免喷涂材料在汽车制造领域应用

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摘要:免喷涂技术的实际应用是一个涉及到模流分析、产品设计、材料组成、色彩处理、模具结构以及成型工艺等多因素的复杂工程问题。基于免喷涂技术产业化应用是一直以来都是学术界和工业界关注的重点。本文主要通过对免喷涂材料的发展历程、材料特点、汽车零部件领域的实绩应用情况以及实际应用过程中存在的主要问题进行综述，并对免喷涂材料的未来发展趋势进行了展望。

关键词:免喷涂;车用新材料应用;汽车零部件

当今汽车工业飞速发展，新材料和新工艺被汽车上应用的程度越来越广泛。以往汽车内外饰的塑胶产品通常会采用油漆喷涂工艺进行后处理，以保证良好的外观效果。然而，该工艺的工序繁杂，其处理过程对环境造成了很大的污染，且明显增加产品的制造成本。免喷涂材料是一种自带特殊色彩效果，经注塑、挤出、模压等成型后，无需涂装即可满足外观颜色装饰要求的热塑性材料。基于免喷涂技术的产品生产过程能够减少干燥、喷漆、后处理等环节，因而能有效减少加工环节、降低成本、降低能源消耗、控制环境污染［1－2］。更加重要的是，免喷涂材料能够实现100%直接回收再利用，减少了喷漆产品回收处理过程中需要分离热固性漆膜的工艺。随着汽车ELV法令的推出，要求更多的车用热塑性塑料能够直接回收处理，使得免喷涂工艺成为汽车内外饰应用的一大趋势［3］。免喷涂材料概念最初由沙伯基础(SABIC原GE)于2000年左右以VISUALFX@的商品名提出，主要是通过在聚合物基材中添加特殊颜料达到特殊的外观效果。然而由于注塑免喷涂产品的开发涉及到:特殊颜料选择、材料配方优化、模具和注塑工艺等多种要素，前期该产品的推广过程存在诸多问题，只是在吹塑、挤出或者是一些不注重外观的注塑小部件上应用。2008年锦湖日丽首次提出CMP一体化解决方案，整合了产品的色彩(color)、材料(material)、模具(process)为一体的产品开发模式。该模式的提出逐渐推动了色彩效果、材料体系、模具设计、工艺条件等方面与免喷涂技术的匹配性，从而进一步提升了免喷涂产品的应用范围［4－5］。近年来，包括LG化学、金发科技、会通、聚赛龙等企业先后针对免喷涂整体解决方案推出了各具特色的免喷涂系列材料。随着市场对于产品的多样化设计、绿色环保、低成本化的要求越来越高，工业界，尤其是汽车制造领域对于免喷涂技术及材料的关注度不断增加。对免喷涂材料在汽车制造领域的应用进行综述是非常有必要的。

1免喷涂材料在汽车制造领域方面的应用

汽车内外饰产品是免喷涂材料的重要应用领域，主要的应用零部件包括:汽车门把手、侧裙、防擦条、汽车车灯、保险杆下护板、格栅亮条、立柱外护板、汽车导航仪面板、排档器装饰件、后视镜壳体等［6］。汽车内外饰产品通常具有产品结构大，机械性能要求高、功能化要求高等特点，对于应用于汽车产品的免喷涂材料也提出了不一样的要求。颜色效果方面，车用材料以高光黑色、防金属银色以及哑光效果为主。

1.1高光泽免喷涂材料的应用。高光免喷涂材料在汽车上的应用主要集中在汽车前格栅、立柱外饰板、后视镜外壳等产品。目前，主要应用的材料包括:高光泽ASA材料、PMMA材料、PMMA/ASA合金和耐候级聚碳酸酯等材料等［7－8］。对这类产品的主要要求包括:高光泽(光泽度要求大于60°)，耐候(需满足氙灯老化和佛罗里达暴晒的要求)，耐冲击(满足格栅零件的低温落球冲击)等要求。具体不同材料类型制作高光产品的对比如表1所示。上海汽车集团股份有限公司技术中心李征等基于即冷即热成型工艺(RHCM)分别利用PC/ABS和PC材料制作了MG5的高光烤漆效果中央面板产品［9－10］。最终产品的外观效果、光泽度以及表面硬度等方面相对于常规工艺具有较大的提升。泛亚汽车技术中心有限公司赵颖等研究了PC材料在汽车高光格栅上的应用［11］。项目选择沙伯基础(SABIC)的聚碳酸酯(LEXANSLX系列)材料结合顺序阀进胶设计和即冷即热工艺制备了具有优异外观效果的格栅产品。依靠特殊的材料配方设计、模具结构设计和成型工艺高光免喷涂材料在汽车内外饰上的应用越来越多。零部件产品能够通过各个主机厂相应产品的耐光照、热老化、飞石冲击、耐刮擦、耐化学品性能等测试标准。

