汽車制造業塑料的表面處理淺析

    在汽車制造流程中，塑料表面處理技術作為確保產品外觀質量的重要工序之一已不可或缺。隨著以塑代鋼趨勢的不斷深入，這一技術正引起汽車制造商的廣泛關注和重視。

    來自不同側面的信息表明，可在線處理、處理效果好、成本低、節能環保以及可監控性強的表面處理技術將受到歡迎。

    通常，汽車的內、外飾件（如儀表盤、保險杠等）在被噴涂、植絨或粘接前，需要先對其進行表面預處理，以提高塑料零部件的表面性能，從而確保部件在噴涂、植絨或粘接后的長期穩定性和可靠性。塑料表面處理的方式有多種類型，不同的材料、不同的產品或者不同的加工制程需要采用不同的表面處理工藝。

    過去在對內、外飾件進行噴涂前，通常采用噴淋式表面處理工藝。該工藝是通過化學處理的方式去除塑料件表面的油污、脂類和異物等，以確保制品獲得良好的噴涂性。這種方法實際上是參考了車身涂裝前的表面處理模式，即：預脫脂-脫脂-水洗1-水洗2-循環純水洗-新鮮純水洗-烘干。這樣設計的表面處理工藝通常要求投入整條前處理生產線，不僅設備投資較大，而且在日常的生產過程中，要求對工藝參數、條件及槽液等進行經常性的調整，還要對設備進行經常性的維護保養。這些煩瑣的管理項目不僅增加了工作負擔，而且增加了管理難度，其效率極為低下。更重要的是，這種表面處理工藝使水和電的消耗量極大，大量的廢水排放和能源消耗不僅使生產成本居高不下，而且不利于環保。

    目前，廣州本田主要生產4個系列的車型，包括：本田雅閣、奧德賽、飛度和思迪。為確保整車涂裝品質的一致性，該公司將內、外飾件的涂裝工序納入公司內部的生產流程中。廣州本田針對自身產品特點，自制了用于大型塑料件（主要是保險杠和儀表盤）的涂裝生產線，該生產線在早期設計階段就充分考慮了涂裝前的表面處理工藝。針對目前的兩條涂裝生產線，該公司都是采用“溶劑擦拭加吹掃”的表面處理方式，不僅簡單易行，而且經濟可靠，自生產線投產以來，一直處于較穩定的良好運行狀態，涂裝合格品率也一直保持較高水平。鑒于此，幾年前日本本田公司也停用了使用多年的噴淋式前處理生產線，改為“溶劑擦拭加吹掃”的表面處理方法。

    相比之下，作為零部件企業的江南模塑科技股份有限公司采取的則是“水沖洗+火焰處理”的表面處理方法。據說這是目前國內汽車制造企業在噴涂生產線上普遍采用的一種表面處理方法。就處理效果而言，這種方法較好地滿足了噴涂工藝的要求。

    作為國內最大的汽車外飾系統的制造及開發供應商之一，江南模塑的核心產品包括：前、后保險杠總成、門檻總成、門防擦條總成、擾流板總成以及格柵總成等，主要為SGM、SVW、武漢神龍、華晨金杯、華晨寶馬、北京奔馳和奇瑞汽車等配套。2007年，該公司為整車廠配套了大約120萬套的保險杠，約占國內乘用車市場40%的份額。

    針對不同客戶的需求，江南模塑主要采用兩種不同的噴涂油漆系統，即高溫烘烤油漆系統和低溫烘烤油漆系統。高溫烘烤是采用單組分或雙組分的清漆，在噴涂完成后，產品在120℃的條件下進行30min左右的烘烤。低溫烘烤則是使用雙組分油漆，在噴涂完成后，使產品在85℃的條件下進行30min左右的烘烤。為保證油漆的附著力，在噴涂前，首先要對塑料部件進行強力水沖洗，以使表面得到脫脂和清潔，然后由火焰處理機器人對塑件表面進行1200℃左右的火焰瞬時處理，以提高表面活性，滿足最終的油漆附著要求。經上述表面處理后，即對產品表面進行涂裝。

