塑膠噴漆前的準備

塑膠噴漆前的準備

將大多數液態塗料施工於塑膠的製程，與用於金屬噴漆的製程差異不大，不過粉體塗裝在塑膠上仍相當少見。此外，某些廣泛用於金屬的特定塗裝方法，例如化學沉積（自泳）與電著塗裝，無法用於塑膠。但所有其他技術，例如刷塗、浸塗、淋塗、簾塗，包括各種噴塗與旋轉霧化的變化型，皆可同時用於塗裝金屬與塑膠。隨著 UV 輻射固化與特定粉體塗料低溫固化的問世，某些具一定耐熱性的塑膠現已可進行粉體塗裝，但這項技術仍處於起步階段。

製造中常用的各種金屬，其可塗裝性頗為相近。這在一定程度上是因為金屬的表面能、導電率、導熱率與耐熱性數值彼此相當接近。塑膠則顯然並非如此。一般而言，塑膠這些屬性的數值遠低於金屬，且不同塑膠之間的數值差異極大。即使在同一塑膠家族中，由於塑膠分子量的差異，以及各種樹脂製造時加入的添加劑不同，其可塗裝性也可能出現驚人的差別。基礎塑膠成分可能僅為單一樹脂，也可能是兩種或多種不同樹脂的摻混物。樹脂組成中還可能配入各種填料、增量劑與塑化劑。樹脂中常加入添加劑以獲得所需的物理與化學性質；加入顏料則是為了改變光澤或提供色彩。這些添加劑的化學性質與用量，很可能大幅改變該特定配方的可塗裝性。即使由相同樹脂配方製成的零件，可塗裝性也不一定相同。用於生產零件的成型、擠出或其他成形製程，因會造成零件內應力與樹脂交聯，也可能對零件的可塗裝性扮演重要角色。

樹脂的化學性質在很大程度上決定塑膠的表面能。一般而言，表面能較高的表面較容易被塗料「潤濕」，因此較「可塗裝」，意即塗層附著力較佳。有人指出，塗料對金屬的附著力往往優於塑膠，因為金屬的表面能通常遠高於塑膠。聚乙烯與聚丙烯等塑膠的分子極性低，是這些塑膠表面能低（及可塗裝性差）的原因。提高表面能，進而提升塗料附著力，是塑膠前處理的主要目的之一。

重點摘要

• 多數液態塗裝方法可從金屬沿用，但化學沉積與電著塗裝無法用於塑膠。
• 靜電是塑膠特有的問題。塑膠是絕緣體，會累積電荷並在噴漆前吸附空氣中的灰塵。
• 蠟類脫模劑是塗料的天敵。水溶性脫模劑是較佳的選擇，並可用一般水性清潔劑洗去。
• 光滑表面需以化學或機械方式粗化，以形成塗料所需的錨定位點。
• 加速老化測試可預測實際使用性能：乾熱、濕熱與對照組，再依 ASTM D3330 進行剝離測試。

常見問題

塑膠噴漆前必須去除哪些污染物？

指紋、灰塵、棉絮與脫模劑殘留。清潔劑清洗通常可去除徒手接觸所留下的鹽分與油脂；若作業人員從成形製程到塗料施工全程配戴無棉絮手套，則可完全避免指紋污染。

為什麼塑膠零件在噴漆前會吸附灰塵？

因為大多數塑膠是絕緣體或導電性差的材料，會累積靜電荷，進而吸附並留住空氣中的微粒。靜電控制是金屬表面加工產線完全不需要的一個步驟。

哪些脫模劑與噴漆相容？

水溶性脫模劑，可用一般水性清潔劑輕易洗去。蠟類脫模劑有時可用溶劑去除，但不建議用於待噴漆的零件，且基於 VOC、火災與健康考量，本來就不鼓勵使用溶劑。

如何讓塗料附著於光滑的塑膠表面？

將表面粗化。塑膠的表面能低、表面輪廓也低，光滑表面的附著力差。常用的方法是化學蝕刻，以產生微粗糙度與錨定位點，理想情況下由所施工塗料中已含有的溶劑來完成。

應如何長期測試塗料附著力？

加速老化測試。可行的設計之一是分為三組：158°F 乾燥環境五天、90°F 且 90% 濕度環境五天，以及常溫對照組。測試後立即與對照組進行目視檢查，待樣品穩定後，再依 ASTM D3330 進行剝離測試，最常採用 180° 角。

