外饰喷涂件用基材与底漆特性对橘皮的影响

李欢欢，韩静超，高成清，张立涛，孙肖，朱永轩，李亮亮，李钊，刘奎印

（诺博汽车系统有限公司，河北 保定 071000）

橘皮是涂装的常见弊病之一，它直接影响到产品的外观效果。橘皮缘自复合涂层涂装时各层平整度的“叠加效应”，因此橘皮质量控制贯穿了涂料开发及涂装的全过程。当前的橘皮改善措施多从面漆层着手，如增大喷涂流量、降低干燥速率等，但收效甚微，不但增加了喷涂成本，而且易导致流挂、痱子等其他漆膜弊病。因此，先对橘皮影响因素展开系统性的研究，再来制定改善对策，对产品外观的提升才会起到事倍功半的效果。

本文重点从底漆的粗糙度、底漆的流平性、基材的耐溶剂性等方面对橘皮的影响和相关的橘皮防治方法进行分析和讨论。

1 基本定义

1.1 粗糙度

粗糙度是衡量表面平整度的一个重要指标。在汽车行业中，粗糙度是车身涂装工艺中重要的评价指标之一，监控对象为车身钢板与电泳漆膜，测量评价参数优先选用Ra(轮廓算数平均偏差)，必要时可采用Rz(微观不平十点高度)、Ry(轮廓最大高度)及RPc(轮廓尖峰数)等其他参数进行辅助评价[1]。乘用车厂基于对外观的高要求，将钢板的粗糙度Ra控制在小于1.2 μm(取样长度0.8 mm，下同)，电泳漆膜表面Ra控制在小于0.3 μm。

粗糙度属于过程控制特性，需要选取在涂装现场的产品进行测定，此次研究选用德国霍梅尔T系列便携式粗糙度仪。为了降低测量误差，特选取平面造型的测试产品且在静止状态下进行测量。

1.2 溶解度参数

溶解度参数为内聚能密度的平方根，不但可衡量物质分子间吸引力，也可以表征物质之间的溶解性。

对于由高聚物和有机溶剂组成的混合体系，若二者溶解度参数差值的绝对值控制在1.5以内，则高聚物能被溶剂所溶解。

在配方设计时，为了获得比较理想的涂料溶解和喷涂效果，通常选用多种溶剂进行混合，混合后稀释剂的溶解度参数δmix可按式(1)计算。

式中φi和δi分别为第i个组分的体积分数和溶解度参数，n为组分数。

在涂料配方设计过程中，溶解度参数常作为选择树脂与溶剂的参考指标，涂料用树脂与基材塑料的溶解度参数要尽量接近，以保证二者之间的结合性能。而混合溶剂除能溶解涂料树脂之外，与塑料溶解度参数的差值要尽量大，以保证PC(聚碳酸酯)或PC+ABS(丙烯腈−丁二烯−苯乙烯共聚物)产品涂装时不发生烧底缺陷[2]。

2 基材影响橘皮的因素分析

2.1 基材平整度对漆膜橘皮的影响

外饰涂装件常用材料有PP/EPDM(聚丙烯/乙烯−丙烯−非共轭二烯烃三元共聚物)和PC+ABS两种，前者用于汽车前后保险杠及下装饰板成型，后者用于导流板、前格栅、窗框饰板等产品的成型。当前笔者所在公司外饰喷涂件模具的抛光要求为1 000目，依据表1，注塑毛坯件表面粗糙度Ra远小于0.1 μm，比照车身钢板粗糙度的要求，平整度更优，完全满足喷涂要求，故本文不针对涂装前基材的粗糙度影响进行讨论。

表1 注塑模具抛光等级与毛坯件表面粗糙度的关系Table 1 Relationship between polishing grade of injection mold and surface roughness of blank part

2.2 基材类型对漆膜橘皮的影响

选取可可棕、马尔斯红2种颜色，匹配同样的底漆、清漆，垂直悬挂2个不同材质的产品进行喷涂，橘皮测量结果见表2。PC+ABS材质产品的长短波均高于PP材质产品，尤其是短波。究其原因：PP与PC+ABS基材的喷涂过程中涂料的作用机理不同。PP基材上发生了溶剂对基材的常温溶胀作用，而对于PC+ABS材质，则是溶剂对基材产生了溶解作用，造成了分子链段的不规则运动，从而使基材平整度变差，短波橘皮尤其明显。

表2 不同材质产品共线涂装的橘皮数据Table 2 Orange peel data for the products of different materials in the same spraying line

2.3 基材耐溶剂性改善对漆膜橘皮的影响

PP为非极性结晶态高聚物，塑胶涂料中的溶剂大部分为极性溶剂，依据“相似相溶”原则，非极性物质只溶于非极性溶剂，溶剂对PP基材的溶解程度极小，因此下面只针对PC+ABS材质进行改善，并确认改善后的橘皮情况。

通过添加聚酯类抗开裂剂到当前的PC+ABS中，由于该组分耐化学品性好，因此能有效阻隔溶剂对基材的过度腐蚀。采用专用试剂(醋酸乙酯与正丁醇的体积比3∶1)擦拭后观察，改善前后的耐腐蚀效果见图1：改善前表面凹凸不平，有裂纹出现；改善后表面平整，无其他明显变化。

