汽车制造业塑料的表面处理浅析

零点

在汽车制造流程中，塑料表面处理技术作为确保产品外观质量的重要工序之一已不可或缺。随着以塑代钢趋势的不断深入，这一技术正引起汽车制造商的广泛关注和重视。
0 ~/ U9 ]- z+ I0 ^来自不同侧面的信息表明，可在线处理、处理效果好、成本低、节能环保以及可监控性强的表面处理技术将受到欢迎。
通常，汽车的内、外饰件（如仪表盘、保险杠等）在被喷涂、植绒或粘接前，需要先对其进行表面预处理，以提高塑料零部件的表面性能，从而确保部件在喷涂、植绒或粘接后的长期稳定性和可靠性。塑料表面处理的方式有多种类型，不同的材料、不同的产品或者不同的加工制程需要采用不同的表面处理工艺。
过去在对内、外饰件进行喷涂前，通常采用喷淋式表面处理工艺。该工艺是通过化学处理的方式去除塑料件表面的油污、脂类和异物等，以确保制品获得良好的喷涂性。这种方法实际上是参考了车身涂装前的表面处理模式，即：预脱脂—脱脂—水洗1—水洗2—循环纯水洗—新鲜纯水洗—烘干。这样设计的表面处理工艺通常要求投入整条前处理生产线，不仅设备投资较大，而且在日常的生产过程中，要求对工艺参数、条件及槽液等进行经常性的调整，还要对设备进行经常性的维护保养。这些烦琐的管理项目不仅增加了工作负担，而且增加了管理难度，其效率极为低下。更重要的是，这种表面处理工艺使水和电的消耗量极大，大量的废水排放和能源消耗不仅使生产成本居高不下，而且不利于环保。
) g, k: O6 T% u# M- K, H目前，广州本田主要生产4个系列的车型，包括：本田雅阁、奥德赛、飞度和思迪。为确保整车涂装品质的一致性，该公司将内、外饰件的涂装工序纳入公司内部的生产流程中。广州本田针对自身产品特点，自制了用于大型塑料件（主要是保险杠和仪表盘）的涂装生产线，该生产线在早期设计阶段就充分考虑了涂装前的表面处理工艺。针对目前的两条涂装生产线，该公司都是采用“溶剂擦拭加吹扫”的表面处理方式，不仅简单易行，而且经济可靠，自生产线投产以来，一直处于较稳定的良好运行状态，涂装合格品率也一直保持较高水平。鉴于此，几年前日本本田公司也停用了使用多年的喷淋式前处理生产线，改为“溶剂擦拭加吹扫”的表面处理方法。
; l8 I$ C0 _3 x  ]* }! `相比之下，作为零部件企业的江南模塑科技股份有限公司采取的则是“水冲洗+火焰处理”的表面处理方法。据说这是目前国内汽车制造企业在喷涂生产线上普遍采用的一种表面处理方法。就处理效果而言，这种方法较好地满足了喷涂工艺的要求。
3 b4 p5 X2 p& u  c" i2 z- {作为国内最大的汽车外饰系统的制造及开发供应商之一，江南模塑的核心产品包括：前、后保险杠总成、门槛总成、门防擦条总成、扰流板总成以及格栅总成等，主要为SGM、SVW、武汉神龙、华晨金杯、华晨宝马、北京奔驰和奇瑞汽车等配套。2007年，该公司为整车厂配套了大约120万套的保险杠，约占国内乘用车市场40%的份额。
针对不同客户的需求，江南模塑主要采用两种不同的喷涂油漆系统，即高温烘烤油漆系统和低温烘烤油漆系统。高温烘烤是采用单组分或双组分的清漆，在喷涂完成后，产品在120℃的条件下进行30min左右的烘烤。低温烘烤则是使用双组分油漆，在喷涂完成后，使产品在85℃的条件下进行30min左右的烘烤。为保证油漆的附着力，在喷涂前，首先要对塑料部件进行强力水冲洗，以使表面得到脱脂和清洁，然后由火焰处理机器人对塑件表面进行1200℃左右的火焰瞬时处理，以提高表面活性，满足最终的油漆附着要求。经上述表面处理后，即对产品表面进行涂装。
4 N, \2 N7 {( L! E- C据江南模塑研发中心介绍，对于采用TPO类材料的汽车保险杠等塑料部件而言，江南模塑采用“强力水冲洗+火焰处理”的表面处理方法，很好地满足了国内中高端汽车厂商对汽车外饰零部件在外观和性能等方面的严格要求，同时也满足了大批量生产的要求，产品的喷涂合格率及生产效率一直保持在很高的水平。由于生产效率及合格率的提升，使得产品的成本控制与国内外同行相比，处于较高水平。但是，这种表面处理方法的缺点是前期设备投资较大。此外，在预处理时，需要使用较大量的水，污水处理的费用较高。因此，作为汽车配套厂商，他们非常希望采用更环保、更节能以及效果更佳的表面处理技术，以满足汽车制造业对环保、质量及成本日益提高的要求。