塑膠基材的清潔

如同任何其他待噴漆的表面，塑膠必須合理地去除任何污垢或異物。待塗裝塑膠件上常見的污垢包括指紋、灰塵、棉絮與脫模劑殘留。通常，清潔劑清洗可令人滿意地去除徒手接觸塑膠所留下的鹽分與油脂。若處理零件的工作人員從成形製程到塗料施工步驟全程配戴無棉絮手套，即可完全避免指紋污垢。

大多數塑膠是絕緣體或導電性差的材料，因此容易累積靜電荷，吸附並牢牢留住棉絮與灰塵微粒。用黏塵布擦拭可能無法去除所有這些污染物。去除靜電吸附之棉絮與污垢的絕佳方法，是使用除靜電吹氣。除靜電裝置應同時產生正、負電荷；多數裝置在吹氣氣源中使用微弱的放射性發射源。進氣經過濾後，帶有離子的空氣吹過零件，使正、負離子中和所有靜電荷。除靜電必須在噴漆前立即進行，使零件進入塗裝製程時盡可能乾淨。除靜電與噴漆之間若有延遲，電荷將重新形成，零件表面因此會再度累積微粒。

將塑膠噴漆作業設置於「無塵室」內，更容易控制灰塵與棉絮等污垢。供應空氣應經過濾，並維持在約 50% 相對濕度。任何時候都只允許穿著無棉絮連身服、髮網與鞋套的授權人員進入該室。

脫模劑與塑化劑

市面上有一些可噴漆的脫模劑，但許多其他脫模劑會對塗料附著力造成不良影響。可能需要各種技術來去除這些用於協助塑膠零件脫離模具的藥劑。蠟類脫模劑有時可用溶劑清洗去除，但此類脫模劑不建議用於待噴漆的零件。由於 VOC 排放限制，以及許多溶劑潛在的火災與健康危害，使用溶劑幾乎自動被排除。水溶性脫模劑是較佳的選擇。這類脫模劑可輕易用一般水性清潔劑溶液從塑膠表面去除。

脫模劑也可能混入塑膠配方中，稱為「內部」脫模劑。應盡可能避免使用內部脫模劑。可塗裝性可能不會立即受損，品保附著力測試也可能顯示初期附著力極佳。然而，在某些情況下，內部脫模劑會慢慢遷移至零件表面，並在零件噴漆數月後造成塗料附著失效。

成型樹脂中可添加塑化劑來提高耐衝擊強度，但這些塑化劑往往和脫模劑一樣，會降低塗料附著力。有些塑化劑會慢慢遷移至表面，軟化塑膠與塗料之間的界面，造成附著力喪失。在此情況下，初期的塗料附著力測試也可能完全令人滿意，但塗膜隨後會從塑膠表面翹起或分離。這可能在零件投入使用很久之後，造成代價高昂的現場失效與責任索賠。

實現穩健的塗料附著力

大多數塑膠表面不僅表面能低，表面輪廓本身也偏低。除非先以化學或機械方式將表面粗化，否則光滑表面往往會造成塗料附著力不佳。金屬上的轉化塗層，部分是藉由在金屬上生成的無機層所具有的微粗糙表面來促進塗料附著。克服塑膠表面光滑的最常用方法，是以化學藥劑蝕刻表面，產生微粗糙度與錨定位點，為塗料提供附著。如果可能，蝕刻由所施工塗料中的溶劑來完成，以避免額外的製程步驟。塗料溶劑的選擇相當關鍵，因為不同溶劑對塑膠的蝕刻速率各異。過度蝕刻與蝕刻不足都應避免。蝕刻不足無法提供適當的附著力；過度蝕刻則可能損傷塑膠，造成零件翹曲、暴露添加填料與增量劑的顆粒，甚至可能形成塑膠中的物質滲入塗層的區域。有些塑膠，例如聚碳酸酯或聚苯乙烯，會因受到其特別敏感之溶劑的侵蝕而開裂或出現過度的表面龜裂。若塑膠有因成型製程而高度受力的區域，溶劑會因應力釋放而在這些區域形成可見裂紋。因此，進行溶劑蝕刻時需要謹慎。

在成型某些零件形狀時，會有一些區域因塑膠快速射出流動而在模具內使零件產生顯著的摩擦生熱。在這些區域會形成高度交聯的（玻璃化）表皮，能抵抗溶劑蝕刻。除非採取措施去除過硬的塑膠表皮，否則這些區域的塗料附著力會不佳。這些區域可透過以中等研磨性介質滾磨，或以較溫和的砂粒材料噴砂處理，進行足夠的去玻璃化，以獲得令人滿意的塗料附著力。對某些零件而言，短暫的熱溶劑或溶劑蒸氣浸漬處理也有效。但以溶劑製造微粗糙度，通常僅在塑膠本身至少具有一定極性時才有效。