    據江南模塑研發中心介紹，對于采用TPO類材料的汽車保險杠等塑料部件而言，江南模塑采用“強力水沖洗+火焰處理”的表面處理方法，很好地滿足了國內中高端汽車廠商對汽車外飾零部件在外觀和性能等方面的嚴格要求，同時也滿足了大批量生產的要求，產品的噴涂合格率及生產效率一直保持在很高的水平。由于生產效率及合格率的提升，使得產品的成本控制與國內外同行相比，處于較高水平。但是，這種表面處理方法的缺點是前期設備投資較大。此外，在預處理時，需要使用較大量的水，污水處理的費用較高。因此，作為汽車配套廠商，他們非常希望采用更環保、更節能以及效果更佳的表面處理技術，以滿足汽車制造業對環保、質量及成本日益提高的要求。

    實際上，就汽車工業發達國家的情況來看，近年來伴隨著車用塑料材料種類的日益增多、汽車設計理念的不斷進步、對產品品質的精益求精以及節能環保呼聲的日益高漲，汽車制造商們對表面處理技術也有了更多、更高的要求。他們在選擇表面處理技術時，通常要考察以下因素：

    1、表面處理效果如何？是否能滿足后續工藝的要求？

    2、可否實現“在線”處理？表面處理裝置的處理速度是否與既有的工藝速度相匹配？

    3、表面處理工藝的穩定性、可控性和可重復性如何？其運行效果是否會受到環境或者操作人員操作技能的影響？

    4、工藝的安全性和環保性如何？廢棄物的處理成本是否很高？

    5、在表面處理的過程中，可否對工藝過程進行監控？

    6、表面處理技術的投資成本如何？

    基于上述要求，近年來塑料的表面處理技術日趨成熟，新的技術被越來越多地應用于汽車制造流程中，其作用已不僅僅是滿足了涂裝、植絨或粘接前的工藝要求，而是在一定程度上促進了汽車制造業對新材料的創新使用。

     德國等離子處理技術有限公司（Plasmatreat）上海代表處對此解釋說，由于大多數塑料材料的表面張力很低，因此過去的很多設計往往是遷就材料，只要在經過一定的表面處理后表面能達到了噴涂或粘接等工藝的要求，就優先考慮使用這種材料。近年來，成本和材料的使用特性等則日益成為產品設計的主導因素，從而使汽車制造商們開始將眼光投向了更多的塑料品種。目前，PP、PC、ABS、SMC、各種彈性體以及各種復合材料等已在汽車制造中得到了廣泛應用。在這種情況下，不僅要處理好同一材料部件之間的相互粘接問題，還要解決好不同材料部件之間的相互粘接問題，而以往的表面處理方法顯然難以滿足這一加工制程的要求。

    此外，伴隨著環保型水性涂料對溶劑性涂料的大量取代，傳統的表面處理方法同樣受到了新方法的挑戰。根據水性涂料的特點，如果經表面處理后的表面能只有40mN/m左右，則材料根本不能被水完全潤濕。為了確保噴涂效果達到設計要求，此時高效的素材表面處理就顯得十分重要。

    就表面處理效果而言，目前所有的表面處理方法中，氟化處理的效果是最好的，它能使材料獲得永久粘接力。但是，這種方法會產生大量的有害氣體，對廢氣的處理成本令大多數汽車廠商難以接受。加之該技術的市場準入門檻較高，因此很少有廠商使用這種方法，除非是針對一些極高要求的應用。

    值得欣慰的是，目前一些新的表面處理技術在處理效果、操作的經濟性和環保性等方面為汽車制造商們提供了新的選擇。例如，Europlasma公司推出的真空等離子處理技術就是一種既經濟又環保的表面處理技術，并且經其處理后的部件表面可滿足很多高標準的工藝要求。該技術是將一種環保型的處理氣體導入到真空倉內，當倉內壓力達到一定水平時，氣體即在電磁放電的作用下轉換成等離子。這些等離子可對三維工件表面進行均勻處理，從而使塑料制品的表面能得到明顯提高。

    測試表明，經真空等離子處理后的PE、PP、ABS和PBT+30%GF等材料的表面能分別由30mN/m、33mN/m、35mN/m和35mN/m提高到了均大于68mN/m的水平。該技術采用的真空等離子設備實際上是一個承載箱，它有多處穿孔，活躍的等離子可由此穿過與工件表面發生反應。對于保險杠等大型汽車部件而言，一種帶有自動門的大型真空等離子處理設備可一次同時處理6個保險杠，并且具有很強的可再現性。與火焰+底涂技術相比，該處理方法可使產品的合格率接近100%的水平，且成本僅為前者的1/3。

