塑料涂装前的准备工作

塑料涂装前的准备工作

在塑料上施加大多数液体涂料的工艺，与金属涂装所用工艺相差不大，尽管粉末涂装在塑料上仍相当少见。此外，某些广泛用于金属的特定涂装方法，如化学沉积（自泳）和电泳涂装，无法用于塑料。但所有其他技术，如刷涂、浸涂、淋涂、幕涂，包括各种喷涂和旋转雾化方式，既可用于金属涂装，也可用于塑料涂装。随着紫外线辐射固化和部分粉末涂料低温固化技术的出现，目前已在某些耐热性较好的塑料上开展粉末涂装，不过该技术仍处于起步阶段。

制造中常用的各种金属，其可涂装性相当相似。这在一定程度上是因为金属的表面能、导电率、导热率和耐热性的数值都相当接近。塑料则绝非如此。总体而言，塑料的这些属性值远低于金属，而且不同塑料之间的数值差异极大。即使在同一塑料系列内，由于塑料分子量的差异以及各种树脂生产中加入的添加剂不同，其可涂装性也可能出人意料地不同。基础塑料成分可能只是单一树脂，也可能是两种或多种不同树脂的共混物。树脂配方中还可能含有各种填料、增量剂和增塑剂。树脂中常加入添加剂以产生理想的物理和化学性能；加入颜料则是为了改变光泽或提供颜色。这些添加剂的化学性质和用量很可能显著改变该配方的可涂装性。即使由同一树脂配方制成的零件，可涂装性也不一定相同。用于生产零件的注塑、挤出或其他成型工艺，由于会引起零件应力和树脂交联，也会对零件的可涂装性起到重要作用。

树脂的化学性质在很大程度上决定了塑料的表面能。一般而言，表面能较高的表面更容易被涂料“润湿”，因而更“易涂装”，即涂层附着力更好。人们注意到，涂料对金属的附着力往往优于对塑料的附着力，因为金属的表面能通常远高于塑料。聚乙烯和聚丙烯等塑料中分子的低极性，是这些塑料表面能低（可涂装性差）的原因。提高表面能，进而提高涂料附着力，是塑料预处理的主要目的之一。

要点

• 大多数液体涂装方法可沿用金属涂装，但化学沉积和电泳涂装不适用于塑料。
• 静电是塑料特有的问题。塑料是绝缘体，会积聚电荷并在涂装前吸附空气中的灰尘。
• 蜡型脱模剂是涂料的大敌。水溶性脱模剂要好得多，用普通水性洗涤剂即可洗掉。
• 光滑表面需要通过化学或机械方式粗化，以形成涂料所需的锚固点。
• 加速老化测试可预测现场性能：干热、湿热和对照组，然后按 ASTM D3330 进行剥离测试。

常见问题

涂装塑料前必须去除哪些污染物？

指纹、灰尘、纤维屑和脱模剂残留。洗涤剂清洗通常可去除裸手留下的盐分和油脂；如果操作人员从成型到涂装全程戴无绒手套，则完全可以避免指纹污染。

为什么塑料零件在涂装前会吸附灰尘？

因为大多数塑料是绝缘体或不良导体，会积聚静电荷，吸附并留住空气中的颗粒。静电控制是金属精饰生产线根本不需要的一个步骤。

哪些脱模剂与涂装兼容？

水溶性脱模剂，用普通水性洗涤剂清洗即可轻松去除。蜡型脱模剂有时可用溶剂去除，但不建议用于要涂装的零件，而且出于 VOC、火灾和健康方面的考虑，本来也不鼓励使用溶剂。

如何让涂料附着在光滑的塑料表面上？

将其粗化。塑料表面能低、表面轮廓度低，光滑表面的附着力差。常用的做法是化学蚀刻以产生微观粗糙度和锚固点，最好由所施涂涂料中已有的溶剂来完成。

应如何长期测试涂料附着力？

加速老化测试。一种可行的设计是分为三组：158°F 干燥环境下五天、90°F 及 90% 湿度下五天，以及常温对照组。测试后立即与对照组进行目视检查，待样品稳定后按 ASTM D3330 进行剥离测试，最常用的是 180° 剥离。

塑料基材的清洁

与任何其他待涂装的表面一样，塑料需要基本不含任何污垢或异物。待涂装塑料件上常见的污垢包括指纹、灰尘、纤维屑和脱模剂残留。通常，洗涤剂清洗可以令人满意地去除裸手触摸塑料所留下的盐分和油脂。如果处理零件的工人从成型到涂装步骤全程佩戴无绒手套，则完全可以避免指纹污染。