图1 PC+ABS产品改善前(a)、后(b)的耐溶剂性对比 Figure 1 Comparison in solvent resistance of PC+ABS product before (a) and after (b) improvement

随机选取汉米尔顿白、施华洛兰2种颜色，匹配相同的底漆、清漆，共线垂直悬挂喷涂不同材质的2个产品，橘皮测量结果见表3。可知基材耐溶剂性得到改善后橘皮改善效果提升明显，尤其是短波。

表3 PC+ABS改善前后导流板橘皮的变化Table 3 Variation of orange peel on PC+ABS deflector before and after improvement

综上，开发喷涂用PC+ABS材料时，将耐溶剂性与涂装后橘皮质量作为定厂的2项重要参考指标，可有效规避后期外观质量风险。

3 底漆影响橘皮的因素分析

3.1 稀释剂溶解性对PC+ABS产品喷涂橘皮的影响

2.3节提到，通过提升基材抗腐蚀性可以改善橘皮质量，同样也可以运用溶解度参数理论，通过调整底漆稀释剂来降低对基材的溶蚀，达到相同的效果。常见材料的溶解度参数调研结果见表4，底漆稀释剂调整前后的溶解度参数见表5，调整前后施华洛兰色的橘皮变化见表6。

表4 常用塑料的溶解度参数Table 4 Solubility parameters of commonly used plastics

表5 底漆稀释剂调整前后的成分对比Table 5 Comparison in composition of primer thinner before and after improvement

表6 底漆稀释剂调整前后橘皮的变化Table 6 Variation of orange peel before and after improvement of primer thinner

由表4得出PC+ABS基材的溶解度参数为9.6 ~ 11.2 (J/cm3)1/2，取中值10.4 (J/cm3)1/2，参照表5的底漆成分，按式(1)计算出调整前底漆稀释剂的溶解度参数为9.2 (J/cm3)1/2，与基材相差1.2 (J/cm3)1/2。调整后底漆稀释剂的溶解度参数为8.7 (J/cm3)1/2，与基材的差值为1.7 (J/cm3)1/2，可见调整前底漆稀释剂的溶解度参数与PC+ABS基材更接近，说明原底漆稀释剂对PC+ABS基材的腐蚀更强，故外观橘皮质量较差。

3.2 底漆成膜粗糙度的影响

为了保证与车身涂装同样的装饰性和保护性，汽车塑料件涂装一般为三层配套体系：底漆、底色漆、清漆。其中底漆主要是保证与塑料件的结合力，另外也对塑料件外表面不平整的地方(因注塑、打磨等造成)起到填平作用。目前汽车塑料件常用底漆主要由热塑性丙烯酸树脂、附着力促进剂、炭黑、钛白粉、沉淀硫酸钡、助剂和溶剂组成，颜基比高，细度控制要求较低，这决定了底漆本身就具有一定的粗糙度。

以PP/EPDM-T20材质保险杠为对象，选取同一种底漆，匹配不同干燥速率的稀释剂，喷涂工艺不变，形成不同粗糙度的底漆漆膜，然后喷涂相同的色漆(炫晶黑)、清漆，漆膜橘皮测试结果见表7。降低底漆漆膜的粗糙度能明显降低长短波，尤其是短波。将底漆表面粗糙度控制在0.4 μm以下，就可以最大限度地降低其对橘皮的影响。

表7 底漆粗糙度对橘皮的影响Table 7 Effect of roughness of primer on orange peel

底漆的粗糙度与流平性关联较大，一般把降低稀释剂的干燥速率作为提升流平性的重要措施，但如果稀释剂过于慢干，湿膜的电导率就会增大，旋杯喷涂的上漆率降低，对外观颜色及漆膜性能产生负面影响。因此要平衡好底漆稀释中不同沸点溶剂的搭配比例，降低前期挥发速率，加快后期挥发，保证喷涂过程不干喷，漆雾回溶性好。

3.3 底漆黏度、膜厚的变化对橘皮的影响

降低底漆黏度，涂料分子间相对其自由流动所产生的内摩擦力减小，底漆的流动能力增强，对改善橘皮有利，但同时流挂的风险增加。底漆膜厚的增加有利于缩短流平时间，使漆膜平整度更好，但又会引起收缩的负面效应，导致底漆与基材之间的结合力被削弱。因此，一般依据涂料供应商推荐的底漆膜厚范围进行喷涂。

4 结语

实施橘皮质量的改善必须考虑各方面的因素，而底漆与基材质量的控制往往容易被人忽视。以上研究表明，降低底漆粗糙度(小于0.4 μm)、改良底漆稀释剂对基材的腐蚀程度等措施对橘皮(尤其是短波橘皮)的改善效果突出，证明了底漆与基材是影响短波的重要因素。后期色漆层、清漆层对橘皮的影响研究也需要对标本文的思路开展，综合分析，才能不断优化漆膜的外观效果。