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低温固化粉末涂料在铝轮毂上的应用研究

摘要：为了验证低温粉在铝轮毂上应用的可行性，本文选取了低温固化粉末涂料和普通粉末涂料作对比，首先对低温粉的低温固化实现机理做出分析；

第二检测了两种粉末的烘烤特性，绘制了烘烤曲线；

第三对喷涂后的轮毂进行了力学性能检测（屈服强度和可靠性实验）和漆膜试验（附着力、砾石冲击、耐水、盐雾试验和平衡块粘贴试验）；

最后对低温工艺在铝车轮生产上应用推广做出分析和评估。

1、引言

粉末涂料在整个涂装技术中是一个飞速发展的领域，由于其VOC排放几乎为零，当前环保绿色发展的背景更加驱动了它的快速发展。

粉末涂料早已在汽车轮毂上开始应用，其环保的施工性和优异的涂层性能促使其近些年在汽车零部件行业里快速发展起来。

但是普通粉末涂料的固化条件多在180℃左右,有的甚至高达200℃,时间25min左右，存在烘烤温度高、时间长的缺点，导致在实际应用当中能耗较高，且过高的固化温度也会导致零件变脆。

汽车轮毂为汽车的主要承重部件，不仅要求有足够的力学强度，还要求有足够的韧性以保证抗冲击能力。

而降低粉末涂料固化温度可以增加轮毂的韧性，降低企业的生产能耗，达到节能环保的目的。

目前，节能环保的低温固化粉末已经在家电领域大批量的采用，有效降低了能耗，但所采用传统的低温固化粉末，流平性不佳。

而铝轮毂的涂装对流平和外观的要求较高，因而无法在铝轮毂上喷涂，所以在汽车铝轮毂行业，低温固化粉末还没有大批量的使用，因此若铝轮毂行业能采用低温固化粉末，在节能环保方面将有很大的提升空间。

实现低温粉末涂料在汽车轮毂应用的推广应用，前提是低温粉末工艺下生产的轮毂产品满足现行汽车部件性能标准。

本文在粉末厂家对铝轮毂专用的低温粉各项性能实验（耐腐蚀性能、DSC差示量热分析、粉末红外光谱分析、漆膜兼容性、粒度实验、树脂含量、耐砾石冲击）的基础上。

针对广州擎天粉末率先研发出的铝轮毂专用低温固化粉末，通过对铝轮毂的机械性能、低温粉末涂料的施工工艺、涂层各项漆膜性能、涂层平衡块粘贴力性能等一系列标准试验对低温固化粉末在铝轮毂行业的应用做了一系列可行性研究。

2、实验材料和设备

2.1 实验材料

2.2 实验设备

（1）力学性能试验

（2）漆膜性能试验

3、试验方法

3.1 喷涂工艺

铝轮毂涂装工艺：铸造成型车轮毛坯→前处理→静电喷涂粉末涂料→粉末固化→喷涂色漆→喷涂透明漆→固化

3.2 测试方法

（1）低温固化情况研究方法及表征

采用差示扫描量热法来研究粉末涂料固化情况与温度的关系。

通过对图中峰值温度A、起始反应温度B、面积C、均一化D来验证底粉的固化情况。

其中：峰值温度A的大小反映粉末的玻璃化温度、反应温度范围B体现低温固化的实现、面积C体现固化率、均一化D实现高流平效果。

（2）通过一系列抗冲击和抗疲劳实验来测试铝轮毂的各项力学性能。

（3）通过耐腐蚀试验和耐砾石冲击试验来测试涂层的漆膜性能。

4、结果与讨论

4.1 低温粉低温工艺的实现机理

一般粉末涂料从被涂敷到工件成为涂层，最后固化形成涂膜，需要经过三个阶段：

第一阶段是从单独的粉末颗粒，聚结成为一层连续的不平整的膜，即聚结阶段；

第二阶段，从连续不平整的表面流淌成较为光滑与平整的表面，即流平过程；

第三阶段，熔融的涂液通过交联反应，粘度不断增高，最后固化形成涂膜，即冷却固化阶段。

在三个阶段中，涂层的流平主要在第二阶段，而影响流动的阻力是熔融涂液的粘度，在此阶段随着温度升高，涂液的粘度越来越小，而当时间达到涂液固化时，熔融涂液的粘度反而突然变大。

一般传统的低温固化粉末涂料，通过传统加入催化剂方法，虽然解决了低温固化，但由于粉末在固化过程中反应活性太快，对温度太敏感，在应用于铝轮喷涂时，流平性不好，粉末容易结块现象，因此传统的低温粉末只适用于薄的金属工件喷涂。

