商用车工程货箱的环保节能型涂装工艺

荣光，黄庆，李永利，魏吉祥，师丽娜，袁振亮，谢福伟

（1.武汉材料保护研究所有限公司，湖北 武汉 430040； 2.成都大运汽车集团有限公司，四川 成都 610105）

随着商用车消费群体的年轻化，用户对商用车的质量要求日益提高，在重视驾驶室涂装质量的同时，对所搭载的工程货箱涂装质量也提出了更高要求。国家环保政策日趋收紧，同时还要控制生产成本，因此需要对工程货箱的低成本环保型涂装新工艺进行研究，以替代原高能耗、不环保的涂装方式。工程货箱传统工艺为手工溶剂除油后进行溶剂型涂料喷涂，该工艺的缺点在于生产节拍长，同时溶剂型除油剂的挥发与溶剂型涂料的配套使用会导致VOC(挥发性有机化合物)排放超标。本文选用常温无磷薄膜前处理与高泳透力阴极电泳涂料配套，在电泳涂层基础上用高固含色漆进行喷涂，利用新工艺的低能耗及环保性对工程货箱传统工艺进行替换，同时实现了工程货箱涂装质量的提升。

1 工艺方案及其验证

1.1 材料选型

1.1.1 涂装前处理材料的选型

涂装前处理工艺的设计目标为低能耗常温工艺，脱脂温度需由传统的45 ～ 55 °C降低至常温。新工艺改变原有乳化型脱脂剂由外至内进行反应的模式，选用渗透型脱脂剂令油污从基材表面剥离，从而达到在常温下去除油污的目的[1]。为此，选用薄膜前处理代替原使用温度为38 ～ 42 °C的磷化工艺。薄膜前处理与磷化相比具有使用温度低、沉渣少、不含磷及有害重金属、可共线处理多种板材的优点，对电泳涂装的生产成本及含磷废渣、废水处理成本的降低起到巨大作用。

1.1.2 电泳及中涂、面漆材料的选型

金属基材上的薄膜前处理膜层较磷化膜薄，膜电阻较低，配套传统电泳涂料处理后内腔和夹层电泳漆膜的厚度会降低，导致工件防腐蚀效果不佳。由图1可见，工程货箱具有内腔多、结构复杂等特点。 因此，薄膜前处理需要与高泳透力电泳漆配套使用才能保证在内腔及夹层漆膜厚度达到质量要求的同时，又能控制好外表面的漆膜厚度，既确保节能降耗，又保证工件的涂装质量稳定。为响应国家对VOC排放限制的政策，选用高固中涂和面漆在电泳后对货箱进行喷涂。

图1 工程货箱的外观结构 Figure 1 Appearance of cargo body of a commercial vehicle

1.2 工艺流程

工程货箱尺寸较大，根据生产线实际情况，采用尾板、边板及背板为单位散件上线进行涂装前处理和电泳。电泳烘干后焊接组装，再整体在面漆涂装线上进行中涂和色漆喷涂。在上电泳线前对锈蚀或氧化皮较重的部位进行抛丸处理，并在货箱中部开设少量工艺孔，以便涂装前处理和电泳时排液。选用PA系列无磷脱脂剂以及SA系列薄膜前处理剂配套DE系列高泳透力阴极电泳材料对工程货箱进行涂装。

如表1所示，涂装前处理工序采用常温工艺进行处理，同时用薄膜前处理代替磷化处理。预脱脂和脱脂由原40 ～ 50 °C降低至常温，磷化换成薄膜前处理后使用温度由38 ～ 42 °C降至常温，极大降低了生产能耗。

表1 涂装前处理及电泳线的工序及温度控制要求 Table 1 Procedure and temperature control requirements for pretreatment and electrocoating

1.3 试验验证

1.3.1 脱脂除油效率的测试

以工程货箱所用材料制作规格为100 mm × 50 mm的试板，在25 ～ 50 °C的温度区间内每隔5 °C做一组脱脂试验。将试片浸泡在PA30脱脂工作液中，每分钟摆洗20次，4 min后取出水洗，随即在(120 ± 10) °C下烘干。除油效率用称重法计算。分别称量出试片脱脂前及脱脂后的质量(分别记为m1和m2)，用无水乙醇、丙酮将脱脂后的试片擦净后，放入烘箱中以(40 ± 2) °C烘干，再放入干燥器中达到恒重后取出，最后在精度为0.1 mg的电子天平上称重，此时试片的质量记为m3。除油效率η= [(m2-m3) ÷ (m1-m3)] × 100%。

1.3.2 薄膜前处理试验方法

将预先脱脂好的试片置于SA系列薄膜前处理工作液中，每分钟摆洗20次，3 min后取出水洗，然后用DE系列高泳透力电泳漆进行电泳，(170 ± 5) °C下烘干30 min，漆膜厚度控制在(18 ± 2) μm。电泳涂装后的附着力、耐冲击性及耐盐雾性能分别根据GB/T 1720-1979《漆膜附着力测定法》，GB/T 1732-2020《漆膜耐冲击测定法》和GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》检测。