大多数塑料要么是绝缘体，要么是导电性差的材料。因此，它们容易积聚静电荷，牢牢吸附纤维屑和灰尘颗粒。用粘尘布擦拭可能无法去除所有这些污染物。去除静电吸附的纤维屑和污垢的绝佳方法是使用除静电吹风。除静电装置应同时产生正负电荷；大多数装置在吹风气源中使用微弱的放射性发射源。进气经过过滤，带离子的空气吹过零件，使正负离子中和所有静电荷。除静电必须在涂装前立即进行，使零件在进入涂装工序时尽可能干净。除静电与涂装之间如有延误，电荷会重新形成，零件表面也会因此再次积聚颗粒。

将塑料涂装作业设置在“洁净室”内，可更容易地控制灰尘和纤维屑等污物。供气应经过过滤，并保持约 50% 的相对湿度。任何时候都只允许穿着无绒连体服、发网和鞋套的授权人员进入该房间。

脱模剂与增塑剂

市面上有一些可涂装的脱模剂，但许多其他脱模剂会对涂料附着力产生不利影响。可能需要采用各种技术来去除这些用于帮助塑料件脱模的物质。蜡型脱模剂有时可通过溶剂清洗去除，但不建议在要涂装的零件上使用这类脱模剂。由于 VOC 排放限制以及许多溶剂潜在的火灾和健康危害，几乎自动不鼓励使用溶剂。水溶性脱模剂更为可取。用普通水性洗涤剂溶液即可轻松将其从塑料表面去除。

脱模剂也可能混入塑料配方中，称为“内”脱模剂。应尽可能避免使用内脱模剂。可涂装性可能不会立即受损，质量保证（QA）附着力测试也可能显示出极佳的初始附着力。然而，在某些情况下，内脱模剂会缓慢迁移到零件表面，导致零件涂装数月后涂料附着失效。

塑料树脂中可添加增塑剂以提高冲击强度，但这些增塑剂往往会像脱模剂一样降低涂料附着力。有些增塑剂会缓慢迁移到表面，使塑料与涂料之间的界面软化，导致附着力丧失。在这种情况下，初始涂料附着力测试也可能完全令人满意，但之后涂膜会从塑料表面翘起或剥离。这可能导致代价高昂的现场失效和责任索赔，且发生在零件投入使用很久之后。

实现牢固的涂料附着力

大多数塑料表面不仅表面能低，而且表面轮廓度本身也低。除非先通过化学或机械手段粗化表面，否则光滑表面往往会导致涂料附着力差。金属上的转化膜之所以有助于涂料附着，部分原因就在于金属上生成的无机层具有微观粗糙表面。克服塑料表面光滑的最常见方法，是用化学试剂蚀刻表面，产生微观粗糙度和锚固点，为涂料提供附着力。如有可能，蚀刻由所施涂涂料中的溶剂完成，以避免单独的处理步骤。涂料溶剂的选择相当关键，因为不同溶剂蚀刻塑料的速度各不相同。过度蚀刻和蚀刻不足都应避免。蚀刻不足无法提供合适的附着力；过度蚀刻则可能损伤塑料，可能使零件翘曲，暴露添加填料和增量剂的颗粒，甚至可能形成塑料中的物质渗入涂层的区域。某些塑料，如聚碳酸酯或聚苯乙烯，会因其特别敏感的溶剂的侵蚀而开裂或出现过度的表面银纹。如果塑料在成型过程中存在高应力区域，溶剂会因应力释放而在这些区域形成可见裂纹。因此，进行溶剂蚀刻时需要一定的谨慎。

某些零件形状在成型时，塑料快速注射流动会在模内使零件的某些区域产生显著的摩擦热。这些区域会形成高度交联（釉化）的表皮，抗溶剂蚀刻。除非采取措施去除这层过硬的塑料表皮，否则这些区域的涂料附着力会很差。可通过用中等磨蚀性介质滚磨，或用轻度侵蚀性的磨料喷砂，对这些区域进行足够的去釉，以获得令人满意的涂料附着力。对某些零件而言，短时热溶剂或溶剂蒸气浸渍处理也很有效。但是，用溶剂产生微观粗糙度通常仅在塑料本身至少具有一定极性时才有效。

