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乘用车塑料漆膜耐磨性评价方法简析,简要介绍了乘用车塑料涂层耐磨性的检测必要性和重要性,中网信息,ChinaNews360.com
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乘用车塑料漆膜耐磨性评价方法简析,简要介绍了乘用车塑料涂层耐磨性的检测必要性和重要性
2020年03月10日    阅读量:1848    新闻来源:中网信息 ChinaNews360.com  |  投稿

0 引言

乘用车内、外部汽车塑料零件表面漆膜不单纯指油漆涂层,还涉及免涂装模内注塑技术IMD(In-moldDecoration)、模内镶件注塑IML(In-molding Label)、烫印、物理气相沉积PVD(Physic Vapor Deposition)等工艺,其最表层也是清漆保护层。


IMD、IML 工艺是把已完成装饰图案制作的膜片置于注塑模腔内,注塑和装饰同时在注塑机内完成, 操作简单、成本相对低廉;IML 相对于IMD,简言之就是多了一道膜片预成型工序。装饰后的零件表面膜片图案丰富,性能稳定,可以同型不同案, 非常适合汽车工业更新换代快的特点涂料在线coatingol.com


烫印和PVD 技术目前在乘用车上多用于替代电镀技术,模拟电镀效果。烫印是将膜片转印于零件表面,乘用车上通常使用铬膜或铝膜;PVD 是指在真空环境中将原子或分子转移到零件表面的过程,通常PVD 零件表面必须喷涂一层清漆予以保护。


这些工艺所制作的零件表面漆膜不仅要求具有优良的装饰性———色彩、图纹、触感,更重要的是其本身应具有的功能性:抗刮擦、耐化学性、耐候性、透光性、遮蔽性、抗紫外等, 这些均取决于漆膜的性能。


随着乘用车行业的不断发展,环境的不断变化,漆膜的性能也在不断改进。跟随这样的变化, 有效的性能评价方法也在不断改变,力求模拟出最接近于真实环境的状态,从而有效地优选出最合适的漆膜。本文重点介绍漆膜性能的耐磨性的评价方法与控制。


1 为何要关注漆膜的耐磨性

汽车内、外饰零部件涂层在装配和使用过程中会受到不同程度的摩擦、清洗、划伤、磕碰等,从而造成涂层表面不同程度的漆面损伤———划痕、光泽下降、雾影等等,为了尽可能的减少这些损伤缺陷,必须不断改进漆膜的性能从而应对各种可能的损伤。


其中涂层耐磨性是衡量漆膜耐损伤能力的一个非常重要的指标。漆膜的耐磨性是指涂层表面抵抗某种机械作用的能力,与涂层的硬度、附着力、柔韧性等物理性能密切相关。涂膜的外观表现大致可分为硬、软、韧、脆几大类型,漆膜的耐磨性与涂料的种类、配方技术、涂装工艺等有关。


纵观各车系的评价标准,漆膜的耐磨性均是必检项目,方法大同小异。如何有效评价漆膜的耐磨性能,直接关系到涂料是否能够得到实际的使用。


2 漆膜耐磨性的评价方法

纵览各品牌汽车塑料件表面漆膜耐磨性的检测标准,异曲同工、大同小异。大致可以分为:旋转摩擦法、往复摩擦法、模拟洗车过程实验法。对实验结果的评价各有千秋,有的是以光泽变化为依据;


有的是以漆膜的破损为依据;还有的品牌在标准里严格规定了漆膜的硬度, 理论上漆膜硬度高其耐磨性相对会好,但不论这些标准与实验方法有多少不同,其目的都是要求所使用的漆膜能够提供良好的耐磨性,使其所涂覆的零件表面在时光流逝中日久弥新,给消费者最好的体验。表1 中列举了部分主机厂涉及涂层耐磨实验的标准。

乘用车行业部分标准和检测目的

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2.1 旋转磨擦法(Taber 试验)

