第51卷第4期 2021年4月
涂料工业
PAINT &COATINGS INDUSTRY
Vol. 51 No. 4
Apr. 2021
性能验证研究
许理破，陈宝歌，曹军
(上汽通用汽车有限公司，上海201206)
摘要：用于汽车外饰件的水性导电底漆在国内已有部分应用，但多应用于新建的外饰件涂装线，对溶剂型外饰件涂装线的底漆水性化改造研究甚少，传统水性导电底漆需要较大的脱水烘房，制约了 溶剂型涂装线的改造空间，而新型低温脱水水性导电底漆则可以较好地解决溶剂型涂装线的水性化改 造难题，为验证新
型低温脱水水性导电底漆的漆膜性能能否满足要求以及最佳的脱水条件，本文通过 设计一系列的性能验证实验和施工性验证实验，验证了低温脱水水性导电底漆的各项性能指标以及脱 水窗口，结果表明低温脱水水性导电底漆的各项性能指标均能满足要求，且脱水温度和脱水时间的要 求均大大低于传统水性底漆，对于老线的改造有很大的优势，且能降低水性化改造后的运营能耗。
关键词：汽车涂料；塑料外饰件；水性；低温脱水；导电底漆
中图分类号:TQ630. 7 文献标识码：A文章编号：0253-4312(2021)04-0007-05
doi：10. 12020/j.issn.0253-4312. 2021. 4.7
Research on Process and Performance Verification of Low
Temperature Heated Flash Waterborne Conductive Primer for
Automotive Exterior Plastic Parts
Xu Xinghu,Chen Baoge,Cao Jun
(SAIC General M otors Co.,Ltd.,Shanghai201206, China)
A b stra ct：Waterborne conductive primer have been applied partially for automotive
exterior parts in China,but most of which were used on new built lines.There were few researches on the reconstruction of the solventborne lines converted to waterborne primer lines.Because the traditional waterborne conductive primer required large dehydration oven that may limit the reconstruction of the solventborne lines.The low temperature heated flash conductive primer can solve the problem of reconstruction of solvent lines to be used for waterborne system.In order to study the possibility of performance of new low temperature heated flash primer to satisfy the technical specification a and the dehydration window,a series of verifying experiments(performance and application)were designed.The test results showed that the new low temperature heated flash waterborne prime could meet all the technical specification and the temperature and time for dehydration were lower and shorter compared to the conventional primers,which would benefit the reconstruction of the lines from solventborne primer to waterborne primer,also reduce the operation cost of the lines after reconstruction.
