧性等都有影响。PP塑料件的表面张力低于金属，属于低表面能物质，且塑料的结晶度较大，不利于涂层的附着。这是PP材料的特性，无法根本改变，只有通过适当调整材料配方与配比等方法来提高保险杠的表面张力。另外，为节约生产成本，部分注塑公司有回料再利用的问题，也需严格控制。
4. 2 PP毛坯与塑料底漆的配套验证
影响 PP保险杠涂层附着力的关键是塑料底漆与毛坯材质的配套性。不同的毛坯材质所配套的塑料底漆相差较大。配套性验证主要包括以下几个方面：
(1) 新建涂装线投产之前；
(2) 新开发二供、三供等毛坯供应商或油漆供应商时；
(3) 保险杠毛坯供应商配方或工艺调整时；
(4) 油漆(底漆)供应商调整配方及工艺时；
(5) 保险杠涂装工艺调整时。
4. 3 PP毛坯表面张力的影响
表面张力是作用在单位长度表面上的表面收缩力。PP材质存在表面能低，亲水性及润湿度差，与油漆之间的结合力差等特性。除材质特性外，影响PP保险杠毛坯表面张力的因素还包括以下几个方面：
(1) 脱模剂的影响：在保险杠铸塑过程中，为便于脱模，提高效率，延长模具寿命，保证产品表面光滑，需要使用脱模剂。而脱模剂一般会选用表面张力较低的氟系、硅系、蜡系等材料。脱模剂附着在保险杠表面会严重影响保险杠与涂层之间的结合力。
(2) 模具清洗剂的影响：保险杠注塑过程中需周期性使用专用模具清洗剂清理模具表面的油污、灰尘。模具清洗剂残留过多会影响毛坯件的清洁度，最终影响保险杠与油漆之间的结合力。因此，模具清洗后需严格控制首批保险杠的表面质量。另外，模具清洗剂应与涂装前处理工艺做配套性验证，避免因模具清洗剂的使用或更换不当而引起涂装批量质量问题。
(3) 模具顶针润滑油的影响：保险杠脱模过程中，顶针所用润滑剂会有部分残留或粘附在毛坯件表面，这也会对塑料件与油漆之间的结合力产生较大影响。此残留也是保险杠涂层产生缩孔的原因之一。
(4) 毛坯件存储、运输过程中油污、灰尘的污染是常见的影响塑料件与油漆之间结合力的因素。
4.3.1 PP 保险杠表面张力的检测方法
表面张力检测方法有张力仪检测法、光散射法、达因笔测试法等。其中达因笔测试法因其快捷、简单、易量化的优势，在汽车保险杠涂装线应用广泛。具体检测方法如下：
将达因笔垂直于保险杠表面，加上适当的压力，在保险杠表面画一条线或一个圆圈，如图7所示。初次测试时需配备3 ～ 6支不同型号的表面张力测试笔。先选择一个中间值的笔做起点，在基材表面画出100 mm左右长的墨线圈。如果2 s内墨线圈连续不中断，则说明基材表面张力正好是或超过所选值，那么就需要选择更大值的测试笔进行第二次测试。如此类推，直到测试结果在2秒内收缩成球状水珠，则这次测试之前的值就被视为基材的表面张力。反之，如果第一次测试就收缩成球状水珠，则需换上数值更小的测试笔进行第二次测试，直到表面润湿为止。
图7 用达因笔测试表面张力时的照片
Figure 7 Photos showing the surface tension test using a dyne pen
4.3.2 提高PP保险杠表面张力的方法验证
涂装前处理(见图8)可有效去除保险杠表面的脱模剂、油污、灰尘等杂物，是消除涂层表面颗粒、缩孔，保证油漆附着力的基本工艺方法。但经试验，前处理工艺对PP塑件表面张力的提升基本无作用(见表2)，采用手工擦拭也无作用(见表3)。所幸的是，所有样品的表面张力都符合≥26 mN/m的要求。
图8 毛坯件清洗现场照片
Figure 8 Photos showing the blank cleaning process in a plant
表2 3个厂家的保险杠样品在前处理前后的表面张力
Table 2 Surface tensions of 3 manufacturers’ bumper samples before and after being pretreated（单位：mN·m-1）
表3 3个厂家的保险杠样品在手工擦拭前后的表面张力
Table 3 Surface tensions of 3 manufacturers’ bumper samples before and after being wiped manually（单位：mN·m-1）
火焰处理工艺(见图9)用于调整PP塑料的表面张力，在高温下使塑料表面的大分子发生氧化反应，产生极性基团，改变表面分子聚集的结构形态，使水基覆盖膜附着在塑料表面上，实现提高PP塑料表面张力的目的。
图9 火焰处理照片
Table 9 Photo of flame treatment
从表4可以看出，在相同参数(温度1 100 °C，距离10 cm，走枪速率60 mm/s)下火焰处理后，3个车厂保险杠样本的表面张力都达到了≥38 mN/m的要求。
表4 3个车厂保险杠样本在火焰处理前后的表面张力
Table 4 Before and after flame treatment surface tension of 3 manufacturers' bumper samples（单位：mN·m-1）
根据表4可知，火焰处理工艺可有效提升PP保险杠的表面张力，但不同配方的PP件在火焰处理后的提升结果差别很大。另外，为保证PP保险杠火焰处理效果，还需注意以下几点：
(1) 保险杠火焰处理后到喷涂PP底漆的间隔时间。火焰处理后的工艺间隔、冷却时间为3 ～ 5 min，主要为降低工件表面温度(工艺要求低于27 °C)。但部分线体的间隔时间过长，火焰处理后提升的表面张力会随间隔时间延长而有所下降。
(2) 返工件的特殊要求。对需要整返的保险杠，按正常工艺完成前处理或清洗剂擦拭后，需关闭火焰处理，直接进行后续的喷涂作业。这样做的主要目的是避免火焰高温破坏底层面漆的性能，影响返工件油漆的附着力、柔韧性、耐久性等性能。
4. 4 PP底漆工艺对保险杠油漆附着力的影响
PP底漆是保险杠油漆附着力的关键。除了油漆本身的配套性外，因保险杠结构复杂，尤其是部分保险杠的前后大灯或雾灯口造型较深(如图10所示)，喷涂过程中需保证保险杠表面的PP底漆喷涂完整，不允许有漏喷、薄喷等喷涂不到位现象。通常情况下，塑料底漆厚度6 ～ 10 μm即可，喷涂过厚会影响漆膜整体外观及涂层间结合力。另因PP材质无导电性，故推荐采用空气喷枪喷涂底漆，以借助压缩空气的冲力将底漆喷涂到造型深陷部位。
图10 保险杠底漆喷涂照片
Figure 10 Photo showing the spraying of primer on bumper
PP材质的固有特性是影响汽车保险杠油漆附着力的主要因素。有效控制保险杠注塑过程及涂装工艺，提前做好PP保险杠与油漆的配套性验证，有效提升保险杠的表面张力，是保证汽车PP保险杠涂层附着力的关键。
来源：期刊-《电镀与涂饰》；作者：苏玉霞*，李飞，葛强