    無獨有偶，近年來，與真空等離子處理技術具有同樣經濟性、環保性及處理效果的另一種等離子表面處理技術，即Openair等離子表面處理技術也以其特有的優勢而在歐洲的汽車制造業中盛行起來。由于該技術能夠實現“在線”處理，因此減少了工藝步驟，避免了半成品的周轉，從而最大程度地降低了成本，提高了良品率。

    Openair等離子表面處理技術是10年前由德國的Plasmatreat公司首先提出并實現了商業化的應用。該技術的中文含義是“常壓等離子表面處理技術”或者“大氣壓等離子表面處理技術”，在臺灣，人們也稱其為“大氣壓電漿技術”。常壓等離子屬于低溫等離子的范疇，與同屬低溫等離子體系的真空等離子相比，其最大的區別是等離子體的產生是完全不同的。同時，這種常壓等離子體對材料的處理是在普通的大氣壓條件下進行的，它不需要像真空等離子那樣，一定要將被處理物放在一個密閉真空的柜體內進行處理。

    另悉，利用Openair等離子表面處理技術對制品進行表面處理，其主要作用是表面的“精細”清洗和“高效”活化。清洗的目的在于去除表面靜電、粉塵和油污雜質，通過這種精細化的處理，能夠使制品表面得到徹底清潔，哪怕是很微小的粉塵顆粒或者是“嵌入”在表面孔隙結構中的油污都能夠被徹底的清洗掉。活化的目的在于對塑膠材料的表面進行化學改性，增加其表面張力。當制品表面在經過“高效”活化處理后，其表面張力能夠達到極高的水平，一般可達到72mN/m，這是能夠被水完全潤濕的表面能水平。與傳統的表面處理工藝相比較，Openair等離子表面處理技術有其明顯的工藝優勢，具體而言主要包括：

    1、不帶電，可以處理各種材料和制品，包括金屬或者帶有電子元件的產品。

    2、溫度低，因此也非常適合應用于那些表面材料對溫度敏感的制品。

    3、不需要箱體，可以直接安裝在生產線上。

    4、只消耗空氣和電，因此運行成本低，操作更安全。

    5、不產生臭氧，沒有化學污染物排放，符合環保規范的要求。

    當然，該處理技術也有其局限性，比如對于非常復雜的、帶有內凹形孔穴的表面，它的處理效果就不如真空等離子技術好。

    目前，汽車及汽車零部件行業已成為Openair等離子表面處理技術最大的應用領域之一，從車燈、保險杠、擋風玻璃、車門、儀表盤和密封條到形形色色的汽車電子元件等，都有使用Openair常壓等離子進行表面處理的成功案例。很多國際知名的汽車制造商通過引入該工藝技術，很好地解決了生產中的一些難題，例如：能夠毫無顧忌地導入新材料，比如在車燈燈座或者車門上使用聚烯烴材料；進一步優化了制造工藝，使其更具環保性，如內飾件的水性涂裝或者保險杠及車輪罩的免底涂作業等；提高了產品品質的可靠性，如汽車電子元件的耐環境封裝；實現了工效的提高以及品質的工藝優化，如膠條的植絨以及玻璃的包邊等等。

    Openair常壓等離子系統本身也隨著應用要求的不斷提高而不斷得以進步。2008年，該公司還將推出新的5000系列產品。它除了保留LCM在線全過程等離子工藝監控等過程控制系統以外，還進一步增加了工藝設定的調整自由度，并且使系統對外界工況的適應性更加全面。此外，Openair常壓等離子表面處理工藝還衍生出了一些新的工藝方法，比如Plasma Plus等離子鍍膜技術。利用這項技術，可以進行進一步的表面設計，也就是按照需要使表面具有“親水”或“憎水”的特性。

    作為一項新技術的推廣者，該公司一直致力于將這項先進的表面處理技術與國內汽車制造企業的工藝優化和工藝革新結合起來。目前，國內已有多家汽車零部件制造商、手機產品代工商、橡膠制品加工企業以及包裝材料加工企業成功地將這項技術導入到了他們的生產流程中，不僅幫助他們提升了產品的品級，增加了良品率，而且還降低了加工成本。當前，該公司正致力于擴大該技術在相關各界，包括制造企業、原料供應商以及研究院等的廣泛應用，以期最大程度地發揮其效用。