作者简介：许理琥（1986—），男，工程师，主要从事汽车涂料材料开发和涂装新工艺开发。
许理琥等：汽车塑料外饰件用新型低温脱水水性导电底漆的性能验证研究
Key words：automotive coatings;exterior plastic parts;waterborne;low temperature heated flash;conductive primer
近年来，各地纷纷出台环保方面的法规和条例，对汽车及零部件涂装线的VOC排放作出了限制，国内新建的大规模汽车涂装线除了罩光清漆外，绝大 部分已经采用了水性涂料。而相对应的汽车外饰件 涂装线，主流仍然在使用中低固体分的溶剂型涂料。因此，作为整车制造厂应顺应形势的变化，开发认可 汽车塑料外饰件水性涂料。对于保险杠等使用热塑 性聚烯烃的塑料外饰件来说，传统的溶剂型涂装线 的喷涂顺序为先喷涂导电底漆，再喷涂漆和清漆，导电底漆和漆之间只有一段较短的室温闪干区域，往往没有预留足够的空间安装加热闪干烘房，而 传统的水性导电底漆需要80〜90 X：下5~10 min的加 热闪干来实现漆膜脱水，这就对传统溶剂型涂装线 的改造带来了较大的难度和较高的成本。目前国内 由外饰件供应商管理的水性保险杠涂装线数量稀少 且均为新建线，未见溶剂型保险杠涂装线改造为水 性涂装线的案例。近年来，多家国际知名涂料公司 成功开发了低温脱水水性导电底漆，与传统的水性 导电底漆相比，可以用更低的脱水温度和脱水时间 完成水性底漆的脱水过程，由此带来的优势除了节 能环保外，更可以降低将现有溶剂型保险杠涂装线 改造为水性涂装线的难度和成本。本文着重讨论了 低温脱水水性导电底漆在汽车保险杠（热塑性聚烯 烃)等塑料外饰件表面的应用。
1热塑性聚烯烃基材用水性导电底漆 的应用原理和种类
1. 1水性导电底漆的应用原理
目前主流的乘用车保险杠使用的基材是热塑性 聚烯烃(TP0 )，其结晶度高，耐溶剂性强，表面极性和 表面能低，漆膜难以附着，再加上TP0塑料的多品种 化，因此保险杠涂料及其涂装备受关注吒
导电底漆主要作用是为后续的静电喷涂提供导 电性，并且促进面漆和基材之间的附着％
传统的溶剂型导电底漆中的有机溶剂，挥发速 度较快，经过短时间的常温闪干流平，湿膜不挥发分 即可达到85%以上，所以不需要加热闪干烘房就可 进人漆喷涂环节。
而水性导电底漆配方中主要的溶剂是去离子水，因为水的蒸发潜热很大，为2 260 J/g，远大于溶剂 型涂料使用的大多数有机溶剂的蒸发潜热（如，甲苯 为412.7 J/g，二甲苯为347.4 J/g)。且水的挥发速率 慢，相对蒸发度是常用有机溶剂的20%〜30%[31。所 以水性底漆喷涂后需要脱水烘房来加速水分的挥 发，使湿膜不挥发分达到85%以上再进入漆的喷 涂工序，避免底漆中过量的水分在后续的烘烤中大 量蒸发导致漆出现针孔等问题。
目前主流的水性导电底漆配方在TP0基材上产 生附着力的原理是添加水性化的聚烯烃(P0)或氯化 聚烯烃(CP0)，由于水的表面张力较高，水性CP0涂 料较难在TPO基材上润湿铺展，相对于溶剂型CP0 涂料的附着力有所下降，所以目前主流的水性导电 底漆在涂装前需要对保险杠进行火焰处理。
1.2水性导电底漆的种类
1.2. 丨按供货形式分类