1.3.3 面漆试验方法

对电泳试板进行喷涂，检测面漆的附着力、硬度、光泽、鲜映性、柔韧性及耐冲击性。

2 结果与讨论

2.1 涂装前处理工艺对电泳质量的影响

2.1.1 脱脂的影响

脱脂是整个涂装工艺的关键工序，脱脂效果的优劣会直接影响电泳质量，甚至对面漆涂装质量造成影响。因此，根据新工艺的要求对脱脂剂进行重新选型，在除油效率满足质量要求的前提下令脱脂槽液的使用温度降低。

由图2可见，采用中温脱脂剂时槽液温度降低会令除油效率大幅度降低，不能满足质量要求。中温及常温脱脂剂混合使用，既可以对油污起到渗透剥离作用，又可以保证脱脂槽液温度降低后仍能保持较高的除油效率。

图2 中温单独使用和与常温脱脂剂混用时的除油效率随温度的变化 Figure 2 Variation of degreasing efficiency with time when using moderate-temperature degreasing agent individually and in company with room-temperature degreasing agent

2.1.2 薄膜前处理的影响

由于反应原理不同，板材经过薄膜前处理后生成的膜层与磷化膜之间存在较大差异。由表2可见，薄膜前处理与磷化两种方式所得膜层在外观上有明显不同。薄膜前处理膜层虽然比磷化膜薄，但与电泳配套后漆膜的附着力、耐冲击性及耐盐雾性没有下降，仍能满足质量要求。

表2 磷化与薄膜前处理的性能对比 Table 2 Comparison of properties between phosphating and thin film pretreatment

2.2 新型电泳工艺对电泳质量的影响

电泳漆的泳透力是指电泳漆在电场的作用下使被涂物背离阳极的部位(工件凹面、缝隙或密闭空腔等处)上漆的能力和程度。沉积在工件上的湿膜阻抗越大，泳透力越高。但薄膜前处理膜层薄、阻抗小，会使泳透力下降，内腔漆膜厚度降低，进而导致工程货箱的夹缝、内腔等部位的防腐蚀能力差。因此需要用泳透力较高的电泳漆与薄膜前处理配套。用四枚盒法分别对普通型和高泳透力型电泳涂料进行泳透力检测。

由表3可见，磷化与普通电泳配套时泳透力基本维持在40% ～ 50%区间，但薄膜前处理与普通电泳涂料配套后泳透力明显降低，存在质量隐患。只有薄膜前处理与高泳透力电泳漆配套，泳透力才能稳定在较高水平。因此选用DE高泳透力电泳漆替代原PD普通电泳漆。

表3 电泳漆泳透力试验结果 Table 3 Throwing power test results of different electrodeposition paints

2.3 新型面漆工艺对质量的影响

由于国家环保政策的收紧，对于VOC排放标准日趋严格，未经处理的普通溶剂漆VOC排放已不能满足目前的环保要求，因此需要用新型涂料替代传统的溶剂型涂料。目前主流的替代产品为高固涂料和水性漆两种，但水性漆存在人工施工质量不稳定，作业环境要求严格以及设备改造投入较大等难点，因此结合现场实际而选择以高固涂料替代原普通溶剂型涂料。在上述改进工艺制作的电泳试板上分别用高固涂料与普通溶剂型涂料进行喷涂，检验喷涂后漆膜的各项性能。

由图3可见，高固涂料喷涂后的外观与原漆喷涂后一致。由表4可知面漆替换成高固涂料后，漆膜的各项性能与原溶剂型涂料相比并未降低，依然能满足质量要求。因此，新工艺中面漆可选用高固涂料进行喷涂。

图3 原溶剂型面漆(a)与高固面漆(b)喷涂后的外观 Figure 3 Finishes of original solvent-based topcoat and high-solid-content topcoat

表4 面漆性能检测结果 Table 4 Property test results of topcoats

3 工艺实施

对现场设备进行研究，设计适应新工艺的设备改造方案，完成原设备的改造后对涂装工艺进行切换，详见表5。

表5 设备改造项目 Table 5 Equipment reformation items

通过在脱脂槽中增设磁棒去除游离铁屑，同时设计逆向补水工艺，在提高了水洗槽液洁净度的同时，也减少了杂质离子对薄膜前处理的污染。水洗3至纯水2的逆向补水工艺也能有效降低前处理各工序杂质对电泳槽的污染。连续少量的溢流工艺极大减轻了污水处理的压力，并能延长水槽换水周期，减少工业水用量。

4 结语

薄膜前处理工艺及高泳透力电泳涂料配合高固面漆作为一种商用车工程货箱新型涂装工艺，在保证质量的前提下，将原有工程货箱涂装的含磷、重金属等环境不友好元素用符合环保政策的元素进行替代，同时用高固涂料取代原溶剂型涂料，降低了VOC的排放，使经处理后的废水、废气达到了国家环保政策要求。涂装前处理利用新产品、新工艺进行的常温化改造还降低了生产成本。