国际标准ISO7784.2—1997 采用旋转磨擦橡胶轮法测定色漆和清漆的耐磨性,方法:在旋转盘转速为60 r/min 、加压臂承载规定负荷的试验条件下,采用嵌有金刚砂磨料的硬质橡胶磨擦轮来磨耗涂层表面,其耐磨性可分别以经过规定研磨转数后涂层质量损耗(失重法) 的平均值或以磨损至某一厚度涂层时所需的平均研磨转数( 转数法)2 种方法来表示与评价。


二者相比较, 失重法对试样的称重精度要求严格,但它不受涂层厚薄的影响; 而转数法测定时直观方便,不需称重,但对涂层研磨厚度的测量要求甚严。旋转磨擦橡胶轮法可广泛用于涂层、镀层和金属、非金属材料的耐磨性试验,但是用作研磨的橡胶砂轮需要经常修整和适时更新。

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Taber 试验机,Taber 试验磨轮

旋转磨擦法多用于汽车内饰件表面涂层的耐磨性检测,各个主机厂所选用的设备与实施的实验方法均有不同,但实验原理基本一致。实验结果的评价基本归为两类:一是规定摩擦次数,摩擦后不允许涂层破损;二是选用特定的磨料,规定摩擦次数,比较摩擦试验前、后涂层光泽的变化。


实验方法与结果评价的规则基本体现了各个汽车品牌所执行的质量服务意识。本文列举一个日系品牌的检测方法,这个方法是以限定摩擦次数和涂层破损为评定依据的,是非常典型的旋转摩擦法,结果评价归属于类别一。


实验样品:平板、尺寸100 mm×100 mm,厚度≥3 mm;

实验过程:(1) 在样品的中心位置镗一个直径约为7 mm 的孔;(2)样品固定于标准中规定的锥形摩擦试验机上, 选用标准指定的摩擦盘施加4.9 N 负载开始旋转摩擦实验,记录塑料表面裸露和涂层剥落的摩擦次数。


试验结果评判:400 次(旋转摩擦400 周)后不得裸露塑料表面。

多数标准都是以对比试验前、后涂层光泽变化为评判依据的,归属于类别二。本文以马丁代尔实验为例,试验仪器如图3 所示,样品需要制作成平板,采用图4 所示的摩料作为摩擦介质。摩料以12 KPa 或800 g 平压在试验板上,往复摩擦10 个轨迹。试验的评价:试验板残余光泽的百分比按式(1)计算。

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这项实验多用于车内饰涂层的耐磨性评价,试验的要求也因零件所执行的功能和所处的位置不同而不同。根据车内饰的位置区域和接触度不同,要求也不同。


(1)视野关注度高、经常碰触区域:残余百分比≥85%,如仪表板区域;

(2)视野关注度中度,碰触率较低:残余百分比≥40%,如车门下部;

(3)视野关注度低,几乎无碰触区域: 残余百分比≥12%,如中央通道下部。


通常要求残余百分比≥85%的涂层基本上是UV漆才能满足; 要求残余百分比≥40%的涂层只要是热固化的PU 漆即可;要求残余百分比≥12%的,塑料本体表面(无漆膜涂覆)基本可以满足。

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马丁代尔试验设备,试验规定的磨料

总结归纳为乘用车涂层的Taber 试验:使用规定型号的摩擦盘施加特定的负载进行旋转摩擦实验, 不同零件的漆膜根据其在汽车所处位置的不同, 试验的循环数也不同。试验的结果评价原则也因汽车品牌而异,但共同的原则是:在规定的循环数内,漆膜不允许破损与剥落。


摩擦后的样品表面光泽变化是第二评价重点,有的车厂不允许光泽变化,有的允许一定的改变。


2.2 往复磨耗试验法

往复式织物磨耗仪其工作方式为: 一般以砂纸或纱布作为磨料,把它装在磨料架上,涂覆漆膜的零件试样固定于做往复运动的前后平台上。由于磨料架的自重,使磨料与试样漆膜接触而产生磨损。漆膜受磨损的次数由计数器记数。