水性体系的TP0导电底漆按供货形式可分为单 组分水性导电底漆和双组分水性导电底漆。单组分 底漆通常采用封端异氰酸酯作为主树脂的交联剂，常温下封端异氰酸酯不与主树脂发生交联反应。单 组分底漆通常仅需要一段独立的底漆脱水烘房即 可，工艺时间在3〜10 min，完成底漆脱水并冷却后即 可喷涂漆和清漆，即通常所说的3C1B(三涂一烘）工艺。在通过面漆烘房的烘烤时，封端异氰酸酯随 封端剂的挥发而实现解封，从而与主树脂发生交联 反应，实现底漆涂层的交联固化；而双组分产品使用 异氰酸酯作为主树脂的交联剂，因其产品混合后在 温下即开始交联反应，双组分底漆往往需要独立的 底漆烘烤烘房，工艺时间在20~35 min之间，底漆涂 层的烘烤交联固化完成后才能进人漆和清漆的喷 涂工序，即通常所说的3C2B(三涂两烘)工艺。
1.2. 2 按脱水温度分类
水性导电底漆按脱水温度可分为传统水性导电 底漆和低温脱水导电底漆。
传统水性导电底漆的加热脱水温度和工艺时间 为80〜90 t下5~10 min，加热空气含水量不超过10 g/kg，由于双组分水性导电底漆的脱水与烘烤工艺 是在同一烘房连续进行，所以双组分溶剂型导电底 漆涂装线改造为水性双组分导电底漆或水性单组分 导电底漆涂装线的难度较低；单组分溶剂型导电底
许理琥等：汽车塑料外饰件用新型低温脱水水性导电底漆的性能验证研究
漆在喷涂后仅需室温闪干，不需要底漆烘房，所以改 造为水性导电底漆涂装线需要改造的设备较多，且 曰常运营中，会增加较多的能源费用。
低温脱水水性导电底漆则可以较大程度地降低 加热脱水温度和脱水时间，甚至有实现常温脱水的 可能。目前市面上的低温脱水水性导电底漆均为单 组分产品（低温脱水对双组分底漆意义不大），其基 本原理是配方中使用较低含量(<6%)的极性有机溶 剂，使得配方中的有机溶剂更易挥发，另一方面降低 了极性有机溶剂和水之间的相互作用，使水也更易 挥发，然后再搭配热塑性快干树脂实现低温脱水的 效果；本文讨论的2款低温脱水单组分导电底漆在极 限情况下甚至可以实现30丈下10 min的闪干要求，极大地降低了设备改造的成本和难度。
2低温脱水水性导电底漆的涂装工艺
本文讨论的保险杠水性导电底漆的涂装工艺流 程为：前处理—火焰处理—喷涂水性导电底漆—脱水 工序(加热闪干)—冷却工序—进人下一道喷涂工序。
2.1前处理工序
保险杠在涂装前要经过基材前处理工序，保证 其表面的油脂或脱模剂被处理干净，提升涂料在基 材表面的润湿性和附着力。基材前处理工序为：脱 脂—热水清洗—反渗透(RO)水清洗—烘干。
2.2火焰处理工序
保险杠使用的TPO基材，因其表面特殊性，在喷 涂水性导电底漆之前，要经过火焰处理将其表面张 力提高到32 mN/m以上，才能够确保底漆在基材上的 附着力及后期性能。
2. 3喷涂工序
2. 3. 1喷涂设备
水性导电底漆使用空气喷就能完成正常施工。但因其物理特性，水性产品的触变性很大，喷涂 时，要适当调节空气喷的压力、雾化、出气量等施 工参数，才能保证水性底漆施工后的漆膜状态。
2. 3. 2喷涂环境
汽车作为高档消费品，对外观要求极高。所以 涂料在喷涂过程中，对喷涂环境具有极高的要求，特 别是水性涂料。水性导电底漆在喷涂时，喷房的温 度一般控制在(23±3)丈；湿度一般控制在(65±5)%。温度过高、湿度过低，容易造成漆膜粗糙；温度过低、湿度过高，容易造成漆膜流挂。所以，温湿度的控制 是水性涂料喷涂过程中极为重要的环节。
2. 4脱水工序
为保证底漆与漆层间相容性、漆膜附着力等 性能，避免漆膜针孔缺陷，水性底漆喷涂后，要通过 加热闪干实现漆膜脱水。保证在漆喷涂前，底漆 的湿膜不挥发分达到85%以上。
2. 5冷却工序
水性底漆经高温脱水或烘烤之后，还要经过降 温工序，使其表面温度降至30尤以下。如果漆膜表 面温度过高，当漆接触底漆表面时，漆中的溶剂 或水很容易提前挥发，不会给漆膜留有足够的时间 流平，最终导致产品的外观水平下降。
3漆膜性能及脱水窗口的研究
3.1涂料来源
本文选用低温脱水水性单组分聚氨酯导电底漆A (PPG提供）和B(BASF提供）；性能实验中的配套 漆和清漆分别为各自的聚氨酯体系漆(实白漆，黑、银、红金属漆)和双组分溶剂型聚氨酯清漆。
3.2漆膜性能验证
本文对水性导电底漆的漆膜性能要求与传统溶 剂型的要求完全一致，按照3C1B工艺的TPO基材水 性导电底漆设计测试。
3. 2. 1材料组合