铝轮毂工件厚，加温过程中工件升温慢，在固化过程中，粉末熔融后，因为温度低，没有充分流平，就胶化凝固，这样就造成涂膜的表面平整性差，容易形成桔皮重，外观差等缺点。

所以开发铝轮毂用的低温固化粉末涂料不能采用传统的低温固化方法，难度相对较高。

实现铝轮毂上粉末涂料低温固化的途径有三个：

一是树脂改进，包括官能团种类、官能团数量、官能团分布、分子量大小等，目的是降低树脂本身的熔融黏度、软化点及提高交联度；

二是固化剂的特性，包括官能团种类、官能团数量、分子量大小、与树脂混溶性等；

三是固化促进剂的应用，包括促进剂种类和数量。

因此粉末涂料在铝轮毂上实现低温固化，首先需通过引入在较低温度（140～160℃）可以固化的活性基团，并将其用于聚酯树脂的改性，降低反应活化能，增加交联密度，获得了具有低温固化基团的混合型聚酯树脂；

其次，在选用了低粘度树脂的基础上，再通过选择固化促进剂的种类，调整固化体系的适度反应活性。

采用合理的配方设计，解决固化率与固化时间的关系，从而解决流平性与温度平衡关系，研制出汽车铝轮毂专用的高流平低温固化的底粉粉末涂料。

低温固化铝轮毂底粉属于混合型体系，通过合成合适反应活性与粘度的饱和端羧基聚酯树脂，同时选用合适软化点与环氧值的双酚A型环氧树脂，互为固化作为成膜机体，并且添加各种助剂制成的，反应机理：

4.2 试验粉末的检测分析

低温粉末主要技术参数：

通过对广州擎天低温粉末的各项技术参数测定分析得到，低温粉各项技术参数达标，并且与高温粉相当，说明低温粉可以在较低温度下充分固化。

4.3 普通粉与低温粉烘烤温度曲线对比表

如图-1、图-2所示，低温粉烘烤温度在150℃/20min，普通粉烘烤温度在180℃/20min，低温粉比普通粉固化温度降低了30℃左右，能有效节省能源消耗，减少二氧化碳的排放，起到节能环保的作用。

4.4 粉末施工性

从两种粉末的上粉率、粘堵情况、切削崩漆、打磨量等几个方面来验证低温粉的施工情况，根据车间生产操作反馈，低温粉的施工性能符合要求且与高温粉相当。

4.5 两种工艺轮毂力学性能检测结果

铝轮毂的机械性能：

在轮毂铸造过程中，为了增加轮毂的强度和韧性，通常需要对轮毂做热处理，即淬火和回火工序，而回火是增加轮毂韧性最有效的途径，回火的工艺优劣直接影响到轮毂的韧性强弱，一般轮毂回火的温度控制在150℃左右；

轮毂在涂装过程中烘烤温度高于150℃时，回火的效果将会被削弱从而影响到轮毂的韧性和冲击强度，因为高温粉末的烘烤温度在180~200℃，所以轮毂的韧性在涂装过程中会有损失；

烘烤温度越高损失越多，而低温粉末的烘烤温度在150℃，与轮毂铸造中回火温度相当，轮毂的韧性损失较小。

总体上看，经过使用低温粉工艺的车轮强度下降15~20MPa，延伸率上升约2；其抗冲击性能有所提高，13°极限冲击高度提高约25mm，达到了产品标准。

4.6 两种工艺铝轮毂的漆膜检测结果

第一次检测结果：

第一次低温粉试验结果，存在砾石冲击和平衡块粘结力不足问题。

粉末厂家通过调整配方中树脂分子量、粘度与反应活性，降低粉末涂层的脆性，保证了固化程度完全，同时提高漆膜抗冲击性能；调整助剂增强平衡块与轮毂结合力，对原粉末进行改进。

第二次检测结果：

由图6和图7对比可以得到，广州擎天低温固化粉末的耐腐蚀试验通过，并且与高温粉相当，即在实现了低温固化的同时保证了涂层的致密度和涂料体系的固化率。

如表-7所示，经过粉末助剂调整平衡块附着力已经合格，并且广州擎天低温底粉的平衡块粘贴力与高温底粉相当，在实现了固化温度的同时保持了粉末涂层的平衡块粘贴力。

5、结语

低温粉在铝轮毂上应用中铝轮毂各项机械性能、涂层各项漆膜性能可以达到标准，同时发挥低温优势，降低生产能耗，韧性和抗冲击性能也有提高，达到了试验预期。

应用低温固化粉末的轮毂强度有下降，应用中需要调整铸造后热处理工艺使其满足要求。

低温固化粉末技术在应用上还不够成熟，可能会偶尔出现砾石冲击或平衡块粘结力不足的问题，但通过改进可以解决问题。

总之，随着粉末涂料技术发展，铝轮毂应用低温固化粉末是汽车铝轮毂涂装工艺发展的大趋势，是人类健康、节能减排及打造绿色轮毂的必然选择。它具有明显的经济和生态优势，市场前景良好。

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