这项实验多用于内饰塑料件表面涂覆漆膜的耐磨性检测, 漆膜的耐摩擦次数通常是由汽车内饰塑料件表面漆膜的功能和安装位置所决定的。实验多使用无染色平纹布为磨料,同时要求获得干态磨料和湿态磨料两种结果。


通常情况下检测技术供货条件下的耐磨性,也有某些特殊要求,如在特定的温度、规定的相对湿度或者水中贮存情况下检测其耐磨性。例如:在循环空气70 ℃的条件下48 h;在(23±2)℃的水中24 h;在50 ℃、相对湿度为95%的条件下贮存48 h 后进行等等。


潮湿的零件漆膜试样和湿的无染色平纹磨料布进行耐磨性试验, 在评价之前要在室温条件下干燥。对于干燥的无染色平纹磨料布和湿的磨料的耐磨试验,应尽可能在同一条件下进行。

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往复磨耗仪,无染色平纹磨料布

实验后的结果要评价摩擦实验后的漆膜试样的摩擦痕迹和摩擦织物的颜色变化。例如:评分1 定义为没有可见的目测变化(没有摩擦痕迹);评分2 定义为微小的变化(微弱的可辨识的摩擦痕迹);评分3 定义为明显的变化(色变,表面位移); 


评分4 定义为较大的变化(漆膜试样的漆膜脱落,塑料基材裸露),同时还必须对比色卡判断摩擦织物料的灰度等级。摩擦次数因零件的功能不同,差异也很大。例如,方向盘表面所涂覆的漆膜的耐磨性试验需要进行2 000 次的往复摩擦,而中央通道、门板上等所用塑料件表面的漆膜仅需要100 次即可。


旋转摩擦法和往复磨耗试验法相比,往复磨耗法因其受摩轮本身工作状态的影响小, 其可重复性更高。操作也更为简便,有些设备可以直接在零件表面工作,无需专门制备样板。


2.2 模拟洗车过程试验法

这项实验通常用于外饰塑料件涂层的耐磨性检测,每个品牌所用的设备也差异较大,但是洗车刷是每个设备的必备, 洗车刷从模样到材质也千差万别,有的细细的一束,有的是粗粗的一卷,材质从棉制到尼龙均有。图7 所示的为德系标准常用设备,图8 为设备中所用的洗车刷,材质为尼龙。


试验中所用的溶液为按比例混入硅砂的自来水,在特定的压力下喷射到试验样品和洗车刷上,实验过程中洗车刷会往复运行多个循环。主要用以模拟自然环境中外饰件涂层所受到的风沙雨水等的考验。实验结果的评判以漆膜的光泽变化为数据。

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模拟洗车试验机,试验专用洗车刷

模拟洗车试验采用图7 所示的模拟洗车试验机,采用图8 所示的专用试验刷,测试方法如下:

(1)首先在标准气候条件下测试试验品的表面光泽,取平均值;

(2)试验中必须放置一块数值标准的参照板,用以校对实验的偏差;

(3)试验(洗车刷往复的循环数因标准而异);

(4)试验后清洁样品表面,避免硅砂、水、鬃刷材料的残留;

(5)室温条件下干燥2 h 后测量表面的残余光泽,取平均值;

(6)把试验后的样品放入60 ℃的烘箱烘烤2 h。室温下冷却后再次测量表面的残余光泽,取平均值。

试验结果评价如下:

(1)样品的初始光泽GA;

(2)试验后的残余光泽GE;

(3)烘烤后的自愈残余光泽GR;

(4)试验后残余光泽的百分比GE[%]=(GE*100)/GA;

(5)烘烤后自愈光泽残留百分比GR[%]=(GR*100)/GA;

(6)参照板的相应的GE reference和GR reference;