实际上，就汽车工业发达国家的情况来看，近年来伴随着车用塑料材料种类的日益增多、汽车设计理念的不断进步、对产品品质的精益求精以及节能环保呼声的日益高涨，汽车制造商们对表面处理技术也有了更多、更高的要求。他们在选择表面处理技术时，通常要考察以下因素：
2 O1 c, o; T0 d9 v# e+ x; Z1、表面处理效果如何？是否能满足后续工艺的要求？
2、可否实现“在线”处理？表面处理装置的处理速度是否与既有的工艺速度相匹配？
1 J1 V5 [! l7 k& n. D  U3、表面处理工艺的稳定性、可控性和可重复性如何？其运行效果是否会受到环境或者操作人员操作技能的影响？
4、工艺的安全性和环保性如何？废弃物的处理成本是否很高？
% r. m  I2 E: O2 X, i9 s$ \5、在表面处理的过程中，可否对工艺过程进行监控？
6、表面处理技术的投资成本如何？
基于上述要求，近年来塑料的表面处理技术日趋成熟，新的技术被越来越多地应用于汽车制造流程中，其作用已不仅仅是满足了涂装、植绒或粘接前的工艺要求，而是在一定程度上促进了汽车制造业对新材料的创新使用。
德国等离子处理技术有限公司（Plasmatreat）上海代表处对此解释说，由于大多数塑料材料的表面张力很低，因此过去的很多设计往往是迁就材料，只要在经过一定的表面处理后表面能达到了喷涂或粘接等工艺的要求，就优先考虑使用这种材料。近年来，成本和材料的使用特性等则日益成为产品设计的主导因素，从而使汽车制造商们开始将眼光投向了更多的塑料品种。目前，PP、PC、ABS、SMC、各种弹性体以及各种复合材料等已在汽车制造中得到了广泛应用。在这种情况下，不仅要处理好同一材料部件之间的相互粘接问题，还要解决好不同材料部件之间的相互粘接问题，而以往的表面处理方法显然难以满足这一加工制程的要求。
此外，伴随着环保型水性涂料对溶剂性涂料的大量取代，传统的表面处理方法同样受到了新方法的挑战。根据水性涂料的特点，如果经表面处理后的表面能只有40mN/m左右，则材料根本不能被水完全润湿。为了确保喷涂效果达到设计要求，此时高效的素材表面处理就显得十分重要。
就表面处理效果而言，目前所有的表面处理方法中，氟化处理的效果是最好的，它能使材料获得永久粘接力。但是，这种方法会产生大量的有害气体，对废气的处理成本令大多数汽车厂商难以接受。加之该技术的市场准入门槛较高，因此很少有厂商使用这种方法，除非是针对一些极高要求的应用。
- C; m# ^' C* `0 X5 x值得欣慰的是，目前一些新的表面处理技术在处理效果、操作的经济性和环保性等方面为汽车制造商们提供了新的选择。例如，Europlasma公司推出的真空等离子处理技术就是一种既经济又环保的表面处理技术，并且经其处理后的部件表面可满足很多高标准的工艺要求。该技术是将一种环保型的处理气体导入到真空仓内，当仓内压力达到一定水平时，气体即在电磁放电的作用下转换成等离子。这些等离子可对三维工件表面进行均匀处理，从而使塑料制品的表面能得到明显提高。
2 W" L+ ?0 |  D- \* Q. j/ |测试表明，经真空等离子处理后的PE、PP、ABS和PBT+30%GF等材料的表面能分别由30mN/m、33mN/m、 35mN/m和35mN/m提高到了均大于68mN/m的水平。该技术采用的真空等离子设备实际上是一个承载箱，它有多处穿孔，活跃的等离子可由此穿过与工件表面发生反应。对于保险杠等大型汽车部件而言，一种带有自动门的大型真空等离子处理设备可一次同时处理6个保险杠，并且具有很强的可再现性。与火焰+底涂技术相比，该处理方法可使产品的合格率接近100%的水平，且成本仅为前者的1/3。