1.2金属效果免喷涂材料的应用。金属效果免喷涂材料主要是在树脂基材中加入不同形貌和外观效果的金属粉，从而实现类金属效果。汽车内外饰的金属效果主要是采用电镀和喷涂方式实现金属银效果为主。实际应用过程中，树脂基材的配方体系、金属粉的形貌、表面处理工艺、加工工艺等因素对最终产品的实现效果影响都非常大［12－13］。广州市聚赛龙工程塑料股份有限公司袁海兵等研究了不同形貌的金属粉对于聚丙烯树脂基材的外观效果及力学性能的影响［14］。结果表明，具有球形结构的金属粉体填充能够有效的改善产品的流痕溶解痕等外观缺陷。金属效果的免喷涂材料在汽车制造领域的应用主要涉及到外饰的侧裙、底护板、装饰条、内饰的车门把手、中控装饰条、仪表板等。广州汽车集团有限公司汽车工程研究院钟国留等人研究了金属效果聚丙烯材料在汽车侧裙上的应用性能［15］。通过Moldflow分析、材料配方设计、模具结构和加工工艺等方面的优化，实现了材料的加工性能、产品外观效果和产品的应用性能达到喷涂产品要求。该产品的免喷涂工艺实现对于缩短产品生产流程、降低环境污染、降低产品成本等方面都具有重要意义。诺博汽车系统高剑波等系统的分析了金属效果的聚丙烯材料在汽车保险杠产品上应用的可行性，以及该方案将具备的优势［16］。江铃汽车股份有限公司的刘倩等验证了免喷涂材料在汽车侧踏板端头上的应用，从产品结构、材料及工艺可行性和实验性能等方面研究了免喷涂材料的应用价值［17］。结果表明免喷涂材料在该产品上的应用能够有效的解决成型后产品表观和内部颜色一致长期使用过程中有掉色等问题。由于金属效果颜料与树脂基材之间的相容性，铝粉类颜料的热稳定性，以及颜料与树脂基材在模腔内的流动性能差异等问题，造成金属效果免喷涂材料在成型过程中极易产生流痕、熔接线、气纹、发暗等不良现象［18－20］。如何利用产品结构、材料配方、颜料优化、模具设计以及成型工艺等方面的协同效应，实现最终产品的免喷涂金属效果是当前免喷涂产品开发的研究重点。

1.3哑光效果免喷涂材料的应用。实际上，哑光效果的免喷涂材料已开始在汽车内饰上得到了大量的应用，例如，用低光泽PC/ABS生产汽车的转向柱上下盖、遮阳板、手套箱、副仪表板本体和B立柱安全带支架等;用PA/ABS生产仪表时钟罩、仪表罩、出风口面板和两侧盖板等;用低光泽ABS生产遮阳板、门板上装和门板拉手盒等。对于材料而言，为了实现产品的整体消光效果需要在材料中混入一定比率的不相融组分(例如，哑光级的ABS，PC/ABS等)，甚至做成两种或者多种相容性差的材料合金(PA/ABS合金，PBT/ABS合金等)［21］。利用材料表面不同成分的散射现象，结合产品表面的皮纹处理，最终实现制品的哑光效果。上海金发科技发展有限公司李欣达等先后研究了微交联SAM和ABS橡胶相大小对PC/ABS材料光泽度的影响［22－23］。结果表明，特殊的改性助剂结构以及材料中橡胶相的大小对于材料的光泽度影响较大。当ABS材料与结晶性树脂做成合金之后具有非常优异的哑光效果，能够满足汽车内饰产品的相应要求。浙江众泰汽车制造有限公司贺丽丽等［24］系统研究了影响内饰用聚丙烯材料光泽度的因素。结果表明，材料中滑石粉种类、添加量、树脂及增韧剂的类型以及产品颜色等均对最终制品的光泽度产生影响。特殊结构的消光剂也能够有效降低材料和最终制品的光泽度。哑光效果产品在外饰上的应用会让车身显得更加优雅、高贵，并能够更清晰地突出车身的轮廓;在内饰产品的应用可以减少驾驶员的视觉疲劳，提高驾驶的安全性。基于以上原因，哑光效果免喷涂材料在汽车内外饰上的应用将越来越广泛。