由于本次认证的应用于TPO基材的水性导电底 漆为单组分体系，喷涂后仅需对漆膜加热脱水即可进 入下一道漆喷涂的工序，也就是传统意义上的“湿 碰湿”工艺，故除了干膜电阻率的测量是在底漆漆膜 上以外，其余的测试均针对全涂层（底漆+漆+清 漆）。选用经过认证的漆清漆体系配套需要认证的 导电底漆。材料准备及对应的膜厚范围要求见表1。
表1漆膜膜厚范围
Table 1Film thickness range
类别产品名称膜厚范围/|xm I 底漆
单组分低温脱水导电底漆A8±2
单组分低温脱水导电底漆B8±3
实白漆27±3
漆
黑金属漆17±3
银金属漆17±3
红金属漆20±3
清漆双组分溶剂型聚氨酯清漆
40±5
许理琥等：汽车塑料外饰件用新型低温脱水水性导电底漆的性能验证研究
3.2.2烘烤条件表2烘烤条件矩阵
按照烘烤目标温度加15 t和烘烤目标温度减 Table2 Baking condition matrix
5 t，烘烤目标时间乘以3倍时间和烘烤目标时间|描述缩写烘烤温度/尤烘烤时间/min I 减5 min的原则，设计烘烤条件矩阵，本次认证的底烘烤目标T8030
漆对应的烘烤条件（与面漆一起烘烤）矩阵见表2。烘烤上限H9590
3. 2. 3漆膜性能分析烘烤下限L7525
漆膜性能主要测试项目及要求见表3。实际测试结果如表4所示。
表3测试项目及要求
Table 3 Test items and requirement
测试项目测试仪器性能要求测试方法
干膜电阻率Ransberg76652 电导率仪^14底漆脱水完成后10 min的干膜电阻率
抗石击性Erichsen石击仪>9级
选用特定来源的8~ 16 mm的石子，在 (-18±2沈的温度下，以480 kPa的空气压力 用石击仪击打样品的漆膜表面
初始附着力 (划格法）美工刀或划格器，
3M898胶带
幻级 2 mm划格后用3M898胶带测试并评级
耐湿热性后 附着力
湿热箱，美工刀
或划格器,3M898胶带
漆膜无气泡，褪，失光；
附着力以级
温度:(40±3代；湿度：约100%;
持续时间:240 h
耐环境循环性+ 耐湿热性后
附着力
湿热箱、冰箱，美工刀
或划格器，3M898胶带
漆膜无开裂，无气泡，
褪，失光；附着力以级
循环条件：室温1h，（40±3)丈湿热20h,
(-30±2)尤冷冻3 h，重复15个循环后取出
放入(40±3)丈湿热箱96 h后测试附着力
耐汽油性92*汽油，95*汽油，美工刀不超过20%的
漆膜剥落面积
用美工刀在漆膜的纵向和横向分别切割
11条线，每条线间隔4 mm，形成10 m m X
10 mm的网格；在汽油中浸泡15 min
氣灯老化后 附着力测试Atlas氛灯箱漆膜无开裂，无气泡，
褪，失光；附着力<1级
340 nm的总辐照能量为4 500 kj,
样品经过氙灯老化后测试附着力
佛罗里达曝晒+ 耐湿热性后
附着力测试
湿热箱，美工刀或
划格器，3M898胶带
漆膜无开裂，无气泡，
褪，失光；附着力以级
测试样品经过佛罗里达曝晒1a后，放人
湿热箱96 h后测试附着力
佛罗里达曝晒后 抗石击性Erichsen石击仪>9级测试样品经过佛罗里达曝晒1a后，
测试抗石击性
注.•氙灯老化项目按照SAE J2527—2017测试，其他项目均按照企业内部方法测试。
表4测试结果
Table 4 Test result
翻
底漆A底漆B
白黑银红白黑银红
干膜电阻率/kn6006006006001 0001 0001 0001 000抗石击性99999999初始附着力/级00000000耐湿热性后附着力/级00000000耐环境循环性能+耐湿热性能后附着力/级00000000
耐汽油性
剥落
面积0
汽车后保险杠剥落
面积0
剥落
面积0
剥落
面积0
剥落
面积0
剥落
面积0
剥落
面积0
剥落
面积0
氙灯老化后附着力/级00000000佛罗里达曝晒+耐湿热性能后附着力/级00000000佛罗里达曝晒后抗石击性/级99999999
W M
许理琥等：汽车塑料外饰件用新型低温脱水水性导电底漆的性能验证研究
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涂料工业，2019,49(9) :61-65.
