溶剂及施工工艺对3C1B水性面漆外观影响研究

张学海²， 刘效,¹ （1、 上海健康医学院 上海201318，2、艾仕得涂料系统技术研发(上海)有限公司 上海200245）

摘　要：水性3C1B(三涂一烘)工艺是以湿碰湿的方式喷涂水性中涂、水性面漆和清漆,并一次性烘干的工艺,可以显著降低能源损耗,提高生产效率。涂层外观是评价涂料质量和涂装效果的重要指标之一,而湿碰湿工艺的这种特殊的施工方式对涂层的外观表现更为敏感。本文以水性白实色涂料为例,从中涂、面漆的材料配方及施工工艺等方面对水性3C1B汽车涂料的外观改进进行了研究,并识别出了关键影响因素,结果表明:水性面漆对漆膜整体外观的影响大于中涂;配方的干湿及喷涂雾化后的干湿对漆膜流平、流挂等影响较大,进而会影响漆膜的外观表现。

关键词：水性涂料，三涂一烘，涂料配方，喷涂工艺，涂层外观

近年来，随着国家经济发展及国民生活水平的不断提高，我国汽车产销量已经连续10年位列全球第一，汽车涂料行业在我国涂料工业中地位越来越重要。同时，随着环保法律法规对涂料中挥发性有机物（VOC）含量的限制越发严格，环保性强、漆膜性能佳、设备投资少的汽车涂料及涂装工艺越来越受到人们的关注。水性涂料作为环境友好型涂料的代表得到了快速的发展，但其具有水挥发速度慢、表面张力大的特点，使得水性涂料在涂装过程中容易产生流挂、针孔等漆膜缺陷。传统水性涂装工艺与水性3C1B涂装工艺对比如图1所示。

图1传统水性涂装工艺与水性3C1B涂装工艺对比

由图1可知，3C1B（三涂一烘）紧凑型工艺是以湿碰湿的方式喷涂水性中涂、水性面漆和清漆，并一次性烘干，在保证汽车涂装性能及工艺要求的前提下，可以提高生产效率。但中涂与面漆之间、面漆与清漆之间的组分会发生相互交换渗透，涂料配方设计过湿或施工过程脱水不足会造成针孔、涂层间咬合等缺陷，从而影响漆膜的外观表现。因此，水性3C1B工艺对涂料配方、涂装设备及涂装工艺提出了更高的要求。本文以水性白实色涂料为例，从中涂、面漆的原料配方及施工工艺等方面对水性3C1B汽车涂料的外观改进进行了研究，并识别出了关键影响因素。

1、实验部分

1.1实验材料

水性3C1B白中涂:艾仕得涂料系统（长春）有限公司；水性3C1B白实色面漆、2K罩光清漆、去离子水:艾仕得涂料系统（上海）有限公司；1-丁氧基-2-丙醇、二丙二醇丁醚:陶氏化学；甲基吡咯烷酮:巴斯夫化工有限公司；聚丙二醇PPG-425:科思创有限公司。

1.2实验设备

CAP2000旋转黏度仪:CAP2000+，美国Brookfield公司；BYK橘皮仪:Wave-Sacn，德国BYK公司；SemiTech喷涂机器人:2KLabApplicationRobot，德国Liman公司；膜厚仪:DeltascopeFMP30，费希尔测试仪器有限公司；电泳板若干:10cm×30cm，美国ACT公司。

1.3实验准备

水性3C1B中涂定膜喷涂，膜厚范围16~22μm，80℃预烘6min；水性3C1B白实色面漆定膜喷涂，膜厚范围23~30μm，80℃预烘6min；2K罩光清漆定膜喷涂，膜厚范围50~60μm，90℃预烘10min，140℃烘干20min。

2、结果与讨论

2.1中涂配方及施工工艺对漆膜外观的影响

中涂是汽车涂料的重要组成部分，能够提高漆膜耐紫外性能、抗石击等机械性能，其对底涂层有一定的填充作用，可以提高车身表面平整度，从而对漆膜外观产生影响。对于水性3C1B工艺，水性中涂与水性面漆之间湿碰湿接触，中涂层在满足良好的填充及流平特性的同时，还需防止由于漆膜太湿，层与层之间渗透咬合，进而出现针孔、失光等外观缺陷。本文从中涂的原料配方及施工工艺两方面对水性3C1B白实色涂料的外观改进进行了研究。

2.1.1配方中溶剂对中涂漆膜外观的影响

3C1B水性漆的外观与中涂的原料配方有较大的相关性，水性中涂的漆膜流平、干湿程度、水性中涂与水性面漆湿碰湿工艺下的兼容性等对外观有直接的影响。在保证中涂、色漆兼容性的前提下，在水性中涂中添加1-丁氧基-2-丙醇、二丙二醇丁醚，以改善流平性，进一步改善外观。