當去玻璃化或溶劑蝕刻無效或不適用時，可能需要透過化學反應，在表面形成極性氧化基團。對於極度非極性的塑膠表面尤其如此。聚丙烯與聚乙烯是兩種需進行氧化處理的低極性塑膠。這些樹脂及類似的低極性塑膠，可短暫暴露於瓦斯燃燒器的明火中。這會引發氧化化學反應（初始燃燒），雖然程度不足以用肉眼察覺，卻足以在表面形成足夠的極性，提供優異的塗料附著力。讓塑膠零件通過會產生臭氧的電暈放電，也曾被用來造成表面氧化。電暈會產生激發態氧原子並形成臭氧，臭氧再對塑膠進行氧化侵蝕，產生羥基、羰基與羧酸基等極性基團。

低極性塑膠也可使用稱為光敏劑的感光化學品進行表面氧化，再曝露於紫外線。UV 光會「裂解」光敏化合物的分子而形成自由基。自由基是反應性極高的物種，在此製程中與空氣中的氧結合。氧自由基再與塑膠反應，在表面產生極性基團。

冷氣體電漿技術可用於塑膠前處理並使表面氧化，大幅改善塗料附著所需的表面特性。當氣體被迫吸收足夠的能量時，會離子化成為「電漿」。由射頻產生器提供激發。電弧焊接與螢光燈都是激發態離子回到穩定能態而產生「輝光」的現象範例。在系統的安全限度內，此製程可使用任何單一氣體或混合氣體。氧、氮、氦、氬、空氣與氨都曾用於此目的。

電漿調理同樣可使塑膠獲得良好的塗料附著力。電漿反應器通常是一個真空容器，配有可緊密密封的進出料口，用於裝載與取出零件。反應器運轉時可觀察到輝光放電。氣體電漿處理同時進行表面微蝕刻與活化。短暫處理即可在原本低極性或非極性的塑膠上形成具有高表面能的極性表面，使塗料得以完全且均勻地「潤濕」。電漿製程通常不會改變表面外觀，因此處理材料時不會造成變色。使用與金屬相同的塗料即可達到優異的附著力。這對某些製造商而言是一項重要特色，因為同時含有塑膠與金屬的組裝件，可以使用相同的塗料同時噴漆。

效果較差的做法，是在塗料本身中使用化學氧化劑，使塑膠表面氧化到足以產生較佳的塗料附著力。反射式紅外光譜已證實，這些處理會在塑膠表面產生與其他氧化製程相同的含氧基團（羥基、羰基與羧酸基），只是數量較少。只有在有限的情況下，塗料本身的氧化劑才能產生足以達到耐久塗料附著力的極性。

表面前處理可增加（拓寬）製程窗口。例如，「未處理」聚烯烴的表面能約為 29–31 dynes/cm。對於噴漆製程，這些表面需要 38–60 dynes/cm 的處理程度，具體取決於塗料化學類型，例如溶劑型、水性或 UV。每種前處理方法都因應用而異，各有潛在優勢、限制與成本影響。在某些情況下，氣相氧化製程可能對熱封等下游製造作業造成不良影響。在投入量產之前進行徹底評估至關重要。

附著力測試

有許多方法可用於測量塗料附著力與刮痕硬度性質。加速老化測試是有助於預測產品長期性能的技術。以下實驗設計是一例：

• 第 1 組：五（5）天，158°F，乾燥、無濕度
• 第 2 組：五（5）天，90°F，90% 濕度
• 第 3 組：對照組，常溫條件

測試後應立即進行目視檢查，並與對照組比較。待樣品穩定後，應依 ASTM D3330 進行剝離測試。在許多應用中，最常使用 180° 剝離測試。為便於比較，也建議進行 90° 剝離測試。此測試可能更能反映實際附著性能，但其數值可能低於 180° 剝離測試所記錄的值。將第 1 組測試從 5 天延長至 10 天，並不會預測出兩倍的現場性能，因為兩者關係並非線性函數；不過這會顯示更穩健的結果。

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group Inc.（TSG）創辦人暨總裁。TSG 是專精於工程設計塑膠二次加工作業的科技公司，涵蓋表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及雷射打標。Norman R. Roobol 博士（770-487-9133 或 [email protected]）是擁有逾 35 年經驗的工業噴漆顧問，並撰有多本著作。如需更多資訊，請來電 888-SABREEN 或造訪：www.sabreen.com。

---