收稿日期2021-03-08 (修改稿）
30 T ；
45 °C
漆膜 ^
外观60 T 7
575 T .
低温脱水水性导电底漆是传统单组分水性导电
底漆的升级产品，漆膜性能的表现与传统单组分水 性导电底漆相当，与传统单组分水性导电底漆相比， 更低的脱水温度及更短的脱水时间降低了漆膜脱水 工艺的要求，由此带来的工艺优势和节能减排优势 明显，十分有利于脱水工艺条件受限制的涂装线使 用；也是传统溶剂型保险杠涂装线改造为水性涂装 线比较好的选择。
水性导电底漆发展趋势是基于聚烯烃改性的聚 氨酯分散体(不含氯)141，开发不需要火焰处理，且整体 配方中不含氯的低温脱水水性导电底漆，能进一步降 低外饰件涂装过程中的能耗，对环境也更加友好。
表7低温脱水导电底漆B 的测试结果
Table 7 Test result of primer B
项目
脱水时间/min
369121530^针孔针孔正常正常正常45 X
针孔
正常正常正常正常漆膜
外观
60 T ：正常正常正常正常橘皮严重75 X
正常
正常
正常
橘皮
严重
橘皮严重
由表6、表7可知，2款低温脱水水性导电底漆在 低温脱水条件下的施工性良好，从工艺稳定性和节 能的角度考量，推荐脱水条件设为45丈下6~12 min ， 60 下 3~9 min 。
4结语
由表4可知，本次认证的2款单组分低温脱水导 电底漆均满足以上所有的性能测试要求，漆膜的各 项性能表现与传统溶剂型导电底漆相当。
3.3脱水窗口验证
按照产品的设计要求，底漆脱水后湿膜的不挥 发分冰5%才可进人漆喷涂环节。由于低温脱水 水性导电底漆的脱水要求与常规水性导电底漆有较 大的差异，为充分验证脱水条件的窗口范围，设计如 下实验方案。
3. 3. 1材料组合
脱水窗口的测试方法是考察底漆在不同的脱水 条件下，配套的漆和清漆表面是否会出现针孔、失 光、严重橘皮等漆膜弊病，所以选择针孔相对敏感的 红金属漆作为底漆配套的漆。材料准备及对应 的膜厚范围见表5。
表5
脱水窗口测试膜厚范围
Table 5 Film thickness range for dehydration window
类别产品名称
膜厚范围/pm
底漆单组分低温脱水导电底漆A 8±2单组分低温脱水导电底漆B
8±3
漆红金属漆20±3
清漆
双组分溶剂型低温清漆
40±5
3. 3. 2脱水条件
脱水温度从30丈起步，按照15丈的梯度递增； 脱水时间从3 min 起步，按照3 min 的梯度递增。
3. 3. 3漆膜性能分析
每块底漆测试样本按对应的脱水条件完成脱水 后，按标准的喷涂工艺和膜厚要求喷涂漆和清漆， 并按标准烘烤要求完成样板的烘烤。考察是否有针
孔、失光、严重橘皮等漆膜弊病，测试结果如表6、表7 所示。
表6
低温脱水导电底漆A 的测试结果
Table 6 Test result of primer A
脱水时间/min
常常皮重皮重
正
正橘严橘严孔常皮重
针正橘严孔常 常
针正孔
常常 常
针正孔孔常 常
针针把 ^
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