(7)抗刮擦能力的相对值VE= GE[%]/GE reference[%]和VR= GR[%]/GR reference[%]。

只有在VE和VR均大于1 的条件下,涂层才具有合格的抗刮擦能力。

这项试验更接近涂层的实际使用情况,即能有效地反映涂层的耐磨擦性能也考虑到涂层本身的柔韧性。通过测试不同的循环数,可以找到性价比最适合的涂层,满足品牌质量要求。


涂层的耐磨性是由哪些要素决定的? 从汽车内饰塑料件表面的IMD、PVD 等漆膜,再到外饰的涂覆保护漆, 几乎所有的漆膜最外层保护层都是清漆涂层,清漆的主要成膜成分为树脂———链状高分子材料,决定涂层的主体构造,对其力学和化学性能起决定性作用。


树脂在涂料中有不同的形貌,通常是线性大分子,处于粘流状态,大分子的柔顺性好,具有较好的韧性,漆膜成膜的过程是从液态变为固态,即发生交联固化反应,线性大分子之间交联形成网状大分子,涂层的交联度主要与树脂的结构、官能团数量、相对分子质量以及配方的合理性等相关。


涂层固化后的网状大分子相互交联成网,交联点越多,交联密度越大,漆层的硬度越大;


如果主体支链较多,因单个高分子的支链有多向扭转性,则涂层柔韧性好。漆膜的耐磨性不仅仅取决于涂层的交联度,也与工艺有关,俗话说三分涂料七分涂装,就是指涂装工艺的固化温度、固化能量、环境温湿度、漆膜的流平性、漆膜厚度、基材的极性等等都与涂层的耐摩擦性息息相关。


3 结语

乘用车塑料件表面的涂层越来越多样化, 个性化,更丰富的色彩,更舒适的触感,甚至具有某些功能特效, 但实现这些功能的基础是优良的质量性能,如何鉴别质量性能,确保选择最具性价比的涂层是每个汽车品牌不断探索的课题。

涂层耐磨性表征了涂层表面抵抗某种机械作用的能力,它是使用过程中经常受到机械磨损的涂层的重要特征之一,而且与涂层的硬度、附着力、柔韧性等其它物理性能密切相关[5]。对于如何提高涂层的耐磨性,目前有以下几个方向:

(1)提高漆膜硬度;

(2)尽量减少漆膜表面摩擦力;

(3) 提高涂层的自愈能力;

(4)视觉效果功能漆,所谓视觉效果功能漆就是根据人类的视觉活动中,通常会集中视觉于事物的最突出的特征上,而会自动忽略或弱化一些细小的事物特征。如果零件漆膜无主次之分,图案无重点之别,人类的视觉往往会被图案中的不和谐之处所吸引,就很容易暴露缺陷。


利用这一视觉特点,漆膜制作层次分明、色彩丰富,图案也深远结合、浓淡相宜,并增加光影的效果,突出重点,强化视觉中心,从而弱化或忽略漆膜的缺陷,略有障眼法的特效,如光亮度较高的金属漆膜,表面略有划伤, 就会因其高亮度表面而凸显于视觉中,但如果做成亚光效果,同样的质量,同样的划伤,却很难被视觉关注到;


还有一种方案,就是在这种高亮度的金属效果漆膜表面增加拉丝、暗纹、或者光影点等,均可以在视觉上突出图案重点,从而弱化表面质量缺陷的。随着人工智能的快速发展,汽车操作功能的日益简化,越来越多的集成技术、触控技术与漆膜紧密地结合在一起,结合大显示屏正井喷式应用于汽车、家电和黑科技,这种结合不仅大量地节省了时间和金钱,而且提供了更多的空间与想象,但无论怎么变化,漆膜的耐磨性和耐久性也遇到了前所未有的考验,它甚至决定了产品的使用寿命。


环境的快速变化,迫使我们必须不断改进我们的检测手段,使产品质量更符合它的功能要求。


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