当去釉或溶剂蚀刻无效或不宜采用时，可能需要通过化学反应在表面形成极性氧化基团。对于极度非极性的塑料表面尤其如此。聚丙烯和聚乙烯就是两种需要氧化处理的低极性塑料。这些树脂及类似的低极性塑料可短暂暴露于燃气燃烧器的明火中。这会引发氧化化学反应（初始燃烧），虽然程度不足以肉眼可见，但会在表面形成足够的极性，从而提供优异的涂料附着力。让塑料零件通过产生臭氧的电晕放电，也曾被用来引起表面氧化。电晕产生激发态氧原子，形成臭氧，臭氧继而氧化侵蚀塑料，产生羟基、羰基和羧酸等极性基团。

低极性塑料也可以使用称为光敏剂的感光化学品进行表面氧化，然后暴露于紫外线下。紫外线使光敏化合物分子“裂解”，形成自由基。自由基是反应性极强的物质，在此过程中会与空气中的氧结合。氧自由基继而与塑料反应，在表面产生极性基团。

冷气体等离子体技术可用于预处理塑料并使表面氧化，从而显著改善涂料附着所需的表面性能。当气体被迫吸收足够能量时，就会电离，成为“等离子体”。由射频发生器提供激发。电弧焊和荧光灯都是这一现象的例子：被激发的离子回落到稳定能态时产生“辉光”。在系统安全限度内，该工艺可使用任何单一气体或混合气体。氧气、氮气、氦气、氩气、空气和氨气都曾用于此目的。

等离子体调节同样能使塑料获得良好的涂装附着力。等离子体反应器通常是一个真空容器，配有可严密密封的装卸零件端口。反应器运行时可观察到辉光放电。气体等离子体处理既对表面进行微蚀刻，又使表面活化。短时处理即可在原本低极性或非极性的塑料上形成具有高表面能的极性表面，使其能被涂料完全均匀地“润湿”。等离子体工艺通常不改变表面外观，因此处理材料不会造成变色。使用与金属相同的涂料即可获得优异的附着力。这对一些制造商而言可能是一项重要特性，因为同时包含塑料和金属的组装件可以使用同一种涂料同时涂装。

效果较差的做法，是在涂料本身中使用化学氧化剂，使塑料表面氧化到足以产生更好的涂料附着力。反射红外光谱已证实，这些处理会在塑料表面产生与其他氧化工艺相同的含氧（羟基、羰基和羧酸）基团，只是数量较少。只有在有限的情况下，涂料本身中的氧化剂才能产生足以实现持久涂料附着力的极性。

表面预处理可增大（拓宽）工艺窗口。例如，“未处理”聚烯烃的表面能在 29-31 达因/厘米范围内。对于涂装工艺，这些表面需要 38-60 达因/厘米范围内的处理水平，具体取决于涂层化学类型，如溶剂型、水性或 UV。每种预处理方法都因应用而异，各有潜在优势、局限和成本影响。在某些情况下，气相氧化工艺可能对热封等下游制造作业产生不利影响。在投入生产之前进行全面评估至关重要。

附着力测试

有多种方法可用于测量涂料附着力和划痕硬度性能。加速老化测试是一种有助于预测产品长期性能的技术。以下实验设计就是一例：

• 第 1 组：五（5）天，158°F，干燥无湿度
• 第 2 组：五（5）天，90°F，90% 湿度
• 第 3 组：对照组，环境条件

测试后应立即进行目视检查，并与对照组比较。样品稳定后，应按 ASTM D3330 进行剥离测试。在许多应用中，最常用的是 180° 剥离测试。为便于比较，也建议进行 90° 剥离。该测试可能更真实地反映附着性能，尽管其数值可能低于 180° 剥离所记录的数值。将第 1 组测试从 5 天延长到 10 天并不能预测出现场性能翻倍，因为二者的关系不是线性函数；不过，这会显示出更稳健的结果。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group Inc.（TSG）的创始人兼总裁。TSG 是一家专注于塑料二次加工制造作业工程的技术公司，业务包括表面预处理、粘接、装饰与表面精饰以及激光打标。Norman R. Roobol 博士（770-487-9133 或 [email protected]）是一位拥有 35 年以上经验的工业涂装顾问，著有多部著作。欲了解更多信息，请致电 888-SABREEN 或访问：www.sabreen.com。

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