2免喷涂材料在汽车领域应用存在的主要问题

免喷涂材料经过多年的发展，工业界已经在大量的汽车内外饰的产品上开展了应用尝试，并取得了卓有成效的成果。然而，产品外观效果实现、产品表面的外观缺陷，材料的耐候性能以及材料的耐刮擦性能等关键性技术问题，依然是影响该工艺广泛应用的重点。

2.1外观缺陷。塑料在注塑成型过程中复杂的热力学历程，不仅影响免喷涂塑料颜料填充物的取向及分布，而且能改变树脂基体的结晶形貌，使得塑件产品的视觉效果变差［21］。Park等通过模流分析和实际注塑成型分析了金属铝颜料在产品成型过程的分布问题。结果表明，在正常流动区域产品无表面缺陷，当熔体经过孔、缝结构会产生熔接线，熔体在肋结构附近流动时，观察到铝薄片为不规则取向，试样表面显示出流线。在注射成型过程中，由于免喷涂塑料的颜料填充物与基材的相容性、流变性能热稳定性的差异，最终形成流痕、溶解线、气纹等外观缺陷。

2.2耐候问题。车用的常规喷涂产品由于有喷涂层的遮盖，不需要直接接受外界日光的直接照射，因此，对于材料没有具体的耐候要求。但是，当产品直接用免喷涂材料制作时，对材料的耐候要求则需要相应的提高［28］。通标标准技术服务有限公司张舒宁，中国电器科学研究院有限公司刘鑫等详细的研究了金属效果的聚丙烯材料在分别不同类型的自然暴晒试验场和3种典型的实验室人工加速老化试验条件下进行相关性研究和老化试验［29－31］。试验结果表明，对于免喷涂材料而言，自然暴晒和人工加速试验之间的相关性并不明显。老化试验之后材料的色差保持率较好，但是光泽度保持率并不理想。应用于汽车外饰产品的免喷涂材料的耐候性能除了与树脂基材、耐候体系的选择直接相关之外，同样的还与材料颜料体系的选择有重要关系。针对汽车主机厂对于外饰产品的耐候要求，对免喷涂材料的耐候性能进行系统研究是后续的重要研究方向。

2.3耐划伤性能。耐刮擦性能是免喷涂材料在汽车内外饰产品上替代喷涂工艺产品过程中需要解决的一个重要问题。当前，解决免喷涂材料表面耐刮擦性的主要方法是:一方面，在材料中加入特殊结构的耐刮擦助剂以提高材料的耐刮擦或者耐摩擦性能;另外一方面，引入即冷即热的成型工艺提高原材料的表面硬度和光泽度。金发科技林吉龙等以聚丙烯树脂为基体，研究了不同的分散剂和耐刮伤剂对于材料综合性能的影响［32］。结果表明，通过加入合适的颜料分散剂和耐刮擦剂能够有效解决了免喷涂产品各向异性的缺陷，实现各向同性的免喷涂美学外观，同时保证材料具有优异的耐划伤性，满足汽车行业对材料的耐划伤需求。

3结语

免喷涂材料极大地满足了汽车内外饰零件的绿色设计和降成本需求，是汽车制造领域的一个重要发展方向。在大量的研究基础之上，产业界已经在免喷涂材料在汽车零部件上的应用做了大量的尝试，并在许多典型的内外饰产品上形成了实际的产业化应用。尽管，当前针对某些特殊汽车内外饰产品的应用依然存在一定的局限性，但是，随着模流分析、产品设计、材料性能、模具结构、成型设备、工艺参数等相关技术的深入开发研究和技术升级，免喷涂材料在汽车领域的产业化应用会有更广阔的应用空间。

作者:罗宇 单位:菲亚特克莱斯勒亚太投资有限公司工程研发中心