第一组实验为3C1B水性白中涂配方中添加质量分数分别为中涂配方总量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的1-丁氧基-2-丙醇，第二组实验为3C1B水性白中涂配方中添加质量分数分别为中涂配方总量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的二丙二醇丁醚，黏度均调整至60mPa·s，然后配套3C1B水性白实色面漆及清漆，喷涂水性3C1B白实色汽车涂料全涂层，测试涂层的长波LW、短波SW、鲜映性DOI、外观综合评价CF等数据，以评估1-丁氧基-2丙醇、二丙二醇丁醚对漆膜外观的影响，结果如图2所示。x轴为溶剂添加比例，y轴为中涂改进配方与原配方的外观数据的差值。

从图2可以看出，中涂中添加1-丁氧基-2-丙醇对全涂层外观有一定提升，LW降低2~3个单位，SW降低1~3个单位，CF提高1~3个单位。说明1-丁氧基-2-丙醇的加入，降低了中涂的表面张力，提高了中涂的流平性，从而使外观得到提升。

而中涂中添加二丙二醇丁醚对全涂层外观有一定降低，LW升高0~2个单位，SW升高1~3个单位，CF降低1~3个单位，尤其是加入量超过1.5%时外观下降相对明显。这是因为加入二丙二醇丁醚后，中涂过湿，在湿碰湿工艺中，中涂层与面漆层之间发生咬合，相互渗入，从而引起外观变差。

图2中涂中添加不同比例的1-丁氧基-2-丙醇及二丙二醇丁醚后对全涂层外观的影响

2.1.2中涂施工工艺对漆膜外观的影响

施工工艺对漆膜的干湿程度有很大影响，而3C1B工艺对漆膜干湿又非常敏感，所以施工工艺也是影响漆膜外观的主要因素。通过调整喷涂过程中机器人的旋杯转速、喷涂流量等参数（表1），然后配套3C1B水性白实色面漆及清漆，喷涂水性3C1B白实色汽车涂料全涂层，测试涂层的LW、SW、DOI、CF等数据，研究喷涂参数对漆膜外观的影响，结果如图3所示。x轴为喷涂参数，y轴为外观数据差值（旋杯转速实验以38000r/min时的外观数据为基准、喷涂流量实验以150mL/min时的外观数据为基准）。

表1施工工艺对漆膜外观影响的实验设计

从图3可以看出，随中涂喷涂流量增加，DOI基本不变，但LW逐渐增大，SW逐渐增大，CF逐渐降低，外观逐渐变差。主要是因为在相同旋杯转速及成型空气的条件下，流量越大，雾化的颗粒越大，颗粒中含有的水分和溶剂越多，漆膜越湿，从而产生流挂针孔等缺陷。从图3中还可以看出，喷涂流量达到250mL/min后外观急速下降，这是因为漆膜产生了流挂并伴有大量针孔引起的。

图3中涂喷涂参数对全涂层外观的影响

另外，随着中涂旋杯转速的增加，DOI变化较小，但LW逐渐增大，SW逐渐增大，CF逐渐降低，外观也是逐渐变差的。其中，当旋杯转速≤53kr/min时，随着转速的增加，DOI、SW基本无变化，LW、CF约变差2个单位；但当旋杯转速>53kr/min时，DOI、LW、SW、CF均明显变差。这主要是因为旋杯转速过高时，会使雾化颗粒中含有的水分和溶剂挥发较多，漆膜过干而流动性变差，进而导致漆膜的橘皮外观变差。所以，根据涂料特性和现场施工环境，设置合理的喷涂参数，才能达到既保证漆膜有效脱水，又保证漆膜良好流平的目的。

2.2面漆配方及施工工艺对漆膜外观的影响

汽车不同的颜色以及闪烁效果主要由面漆提供，面漆是汽车涂料不可或缺的一部分。如前面所说，对于水性3C1B工艺，水性中涂与水性面漆之间湿碰湿接触，所以面漆的干湿程度、流平也是影响漆膜外观的重要因素。下面，本文将从面漆的原料配方及施工工艺两方面对水性3C1B白实色涂料的外观改进进行研究。

2.2.1配方中溶剂对面漆漆膜外观的影响

水性面漆的漆膜流平、干湿程度、水性面漆与水性中涂湿碰湿工艺下的兼容性等都会对3C1B水性漆外观造成直接的影响。在保证中涂、色漆兼容性的前提下，在水性面漆中添加甲基吡咯烷酮、聚丙二醇，以改善流平性，进一步改善外观。

第一组实验为3C1B水性白实色面漆配方中添加质量分数分别为面漆配方总量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的甲基吡咯烷酮，第二组实验为3C1B水性白实色面漆配方中添加质量分数分别为面漆配方总量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的聚丙二醇，黏度均调整至60mPa·s，然后配套3C1B水性白中涂及清漆，喷涂水性3C1B白实色汽车涂料全涂层，测试涂层的LW、SW、DOI、CF等数据，以评估甲基吡咯烷酮、聚丙二醇对漆膜外观的影响，结果如图4所示。x轴为溶剂添加比例，y轴为面漆改进配方与原配方的外观数据的差值。