无独有偶，近年来，与真空等离子处理技术具有同样经济性、环保性及处理效果的另一种等离子表面处理技术，即Openair等离子表面处理技术也以其特有的优势而在欧洲的汽车制造业中盛行起来。由于该技术能够实现“在线”处理，因此减少了工艺步骤，避免了半成品的周转，从而最大程度地降低了成本，提高了良品率。
* ]. [9 [( g2 a$ _Openair等离子表面处理技术是10年前由德国的Plasmatreat公司首先提出并实现了商业化的应用。该技术的中文含义是“常压等离子表面处理技术”或者“大气压等离子表面处理技术”，在台湾，人们也称其为“大气压电浆技术”。常压等离子属于低温等离子的范畴，与同属低温等离子体系的真空等离子相比，其最大的区别是等离子体的产生是完全不同的。同时，这种常压等离子体对材料的处理是在普通的大气压条件下进行的，它不需要像真空等离子那样，一定要将被处理物放在一个密闭真空的柜体内进行处理。
% r. m/ \9 n8 H, y, x# B$ s8 }另悉，利用Openair等离子表面处理技术对制品进行表面处理，其主要作用是表面的“精细”清洗和“高效”活化。清洗的目的在于去除表面静电、粉尘和油污杂质，通过这种精细化的处理，能够使制品表面得到彻底清洁，哪怕是很微小的粉尘颗粒或者是“嵌入”在表面孔隙结构中的油污都能够被彻底的清洗掉。活化的目的在于对塑胶材料的表面进行化学改性，增加其表面张力。当制品表面在经过“高效”活化处理后，其表面张力能够达到极高的水平，一般可达到72mN/m，这是能够被水完全润湿的表面能水平。与传统的表面处理工艺相比较，Openair等离子表面处理技术有其明显的工艺优势，具体而言主要包括：
1、不带电，可以处理各种材料和制品，包括金属或者带有电子元件的产品。
8 w/ x  k" q% L/ c+ M$ S3 u& L5 r# M2、温度低，因此也非常适合应用于那些表面材料对温度敏感的制品。
3、不需要箱体，可以直接安装在生产线上。
8 @6 J' U, O! n. l$ n4、只消耗空气和电，因此运行成本低，操作更安全。
5、不产生臭氧，没有化学污染物排放，符合环保规范的要求。
! I) _: ^) K; C6 m8 u2 ]9 n当然，该处理技术也有其局限性，比如对于非常复杂的、带有内凹形孔穴的表面，它的处理效果就不如真空等离子技术好。
目前，汽车及汽车零部件行业已成为Openair等离子表面处理技术最大的应用领域之一，从车灯、保险杠、挡风玻璃、车门、仪表盘和密封条到形形色色的汽车电子元件等，都有使用Openair常压等离子进行表面处理的成功案例。很多国际知名的汽车制造商通过引入该工艺技术，很好地解决了生产中的一些难题，例如：能够毫无顾忌地导入新材料，比如在车灯灯座或者车门上使用聚烯烃材料；进一步优化了制造工艺，使其更具环保性，如内饰件的水性涂装或者保险杠及车轮罩的免底涂作业等；提高了产品品质的可靠性，如汽车电子元件的耐环境封装；实现了工效的提高以及品质的工艺优化，如胶条的植绒以及玻璃的包边等等。
Openair常压等离子系统本身也随着应用要求的不断提高而不断得以进步。2008年，该公司还将推出新的5000系列产品。它除了保留LCM在线全过程等离子工艺监控等过程控制系统以外，还进一步增加了工艺设定的调整自由度，并且使系统对外界工况的适应性更加全面。此外，Openair常压等离子表面处理工艺还衍生出了一些新的工艺方法，比如PlasmaPlus等离子镀膜技术。利用这项技术，可以进行进一步的表面设计，也就是按照需要使表面具有“亲水”或“憎水”的特性。
6 X3 y0 ?- B5 R作为一项新技术的推广者，该公司一直致力于将这项先进的表面处理技术与国内汽车制造企业的工艺优化和工艺革新结合起来。目前，国内已有多家汽车零部件制造商、手机产品代工商、橡胶制品加工企业以及包装材料加工企业成功地将这项技术导入到了他们的生产流程中，不仅帮助他们提升了产品的品级，增加了良品率，而且还降低了加工成本。当前，该公司正致力于扩大该技术在相关各界，包括制造企业、原料供应商以及研究院等的广泛应用，以期最大程度地发挥其效用。
# x9 K5 i2 K7 V; g' N; h9 r: l$ M3 s文章关键词： 汽车、塑料、表面处理