由图4可知，随甲基吡咯烷酮的加入，LW降低1~4个单位，SW降低0~2个单位，CF提高2~9个单位，面漆漆膜流动性逐渐变好，外观得到提升。在1.2%时外观最好，随后逐渐下降。主要是因为甲基吡咯烷酮沸点较高，在漆膜烘干过程中挥发速度慢，少量加入时可以提高漆膜流动性，从而提升外观，但随着加入量逐渐增大，漆膜过湿，在湿碰湿工艺下，中涂层与面漆层之间发生咬合，相互渗入，从而引起外观变差。

图4面漆中添加不同比例的甲基吡咯烷酮及聚丙二醇后对全涂层外观的影响

聚丙二醇作为小相对分子质量树脂，加入面漆后可以提高漆膜的流动性，所以面漆中添加聚丙二醇对外观也有一定提升，LW降低1~5个单位，SW降低1~3个单位，CF提高2~8个单位。随加入量增加，外观逐渐变好，但在达到1.2%加入量后外观便基本保持稳定。

2.2.2面漆施工工艺对漆膜外观的影响

如前所述，施工工艺对漆膜的干湿程度有很大影响，所以也是影响漆膜外观的主要因素。针对3C1B水性白实色面漆，共设计了10组实验（详见表1），然后配套3C1B水性白中涂及清漆，喷涂水性3C1B白实色汽车涂料全涂层，测试涂层的LW、SW、DOI、CF等数据，研究喷涂参数对漆膜外观的影响，结果如图5所示。x轴为喷涂参数，y轴为外观数据差值（旋杯转速实验以38000r/min时的外观数据为基准、喷涂流量实验以250mL/min时的外观数据为基准）。

从图5可以看出，随面漆喷涂流量增加，DOI增大，LW逐渐降低，SW逐渐降低，CF逐渐升高，外观逐渐变好。在流量达到350mL/min后，外观基本稳定，继续增大流量，漆膜的抗流挂和抗针孔能力会逐渐下降，由此可以得出，在保证外观合格的情况下，喷涂流量不宜设置过高。

图5面漆喷涂参数对全涂层外观的影响

另外，随着面漆旋杯转速的增加，DOI变化较小，LW逐渐降低，SW逐渐降低，CF逐渐升高，外观也逐渐变好。在旋杯转速达到53kr/min后，外观基本稳定。旋杯转速越大，漆膜的流动性也会逐渐变差，旋杯的故障率也会增大，所以，在保证漆膜有效脱水的前提下，旋杯转速不宜设置过快。

2.3影响漆膜外观的主要因素分析

由以上实验结果可以看出，调整水性中涂和水性面漆的原料配方和施工工艺都会对3C1B水性涂料的外观产生影响，不过面漆配方的调整对外观的影响更大，而且面漆对施工工艺的容忍度也更好，喷涂参数的改变并未引起流挂、针孔等漆膜缺陷。如前所述，对于水性3C1B湿碰湿工艺，漆膜的干湿是影响漆膜外观的重要因素，而漆膜的干湿，可以直观地通过施工黏度来表现。所以，最终筛选出3个关键因素，即面漆添加聚丙二醇、面漆调整旋杯转速、面漆改变施工黏度，进行DOE实验设计，以找出影响漆膜外观的主要因素。具体设计方案及实验数据如表2所示，不同影响因子对全涂层外观的影响见图6。x轴为影响因子，y轴为外观数据均值，4张图分别对应不同影响因素改变对DOI、LW、SW、CF的影响。

表2 DOE实验设计及结果

从图6可以看出，面漆黏度的改变造成外观评价指标DOI、LW、SW、CF的变化幅度最大，是影响漆膜外观的最主要因素；面漆中添加聚丙二醇对SW的影响较大，对其他指标的影响较为均衡，是次要影响因素；面漆旋杯转速的调整对外观的影响相对弱一些，但也是影响漆膜外观的关键因素。

图6不同影响因子对全涂层外观的影响

基于以上实验数据，在汽车涂装厂，在线验证了以上影响因素对漆膜全涂层外观的影响。使用面漆添加聚丙二醇、面漆调整旋杯转速、面漆改变施工黏度3种调节手段，共在线喷涂了30台车身，并收集了4个车门、引擎盖、行李箱盖的外观数据。数据显示LW、SW提升约2个单位，CF提升约4个单位，因此无论是平面外观还是里面外观，通过涂料配方调整和施工工艺调整都可以使外观得到显著提升，极大地改善了外观合格率，提高了生产效率。

3、结语

水性涂料3C1B涂层外观的改进需要从原料配方和施工工艺两方面着手优化。同时，在不同涂层中，水性面漆对漆膜整体外观的影响最大。配方的干湿及喷涂雾化后的干湿对漆膜流平、流挂等影响较大，进而影响漆膜的外观表现。所以，需要结合涂料特性和现场施工环境，设置合理的喷涂参数，保证漆膜良好流平，才能够获得优异的外观。材料配方和施工工艺合理搭配，才可以高效稳定施工，生产出高质量的产品。

本文来源：2019年《涂料工业》第12期